基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法

赵 丽，张小芸，吴金华

(中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏 南京 211111)



基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法

赵 丽，张小芸，吴金华

(中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏 南京 211111)

针对在CS115测试中没有合适的电流探头转移阻抗而无法精确测量电缆束感应峰值电流的问题，提出了基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法。该方法根据标准GB/T6113.102 (CISPR16-1-2)中的电流探头校准等效电路，将CS115测试中的脉冲发生器、注入探头、校准夹具、同轴电缆和同轴负载(50 Ω)看成一个整体并替代校准等效电路中的信号源，通过测量线上的电压和电流探头的输出电压，计算得到电流探头转移阻抗。试验表明：此方法能够可重复性地获得适用于CS115的电流探头转移阻抗，从而可以精确测量电缆束感应峰值电流。

电流探头；转移阻抗；测量方法；CS115

0 引言

CS115是电缆束注入脉冲激励传导敏感度测试，用于检测EUT(被测件)承受脉冲信号耦合到与EUT有关电缆上的能力。该脉冲激励信号由脉冲上升和下降的时间小于2 ns，脉宽至少30 ns的特殊脉冲组成。这些脉冲参数保持不变，仅脉冲的幅度和脉冲重复频率可以改变。方法CS115包括两个部分[1-3]：1)校准，GJB151A-97的3.1和4.2(GJB 151B-2013的5.17.3.2和5.17.3.3)；2)测试，GJB 151 A-97的3.2和4.3(GJB 151B-2013的5.17.3.2和5.17.3.3)，其中需要记录示波器测得的电缆束感应峰值电流。该过程通过电流探头夹在受试电缆上，输出端接示波器50 Ω负载端，电缆束感应峰值电流为示波器上显示的电压值与电流探头转移阻抗的比值。

事实上，现有的电流探头转移阻抗测量方法仅适用于窄带信号[4-7]，不适用于宽带的、频谱分布宽的CS115脉冲激励信号。然而，在标准中又没有提供适用于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法，因此难以获得合适的电流探头转移阻抗，存在无法精确测量电缆束感应峰值电流的问题。本文针对在CS115测试中由于没有合适的电流探头转移阻抗而无法精确测量电缆束感应峰值电流的问题，提出了基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法。

1 电流探头的工作原理

1.1 概述

电流探头利用了安培定律[8]：

(1)

式中，C是开放表面S的周线。安培定律表明磁场可以通过穿越平面S的传导电流或者位移电流感应出来。时变电场产生位移电流。如果没有变化的电场穿过这个表面，那么感应出来的磁场直接与穿越环路的传导电流有关。电流探头利用这一原理来测量电流。电流探头由一个被分成两部分的铁氧体芯构成，它们通过铰链连接在一起并通过一个夹子来闭合。铁氧体芯用来集中磁通，将夹子打开，把载有待测电流的受试电缆沿铁氧体放置，然后关闭夹子。穿过这个环的电流产生一个集中的、环绕铁氧体芯的磁场。由法拉第定律，几匝线圈缠绕在铁氧体芯上，以使环绕铁氧体芯的随时间变化的磁场感应出的电动势与该磁场成正比。因此，这些线圈的感应电压就可以被测量出来，并与通过电流探头的电流成正比。

1.2 电流探头的校准

电流探头的校准等效电路示意图[4-5]如图1所示。当同轴线匹配良好时，流经内导体的电流Ip可通过测量线上的电压V1来计算。如果电流探头的输出电压为V2，转移阻抗可由式(2)算出：

(2)

式(2)中：ZT为转移阻抗，Ω，V1为同轴线上的射频电压，V，V2为探头输出的射频电压，V，Ip为被测电流，A。

转移阻抗的单位通常为dBΩ公式如下：

ZT=V2-Ip=34+V2-V1

(3)

式(3)中：ZT为转移阻抗，dBΩ，V1为同轴线上的射频电压，dBμV，V2为探头输出的射频电压，dBμV，Ip为被测电流，dBμA，系数34对应于50 Ω的负载阻抗。

转移导纳k是转移阻抗的倒数，公式如下：

k=-ZT

(4)

式(4)中：k为转移导纳，dBS，ZT为转移阻抗，dBΩ。

根据校准等效电路示意图，信号源提供已知幅度和频率的信号，可以获得电流探头的校准曲线图，它表示了转移阻抗与频率的关系。某型号电流探头在频率范围10 kHz～500 MHz内的转移导纳曲线图如图2，可以看出该电流探头的转移导纳与频率一一对应，故仅适用于窄带信号，不适用于宽带信号。

图1 电流探头的校准等效电路Fig.1 Calibration equivalent circuit of the current probe

图2 电流探头的转移导纳Fig.2 Transfer admittance of Current Probe

2 基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法

2.1 基于CS115激励脉冲频谱分析

CS115激励脉冲的时域波形如图3所示。为了便于分析可以近似看作是周期梯形波[8]，每个脉冲幅度A=5 A，脉冲上升时间τr≤2 ns，脉冲下降时间τf≤2 ns，一个脉冲宽度τ≥30 ns和重复周期T=1/f=1/30 Hz=33 ms，如图4所示，梯形波的频谱边界[8]如图5所示。

从图5可以清楚地看到：周期梯形波的高频频谱分量主要取决于脉冲的上升和下降时间，上升/下降时间较短的脉冲比上升/下降时间较长的脉冲具有更多的高频谱分量。第一个断点和脉冲宽度有关，为1/πτ，假设CS115脉冲宽度τ=30 ns，则第一个断点为10.6 MHz；第二个断点和脉冲上升/下降时间有关，为1/πτr，假设CS115脉冲上升时间/下降时间τr=τf=2 ns，则第二个断点为159.2 MHz，假设CS115脉冲上升时间/下降时间τr=τf=1 ns，则第二个断点为318.5 MHz。

为了使频谱能够“精确”重现时域波形，选择带宽BW=0.5/τr，假设CS115脉冲上升时间/下降时间τr=τf=2 ns，则带宽为250 MHz，假设CS115脉冲上升时间/下降时间τr=τf=1 ns，则带宽为500 MHz，这与GJB152A/151B规定的带宽(30 MHz～1 GHz对应的6 dB带宽为100 kHz)相比，CS115激励脉冲明显为宽带信号。周期梯形波的基频为：f0=1/T=30 Hz，在带宽内的频谱分量非常多，不可能利用电流探头转移导纳如图3所示修正每个频谱分量，这对于实际测量来说是不可接受的，因此我们希望能够找到一种适用于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法。

图3 CS115脉冲激励的时域波形Fig.3 Time-domain wave of CS115 impulse excitation

图4 周期梯形波Fig 4 Periodic trapezoid wave

图5 周期梯形波的单边谱边界Fig.5 one-side spectrum bounds of periodic trapezoid wave

2.2 基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法

基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法也是根据GB/T 6113.102(CISPR16-1-2)电流探头校准等效电路[4]如图1所示，将CS115测试中的脉冲发生器、注入探头、校准夹具、同轴电缆和50 Ω负载看成一个整体作为该电路中的信号源，通过测量线上的电压和电流探头的输出电压，达到计算探头转移阻抗的目的。

CS115校准布置如图6所示，将脉冲发生器、注入探头、校准夹具、同轴电缆和50 Ω负载看成一个整体作为校准等效电路示意图中的信号源如图7所示；图6的CS115校准布置中串联1个校准夹具，电流探头夹在该校准夹具上，其终端接1个20 dB衰减器，如图7所示的虚线1，示波器上显示的电压为测量线上的电压V1；示波器的输入端从40 dB衰减器端断开，接电流探头的20 dB衰减器的输出端，如图7所示的虚线2，示波器上显示的电压为电流探头的输出电压V2；应用式(3)，可得转移阻抗ZT(Ω)。

只要校准布置和测试布置相同，或者只要脉冲上升时间和下降时间保持相同，基于CS115的转移阻抗仅仅需要测量一次。

图6 CS115 校准布置Fig.6 CS115 Calibration Setup

基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法,它是根据GB/T 6113.102(CISPR16-1-2)电流探头校准等效电路，将CS115测试中的脉冲发生器、注入探头、校准夹具、同轴电缆和50 Ω负载看成一个整体并替代校准等效电路中的信号源，通过测量线上的电压和电流探头的输出电压，计算得到电流探头转移阻抗。此方法能够可重复地获得适用于CS115的电流探头转移阻抗，从而可以精确测量电缆束感应峰值电流。

图7 基于CS115的电流探头转移阻抗的测量布置Fig.7 Measurement Setup of Transfer Impedance of Current Probe Based on CS115

3 试验验证及分析

为了验证基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法的可重复性和准确性，根据图7进行如下试验验证：1)首先校准(如图6所示)，根据表1和表2要求的输出电压，调节CS115脉冲发生器的幅度并记录幅度大小；2)其次测量线上电压V1和电流探头输出电压V2。根据表1调节CS115脉冲发生器的幅度，分别测量并记录V1和V2，并计算流经校准夹具的电流为V1/50 Ω，如表1和表2；3)最后计算电流探头的转移阻抗和电流探头测量的电缆束(校准夹具)感应峰值电流为V2/ZT，如表1和表2。4)将上述设备电缆全部脱开，重复步骤1)—3)，并记录数据，如表1和表2。

表1 脉冲发生器的电压不变时，电流探头转移阻抗的测量结果

表2 脉冲发生器的电压改变时，电流探头转移阻抗的的测量结果

根据表1和表2的数据可以看出：在脉冲发生器的电压保持不变和发生变化，测试设备每次重新连接的情况下，电流探头转移阻抗在5±0.02 Ω内波动，说明基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法能够可重复地获得转移阻抗；电流探头测量的电缆束(校准夹具)感应峰值电流与流经校准夹具的电流相比：在0～0.01 A内波动，说明基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法可以精确测量电缆束感应峰值电流。

4 结论

本文提出了基于CS115的电流探头转移阻抗的测量方法。该方法根据标准GB/T 6113.102(CISPR16-1-2)中的电流探头校准等效电路，将CS115测试中的脉冲发生器、注入探头、校准夹具、同轴电缆和同轴负载(50 Ω)看成一个整体并替代校准等效电路中的信号源，通过测量线上的电压和电流探头的输出电压，计算得到电流探头转移阻抗。试验验证表明：此方法能够重复地获得适用于CS115的电流探头转移阻抗，从而可以精确测量电缆束感应峰值电流。

[1]中国电子技术标准化研究所，中国船舶工业总公司701所.GJB 151 A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京：国防科学技术工业委员会，1997.

[2]中国电子技术标准化研究所，中国船舶工业总公司701所.GJB 152 A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量[S].北京：国防科学技术工业委员会，1997.

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[4]电子产业部电子工业标准化研究所，北京交通大学，信息产业部电子第五研究所，等.GB/T 6113.102-2008.无线电骚扰和抗扰度测量设备 辅助设备 传导骚扰[S]//无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范.北京：中国标准出版社，2008.

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[8]Clayton R, Paul.电磁兼容导论[M].北京：北京邮电出版社，2007.

A Current Probe Transfer Impedance Measurement Method

ZHAO Li, ZHANG Xiaoyun，WU Jinhua

(The 55th Research institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing，211111, China)

It cannot accurately measure the peak current induced in the cable without an appropriate transfer impedance of current probe for a broad impulse excitation signal. For this problem, a measurement method for transfer impedance of current probe was proposed. This method could take the pulse generator, injection probe, coaxial cable and coaxial load (50 ohm) as a whole one and replace the signal source of calibration equivalent circuit. By measuring the voltage of the cable and the output voltage of the current probe, the transfer impedance of current probe could be calculated. The experiment results showed that: this method could repeatedly acquire the transfer impedance of current probe, thus the peak current induced in the cable could be accurately measured.

current probe, transfer Impedance, measurement method, impulse excitation

2016-04-15

赵丽(1982—)，女，河南人，硕士研究生，工程师，研究方向：电磁兼容技术。E-mail：xd-lover@163.com。

TN806

A

1008-1194(2016)05-0112-05