電磁兼容電流探頭傳輸阻抗溫度誤差修正方法

何洋，高萬峰，張建偉，張春喜，李艷（白城兵器試驗中心，吉林白城137001）

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電磁兼容電流探頭傳輸阻抗溫度誤差修正方法

何洋，高萬峰，張建偉，張春喜，李艷
（白城兵器試驗中心，吉林白城137001）

摘要：為了解決外場電磁兼容性試驗時環境溫度影響電流探頭測量精度的問題，通過溫度變化對電流探頭傳輸阻抗影響機理進行分析，得到了繞線電阻、分布電阻與分布電容等傳輸阻抗的主要參數與溫度的關系。提出了一種電流探頭傳輸阻抗溫度誤差的修正方法，并選取典型電流探頭進行實驗測試，獲得了其傳輸阻抗隨溫度的變化規律和相對誤差修正曲面。與標準實驗室的實驗結果進行比對，驗證了該方法的正確性和有效性。結果表明，該方法能在確保測量精度的前提下，將電流探頭的使用環境溫度擴展到-40℃～50℃，減小了外場試驗測試誤差。

關鍵詞：兵器科學與技術；電磁兼容；電流探頭；傳輸阻抗；溫度；修正；校準

0 引言

大型設備系統級電磁兼容性試驗及現場快速干擾診斷排查等一般在外場進行，外場環境溫度無法像內場（如屏蔽室）那樣做到可控，如果不做修正，往往會對測量結果產生影響，主要表現在兩個方面：一是溫度變化會對暴露于自然環境中的電磁兼容測試設備（如電磁兼容測量天線、電流探頭等傳感器）的測量精度產生影響；二是溫度變化可引起被試大型設備某些電特性發生改變，從而導致其電磁兼容性產生變化。被試大型設備在外場實際使用環境下的電磁兼容性，恰恰反映了其使用狀態的真實電磁兼容性能；而測試設備的測量精度受到的影響必須得到修正，方可確保測量結果的有效性。以開闊試驗場電磁兼容性傳導發射測試為例［1］，目前主要的控制方法為將接收機、計算機、衰減器等測試設備放置于溫度可控的方艙內，使其不會受到外界自然溫度環境影響。但電流探頭這一核心設備必須置于開闊場場坪的測試點位上，暴露于自然環境下，其測試精度不可避免地會受到外界環境溫度的影響。

傳輸阻抗是衡量電流探頭測試準確度的重要指標，直接關系到電磁兼容性測量結果的準確度。國內外許多學者對電流探頭傳輸阻抗的校準方法進行了研究［2 -11］，但大都只給出一種溫度條件下的校準方法和結果，即在實驗室標準溫度條件下（20℃左右）的電流探頭傳輸阻抗，適用于外場非標準溫度條件下的電流探頭測試精度修正未見文獻報道。剔除由環境溫度引起的電流探頭測試誤差，能夠提高測試設備的精度，確保測試結果的有效性和準確性。

1 溫度對電流探頭性能影響分析

1. 1 電流探頭測試原理

表征電流探頭的重要指標是傳輸阻抗，傳輸阻抗的定義為

式中：Zt為傳輸阻抗（贅）；Uo為次級輸出電壓（V）；I1為初級電流（A）。

一般，電流探頭由鐵氧體、帶有絕緣材料的銅線及金屬外殼組成。其測試原理及內部結構如圖1所示，等效電路模型如圖2所示［12］。

圖1 電流探頭內部結構示意圖Fig. 1 The internal structure diagram of current probe

根據電流探頭等效電路模型，由基爾霍夫定律可得

圖2 電流探頭等效電路模型Fig. 2 The equivalent circuit model of current probe

式中：ω為角頻率；M為電流探頭與被測導線的互感；L為電流探頭繞線的自感；I2為次級電流；Z為虛線內的總電阻。

式中：R為儀器內阻（一般為50贅）；r為繞線電阻。

從（5）式可以看出，Zt與M、L、C、r、ω都有關系。因此，傳輸阻抗的大小與被試品頻率、鐵氧體磁導率、線圈匝數、銅線阻抗等參數密切相關。

1. 2 電流探頭溫度影響機理分析

根據電流探頭的內部結構組成，溫度對鐵氧體導磁率和金屬殼體形變的影響非常小［13］，可以忽略。因此，溫度對電流探頭傳輸阻抗的影響主要由繞線電阻、分布電感與電容組成。

1. 2. 1 繞線電阻的影響

線圈由銅絲繞制而成，銅絲形狀尺寸（主要為長度變化）發生變化必然會引起線圈阻抗的變化。由導體電阻計算公式可得

式中：ρ為導體電阻率，銅絲為1. 75×10-8贅；l為導體長度（m）；S為導體橫截面積（m2）。

金屬材料膨脹計算公式為

式中：α為金屬膨脹系數，銅絲的膨脹系數為1. 65× 10-4m/℃；Δl為導體長度變化量（m）；Δt為溫度變化量（℃）。

將（7）式代入（6）式中可得

式中：ΔR為金屬電阻變化量。

一般情況下，設線圈匝數為n = 8，鐵氧體半徑rf=0. 01 m，線圈橫截面積S = 80×10-6m2，Δt = 30℃，則5. 44×10-7贅，由計算結果可知其對傳輸阻抗貢獻極其微小。

1. 2. 2 分布電容的影響

電流探頭內部極細銅絲線的絕緣采取的是銅線由絕緣膠包裹，固定采用的是用絕緣的塑質材料或絕緣膠粘合。這種結構在正常溫度下基本不會有問題，能夠確保電流探頭的正常使用。但是，當探頭在高/低溫度下使用時，由于銅絲極細，并且銅的熱膨脹系數與塑質材料或絕緣膠的冷熱膨脹系數存在相對值，這必將導致銅線的間距發生改變，直接影響探頭的監測性能。比較直接的影響是探頭特定的頻點監測出現偏差，這主要是由銅絲間距改變導致漏磁造成的。因此，銅線間距的變化導致繞線間的分布電容產生了變化。

繞線間的分布電容可從電容的基本定義推導而得［14］。這個電容是沿著繞組分布的，可以把原副邊繞成2根半徑為a的平行導線A、B，中心相距為d，如圖3所示。

圖3 兩平行導線間分布電容示意圖Fig. 3 The distributed capacitance between two parallel wires A and B

假設原邊繞組、副邊繞組分別攜帶電荷+ q、- q，距離A的中心x處P點的電場強度為E，則場強E為導線A、B的電荷分別在P點產生的電場強度EA和EB的疊加。根據高斯定理

方向是由A指向B，因此A、B間的電位差UAB為

由此可得長為la的繞組間分布電容為

式中：ε為繞組導體間絕緣材料的介電常數；la為兩繞組正對的平均長度。

線圈一般采用絕緣噴漆6081A/ B/ C，是經濟型高光環氧樹脂涂料，用于磁環表面絕緣噴漆，具有使用時間長、附著力強、物理特性優秀等特點，其熱膨脹系數為4×10-5cm/℃.假設繞組間距d = 0. 1 cm，銅絲半徑rCu=0. 01 cm，溫度變化30℃.根據（11）式計算可知，由于溫度變化導致每匝線圈間距變化Δd =0. 012 cm，這說明溫度變化可使分布電容較正常值變化近1. 024倍。由此可知，分布電容的變化是溫度導致電流探頭傳輸阻抗變化的主要因素。

綜上所述，可以得到如下結論：當溫度升高時，絕緣材料由于熱膨脹后使附著在其上面的導線間距d增大，導致分布電容C變小，從而傳輸阻抗Zt隨之變大；反之，當溫度下降時，絕緣材料冷縮，致使導線間距d變小，從而分布電容C變大，導致傳輸阻抗Zt隨之變小。

2 電流探頭傳輸阻抗修正

國際無線電干擾特別委員會發布的CISPR 16-1電磁兼容標準中規定了電流探頭的校準方法，校準原理如圖4所示［15］。當采用50贅測試系統時，電流探頭的傳輸阻抗Zt定義為

圖4 電流探頭校準原理圖Fig. 4 The calibration principle of current probe

將電流探頭卡在校準裝置上，只要得到電流探頭上的感應電壓U2和終端負載上的電壓U1，即可計算電流探頭的傳輸阻抗Zt.

2. 1 測試方法

本文方法的測試流程如圖5所示，校準示意圖如圖6所示，具體步驟如下：

1）在電磁兼容微波暗室內，室內溫度保持在標準溫度t =20℃條件下，將電流探頭卡在校準夾具上并置于溫度實驗箱內，電流探頭與頻譜分析儀連接，校準夾具一端接50贅負載，一端與信號源連接。

圖5 電流探頭測試流程圖Fig. 5 The test procedure of the proposed method

圖6 溫度實驗箱內電流探頭校準示意圖Fig. 6 The measurement arrangement

2）假設測量溫度的最低溫度為t1，最高溫度為tn，設置溫度實驗箱內的溫度為ti，t1≤ti≤tn，i = 1，2，…，n，ti的初始值為t1，進行保溫。待溫度穩定后設置并保持信號源輸出為U1，按照標準規定的校準頻點fj逐一對電流探頭的傳輸阻抗進行測試，使用頻譜儀測得電流探頭的接收值U2（ti，fj），其中，j = 1，2，…，m.

3）保持測試配置不變，關閉信號源輸出，令溫度實驗箱內的溫度為ti +1= ti+Δt，Δt為溫度變化量，進行保溫。待溫度穩定后，設置并保持信號源輸出為U1.按照標準規定的校準頻點fj逐一對電流探頭的傳輸阻抗進行測試，使用頻譜儀測得電流探頭的接收值U2（ti，fj），判斷ti +1是否等于tn.如果是，進入步驟4；如果否，返回步驟3，繼續進行測量。

4）根據（13）式計算所有不同溫度、不同頻率條件下電流探頭的傳輸阻抗值Zt（ti，fj）為

由于上述測試過程中，金屬的熱膨脹系數α一般為10-5～10-6m/℃，進而由于溫度變化引起的校準夾具和線纜阻抗變化非常小，可忽略，因此Zt（ti，fj）可直接用（13）式計算。

5）將所有溫度條件下電流探頭傳輸阻抗值Zt（ti，fj）分別與t = 20℃時的傳輸阻抗值之間Zt（t20，fj）進行比較，得到電流探頭相對于20℃時的傳輸阻抗隨溫度的變化量ΔZt（ti，fj）為

采用插值擬合算法對獲得的相對誤差數據進行擬合，得到電流探頭傳輸阻抗的溫度-頻率-相對誤差修正曲面。

上述測試中，由于采用溫度實驗箱，不可避免地會引入測試誤差。為盡量減小箱體內壁對電磁波的反射及由密閉腔體導致的諧振效應，本文采用以二氧化硅體系為主的透波材料作為溫度實驗箱體。這種材料具有極小的線膨脹系數（約0.5×10-6K-1）、較好的抗熱沖擊性能、較低的介電常數ε（2. 8～3. 5）和損耗角正切tanσ（小于0. 000 4）隨溫度變化小的優點，而且其導熱系數小，熱防護能力好，制造工藝相對來說較簡單，成本較低。

2. 2 典型電流探頭傳輸阻抗溫度誤差修正

選取電磁兼容性測試中常用的9123-1N型電流探頭，按照3. 1節所述方法進行測試，測試頻率范圍為10 kHz～100 MHz.根據一般外界自然溫度環境變化范圍設定溫度變化區間為-40℃～50℃，測試頻點選取標準實驗室校準證書的校準頻點。將獲得的測試數據與該探頭的校準結果進行比對，得出該探頭傳輸阻抗隨溫度變化的規律曲線。

1）標準溫度條件下標準實驗室校準數據。為了與標準數據進行對比及驗證實驗結果的有效性，首先給出該電流探頭在校準實驗室內測得的校準數據。圖7所示為北京無線電計量測試研究所給出的該電流探頭校準曲線。測試場地為校準實驗室，實驗室溫度為20℃，相對濕度為28%.

2）典型電流探頭傳輸阻抗隨溫度變化分析。將電流探頭和同軸校準夾具等放置在溫度實驗箱內。信號源輸出U1= - 15 dBm，得到-40℃～50℃范圍內電流探頭接收幅值和變化曲線，如圖8所示。為能夠更加直觀地看到傳輸阻抗隨溫度的變化情況，用溫度為20℃時的傳輸阻抗值與其他溫度條件下的傳輸阻抗值進行對比，得到電流探頭不同溫度條件下傳輸阻抗相對于標準溫度條件下的相對誤差，如圖9所示。由圖9可以看出，隨著溫度的升高，傳輸阻抗相對誤差變大；隨著頻率的升高，傳輸阻抗相對誤差逐漸變小，尤其在10 MHz以下，這種變化非常明顯且與理論分析基本吻合。

圖7 9123-1N型電流探頭傳輸阻抗校準曲線Fig. 7 The calibration curve of 9123-1N current probe

圖8 典型溫度下電流探頭傳輸阻抗變化曲線Fig. 8 The curves of current probe transfer impedance at typical temperatures

圖9 測試數據與校準數據間的相對誤差曲線Fig. 9 The relative error between test data and calibration data

3）典型電流探頭傳輸阻抗相對誤差修正。采用三次樣條插值算法對上述傳輸阻抗相對誤差進行擬合，得到電流探頭傳輸阻抗溫度-頻率-幅值相對誤差修正曲面，如圖10所示。由此可見，在環境溫度不可控的情況下，利用該相對誤差曲面對實測數據進行修正，可以在保證測試精度的前提下，拓展電流探頭的使用范圍。

圖10 電流探頭傳輸阻抗溫度相對誤差修正曲面Fig. 10 The surface for temperature error correction of current probe

3 實例驗證

3. 1 驗證方法

首先，在標準實驗室20℃條件下進行測試，將測試結果作為基準比對數據；其次，保持測試配置不變，在高低溫環境室50℃條件下進行測試，采用本文方法對該實測試數據逆推修正到20℃條件下；最后，檢驗逆推修正結果與基準比對數據之間的誤差，驗證該方法的正確性。

為了確保測試結果的可比對性，兩種條件下被試品的工作狀態應保持一致。選取CGC-255型傳導參考源并將其置于保溫箱內（保溫溫度設為20℃）作為基準被試品。由于該參考源的使用頻率范圍限制，因此比對頻段選為1～10 MHz.

1）標準實驗室20℃條件下傳導發射測試。在標準實驗室20℃條件下，將傳導參考源置于溫度實驗箱（材質與上同）內并使其一直保持20℃，將經過校準的電流探頭卡在被試線纜上，探頭距離傳導參考源5 cm進行傳導發射測試，獲取傳導參考源的傳導發射數據，如圖11所示。

2）高低溫環境室條件下傳導發射測試。將標準傳導參考源置于溫度實驗箱內，使其處于并保持20℃；將電流探頭置于高低溫環境室內并卡在被試信號線纜上，探頭距傳導參考源5 cm；保持其他測試配置與標準實驗室條件下的測試配置相同；改變環境室內溫度到50℃，保溫3 h后，利用電流探頭測試傳導參考源的傳導發射情況，記錄此時傳導參考源的傳導發射數據，如圖12所示。

利用圖10中的電流探頭溫度-頻率-傳輸阻抗相對誤差修正曲面對上述測試結果逆推修正到20℃條件下，再與標準實驗室的測試結果比對。

圖11 標準實驗室傳導發射測試布置Fig. 11 The conducted emission test layout in standard EMC laboratory

圖12 高低溫環境室傳導發射測試布置Fig. 12 The conducted emission test layout in temperature environmental chamber

3. 2 實驗結果比對分析

1）標準實驗室20℃條件下傳導發射測試結果。在北京無線電計量測試研究所完成20℃條件下標準傳導參考源的傳導發射測試，將測試結果作為基準比對數據，測試配置和測試數據分別如圖13、圖14所示。

圖13 標準實驗室20℃時傳導發射測試Fig. 13 The conducted emission test at 20℃in standard EMC laboratory

2）高低溫環境室傳導發射測試結果。在高低溫環境室50℃條件下進行標準傳導參考源的傳導發射測試，測試數據如圖15所示。將此測試數據修正到20℃條件下，修正后的測試數據如圖16所示。

圖14 20℃時標準實驗室傳導發射測試數據Fig. 14 The conducted emission test data at 20℃in standard EMC laboratory

圖16 由50℃修正到20℃時的環境室傳導發射測試數據Fig. 16 The conducted emission test data by temperature error correction from 50℃to 20℃

3）測試結果比對。為能夠比較直觀地表示修正后的數據與標準數據之間的誤差情況，選取關心的有用信號頻點，將實測數據、修正后測試數據與標準實驗室測試數據進行比對分析，檢驗3種情況下測試結果之間的誤差，如圖17所示。

圖17 實測數據、修正數據與標準數據的對比Fig. 17 Comparison among measured data，revised data and standard data

經計算，實測數據與標準數據之間的平均誤差為6. 99 dB，均方根誤差為7. 27 dB，修正后的實測數據與標準數據之間的平均誤差為0. 37 dB，均方根誤差為0. 85 dB.結果表明，通過電流探頭傳輸阻抗溫度誤差修正，大大減小了測試誤差，提高了測試精度。

4 結論

本文針對外場電磁兼容性傳導發射測試，提出了基于溫度誤差補償的電流探頭傳輸阻抗修正方法。通過該方法給出了電流探頭傳輸阻抗隨溫度的變化曲線。實際測試時，利用該曲線對電流探頭的傳輸阻抗進行修正，降低溫度對電流探頭測量精度的影響。該方法彌補了傳統方法不能給出不同溫度條件下電流探頭傳輸阻抗的不足，突破了傳統校準方法的使用局限性，可在不降低測量精度的前提下，有效拓展電流探頭的使用范圍，確保外場試驗結果的有效性和準確性。

參考文獻（References）

［1］ GJB 151B—2013軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量［S］.北京：中國人民解放軍總裝備部，2013. GJB 15/ B—2013 Electromagnetic emission and susceptibility requirements and measurement for military equipment and subsystems［S］. Beijing：The PLA General Armament Department，2013.（in Chinese）

［2］ Sekiguchi H，Funaki T. Proposal for measurement method of transfer impedance of current probe［J］. IEEE Transactions on E-lectromagnetic Compatibility，2014，56（4）：871 -877.

［3］ Li K，Videt A，Idir N. GaN-HEMT fast switching current measurement method based on current surface probe［C］∥16th European Conference on Electronics and Applications. Lappeenranta：IEEE，2014.

［4］ Li T，Pommerenke D J，Zhang J，et al. A current probe for measuring the individual ball current in a ball-grid-array packaged device［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2013，62（12）：3323 -3332.

［5］ Soda Y，Oda T. Characteristics of contact discharge using 6 GHz current probe［C］∥Industry Applications Society Annual Meeting. Vancouver，BC：IEEE，2014.

［6］ Liu Y，Zhao T，Han Y，et al. Core saturation detection and calibration of a current probe for fast transient currents［J］. IEEE Sensors Journal，2015，15（3）：1395 -1403.

［7］ Yao L J，Ma W Y，Yu C Y. Correlation between transfer impedance and insertion loss of current probes［J］. Electromagnetic Compatibility Magazine，2014，3（2）：51 -55.

［8］ Iddagoda M N，Venkatarayalu N V，Yeow Beng Gan. Characterization，calibration and macromodeling of RF current probes［C］∥2009 Asia Pacific Microwave Conference. Singapore：IEEE，2009：629 -632.

［9］ Primiani V M，Moglie F，Pastore A P. A metrology application of reverberation chambers：the current probe calibration［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2007，49（1）：114 -122.

［10］ Chundru R，Pornmerenke D，Chandra S. A new calibration method for current probes［C］∥International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Silicon Valley，CA，US：IEEE，2004.

［11］ 王水平，陸華，鄧為民，等.電流探頭的測量精度分析［J］.電力電子技術，2007，41（12）：121 -122. WANG Shui-ping，LU Hua，DENG Wei-min，et al. Analysis of current probe’s measurement precision［J］. Power Electronics，2007，41（12）：121 -122.（in Chinese）

［12］ 王添文，丁勇平，楊寶山.電流探頭分析設計［J］.裝備環境工程，2010，7（3）：85 -87. WANG Tian-wen，DING Yong-ping，YANG Bao-shan. Analysis and design of current probe［J］. Equipment Environmental Engineering，2010，7（3）：85 -87.（in Chinese）

［13］ Snelling E C. Soft ferrites-properties and application［M］. London：Butterworths，1998.

［14］ 曾光，金舜，史明.高頻高壓變壓器分布電容的分析與處理［J］.電力電子技術，2002，36（6）：54 -57. ZENG Guang，JIN Shun，SHI Ming. Analysis and disposal of distributed capacitance in high-frequency and high-voltage transformer［J］. Power Electronics，2002，36（6）：54 -57.（in Chinese）

［15］ IEC. CISPR 16-1：1999 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-part 1：radio disturbance and immunity measuring apparatus［S］. Geneva，Switzerland：IEC，1999.

A Method for Temperature Error Correction of Transfer Impedance of EMC Current Probe

HE Yang，GAO Wan-feng，ZHANG Jian-wei，ZHANG Chun-xi，LI Yan
（Baicheng Ordnance Test Centre，Baicheng 137001，Jilin，China）

Abstract：In order to improve the measuring accuracy of current probe influenced by ambient temperature in field EMC（electromagnetic compatibility）test，the mechanism of temperature affecting on the transfer impedance of current probe is analyzed，and the quantitative relations among winding resistance，distributed resistance，distributed capacitance and temperature are given. A calibration method of current probe is presented based on the temperature error compensation，the law that transfer impedance changes with temperature and the curve of temperature error compensation are given，the validity and effectiveness of the proposed method is proved by comparing the test results with the laboratory results. The results show that the method can be used to expand service ambient temperature of the current probe from -40℃to 50℃on the premise of ensuring measuring accuracy，and reduce the measurement error in field test.

Key words：ordnance science and technology；electromagnetic compatibility；current probe；transfer impedance；temperature；correction；calibration

中圖分類號：TM930. 1

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1093（2016）04-0712-07

DOI：10. 3969/ j. issn. 1000-1093. 2016. 04. 020

收稿日期：2015-04-16

基金項目：武器裝備預先研究項目（51333050401）

作者簡介：何洋（1974—），男，工程師。E-mail：nudt_hy@163. com