電流探頭在輻射預(yù)測(cè)試的原理分析

電磁兼容公眾號(hào)2023年7月27日發(fā)表的《電流探頭用于傳導(dǎo)輻射測(cè)試和診斷分析的方法》介紹了電流探頭的應(yīng)用方法，但受內(nèi)容和篇幅限制未對(duì)電流探頭用于輻射預(yù)測(cè)試的原理進(jìn)行詳細(xì)闡述導(dǎo)致工程師閱讀和理解困難，因此在這篇進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。

該方法的產(chǎn)生主要經(jīng)歷了功率吸收鉗法、電磁鉗法、電流探頭法三個(gè)階段，逐步從輻射問題的診斷分析手段擴(kuò)展成輻射的預(yù)測(cè)試方法，是在長(zhǎng)期EMC研發(fā)實(shí)踐活動(dòng)中探索總結(jié)出來(lái)的實(shí)用方便高效的輔助EMC設(shè)計(jì)的方法。本文描述這個(gè)發(fā)展過(guò)程，并對(duì)相關(guān)原理進(jìn)行解釋并提供一些佐證，供大家參考和一起探討。

一、功率吸收鉗用于輻射診斷分析

在國(guó)內(nèi)EMC行業(yè)早期階段由于理論和經(jīng)驗(yàn)不足且缺乏用于輻射診斷分析的工具，對(duì)于輻射問題只能采取拔插線纜、增加磁環(huán)等手段，不能定性定量地解決問題，而一部分行業(yè)先行者開創(chuàng)性地使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工具進(jìn)行輻射診斷分析取得了很好的突破。功率吸收鉗由于應(yīng)用頻率與輻射重合而首先被開發(fā)應(yīng)用于輻射診斷測(cè)試。

功率吸收鉗(absolving clamp)是CISPR14 電動(dòng)工具和家用電器EMC標(biāo)準(zhǔn)中采用的進(jìn)行線纜發(fā)射功率的測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，并由CISPR16-1-3定義技術(shù)規(guī)格。功率吸收鉗測(cè)試法與輻射發(fā)射測(cè)試方法都能夠評(píng)估30-300MHz頻段線纜的發(fā)射，限值與輻射發(fā)射限值存在相關(guān)性。

圖一 功率吸收鉗實(shí)物圖與原理示意圖

功率吸收鉗對(duì)輻射信號(hào)的測(cè)量能力從基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)給出的示意圖上可以看出。功率吸收鉗以端口3個(gè)磁芯作為電流耦合器件，將線纜上的射頻共模電流信號(hào)耦合匹配之后送入到接收機(jī)，通過(guò)校準(zhǔn)系數(shù)換算就能得到被測(cè)線纜的射頻發(fā)射功率。校準(zhǔn)方法如下。

圖二 功率吸收鉗校準(zhǔn)方法示意圖

功率吸收鉗的校準(zhǔn)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀S21插損方法，50Ω系統(tǒng)下使用107dBμV對(duì)應(yīng)0dBm進(jìn)行電壓值到功率值的系數(shù)換算。使用校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償之后，功率吸收鉗測(cè)試頻譜與輻射發(fā)射的頻譜存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。2008年到2012年艾默生網(wǎng)絡(luò)能源EMC團(tuán)隊(duì)工程師利用功率吸收鉗進(jìn)行各種線纜輻射發(fā)射問題的診斷分析和整改，獲得了非常好的工程實(shí)踐收效。

二、電磁鉗用于輻射診斷分析

功率吸收鉗在輻射問題診斷分析上的高效應(yīng)用推動(dòng)了類似功能的電磁鉗的應(yīng)用研究。

電磁鉗(EM-clamp)是IEC61000-4-6傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試用于線纜注入的耦合注入設(shè)備，由于注入和接收的互易性，同樣可以用于測(cè)量線纜上的輻射發(fā)射問題診斷分析和整改驗(yàn)證。

圖三 放在校準(zhǔn)夾具中的電磁鉗實(shí)物圖與原理示意圖

與功率吸收鉗相比，電磁鉗使用所有磁芯進(jìn)行磁耦合且使用寬的金屬箔作為次級(jí)線圈，同時(shí)具有強(qiáng)的磁耦合和容性耦合能力。電磁鉗用于輻射診斷分析依舊需要對(duì)耦合系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖四 電磁鉗耦合系數(shù)校準(zhǔn)方法

圖五 電磁鉗耦合系數(shù)

電磁鉗作為標(biāo)準(zhǔn)EMS注入設(shè)備在150Ω系統(tǒng)下進(jìn)行校準(zhǔn)耦合系數(shù)，用于輻射診斷和分析需要在50Ω系統(tǒng)下校準(zhǔn)。需要注意電磁鉗靈敏度很高會(huì)將環(huán)境電磁噪聲干擾通過(guò)測(cè)試線纜耦合到測(cè)試端口，因此實(shí)際使用中要注意區(qū)分背景噪聲或增加共模阻抗進(jìn)行抑制。艾默生網(wǎng)絡(luò)能源EMC研究室在使用功率吸收鉗和電磁鉗進(jìn)行輻射問題診斷分析中累積了很多經(jīng)驗(yàn)，使這兩件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備成為問題診斷分析工具箱中高效工具。

三、電流探頭用于輻射診斷分析

由于吸收鉗和電磁鉗尺寸和體積較大，在大型系統(tǒng)、復(fù)雜線纜系統(tǒng)的輻射診斷分析中受到限制，因此更為靈活方便的電流探頭用于輻射診斷分析的方法被開發(fā)應(yīng)用出來(lái)。2012年到2019年間飛利浦醫(yī)療(蘇州)公司使用電流探頭作為輻射診斷分析工具，在大型醫(yī)療系統(tǒng)EMC開發(fā)設(shè)計(jì)中取得了很好的效果。同時(shí)在飛利浦創(chuàng)新中心EMC專家Dr.Marcel van Doorn的指導(dǎo)下將電流探頭拓展應(yīng)用到輻射預(yù)測(cè)試，使電流探頭成為大型復(fù)雜系統(tǒng)的EMC診斷、預(yù)測(cè)試、設(shè)計(jì)活動(dòng)中重要的一種基礎(chǔ)常備工具。

2020-2024年索恩格汽車零部件公司在車標(biāo)零部件EMC開發(fā)活動(dòng)中應(yīng)用電流探頭進(jìn)行CISPR25的各項(xiàng)發(fā)射測(cè)試以及診斷分析，其中電流探頭電流法的測(cè)試結(jié)果與車標(biāo)電壓法、輻射測(cè)試結(jié)果的一致性進(jìn)一步驗(yàn)證了電流探頭應(yīng)用于EMI預(yù)測(cè)試的前景。

電流探頭的基本結(jié)構(gòu)和原理以及應(yīng)用在此不做敘述，在此僅對(duì)電流探頭用于一般輻射預(yù)測(cè)試原理和一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。

電流探頭用于輻射預(yù)測(cè)試(pre-test)的基本原理

功率吸收鉗、電磁鉗、電流探頭用于輻射問題的診斷分析都取得很好的效果，是因?yàn)槿叨际峭ㄟ^(guò)線纜共模電流來(lái)評(píng)估遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射。實(shí)際產(chǎn)品大部分輻射發(fā)射都是通過(guò)線纜形成的天線進(jìn)行傳輸?shù)模虼司€纜輻射發(fā)射的物理現(xiàn)象遵循經(jīng)典的天線電磁輻射發(fā)射模型和物理公式。經(jīng)典電磁理論中射頻電流與遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)的相互關(guān)系如下：

圖六天線發(fā)射產(chǎn)生輻射電場(chǎng)的基本公式

該公式中，天線增益和天線阻抗是常量，距離R的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度E僅與天線輸入功率P相關(guān)，而功率P是位移電流i的因變量，所以結(jié)合兩個(gè)公式只有電流i是遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)E的唯一自變量，這表明天線上的位移電流(共模電流)與遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)之間存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量天線上位移電流就能對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射電場(chǎng)的大小進(jìn)行換算。以下用常見半波偶極子天線為例進(jìn)行計(jì)算。

圖七 半波偶極子天線的電流限值計(jì)算

輻射發(fā)射測(cè)試的雙錐天線、對(duì)數(shù)天線都屬于半波偶極子天線，其增益和阻抗是確定值。利用公式計(jì)算出40dBμV/m(3m法CLASS B 限值)的電流限值為5uA，但考慮自由空間與輻射測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)開闊場(chǎng)地面反射差異，電流限值應(yīng)當(dāng)降低到3uA(5dB換算)，轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)限值10dBμA，對(duì)應(yīng)電壓值為44dBμV。

通過(guò)天線的發(fā)射原理能夠?qū)⑻炀€電場(chǎng)強(qiáng)度與位移電流聯(lián)系起來(lái)，也就能夠通過(guò)線纜共模電流來(lái)計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度，再結(jié)合輻射發(fā)射的測(cè)試場(chǎng)地原理以及輻射發(fā)射的限值，就能得到滿足相應(yīng)輻射標(biāo)準(zhǔn)的線纜共模電流限值，也就是說(shuō)工程上能夠通過(guò)線纜上的共模電流評(píng)估遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射發(fā)射水平，就是電流探頭用于輻射發(fā)射預(yù)測(cè)試的基本原理。

以下針對(duì)電流探頭結(jié)果和輻射電場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行一些對(duì)比研究。

電流探頭共模測(cè)試結(jié)果與輻射測(cè)試的比較

開闊場(chǎng)和半電波暗室的電場(chǎng)測(cè)試方法是輻射發(fā)射的實(shí)用且可靠的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法，而電流探頭測(cè)試共模電流評(píng)估輻射發(fā)射的方法由于原理差異與工程實(shí)踐之中的應(yīng)用偏差和誤差是不能替代輻射電場(chǎng)測(cè)試的，但這并不影響我們利用這個(gè)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)階段的預(yù)測(cè)試和診斷分析，尤其針對(duì)單一線纜的產(chǎn)品，該兩種方法測(cè)試結(jié)果一致性非常高。以下為同一樣品的雙錐天線輻射測(cè)試結(jié)構(gòu)與線纜電流測(cè)試結(jié)果的實(shí)測(cè)比較：

圖八 電流探頭測(cè)量線纜上的共模電壓頻譜圖

圖九 雙錐天線測(cè)量電場(chǎng)頻譜圖

比對(duì)可以看到實(shí)際線纜上的共模電流與遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)超標(biāo)包絡(luò)相似，共模電流超標(biāo)幅值略大，可以認(rèn)為兩者測(cè)試結(jié)果存在一致性。實(shí)測(cè)中，當(dāng)電纜的長(zhǎng)短、走線變化、增加屏蔽或阻抗時(shí)，線纜上的共模電流的與輻射電場(chǎng)變化也是趨同的，因此電流探頭可以作為一種輻射整改快速驗(yàn)證工具，共模電流測(cè)試也可以作為輻射發(fā)射快速預(yù)測(cè)試評(píng)估的方法。

雙錐天線發(fā)射電流的測(cè)量

飛利浦醫(yī)療進(jìn)行天線共模電流測(cè)量演示時(shí)也發(fā)現(xiàn)了共模電流與天線電場(chǎng)的相關(guān)性佐證。通過(guò)對(duì)天線注入固定的射頻電壓，測(cè)量雙錐天線對(duì)外輻射出的電流，可以直觀的查看兩者之間聯(lián)系。

圖十 實(shí)測(cè)雙錐天線電流

實(shí)驗(yàn)采用跟蹤源向天線注入80dBuV的射頻電壓信號(hào)，電流探頭測(cè)量雙錐天線一極的電流轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)，用于粗略觀測(cè)天線的射頻電流以及天線對(duì)電流探頭的耦合。測(cè)試結(jié)果曲線中最下面一條為原始插入損耗，中間曲線增加天線系數(shù)補(bǔ)償，最上一條曲線是再增加電流探頭系數(shù)補(bǔ)償。增加系數(shù)補(bǔ)償后曲線在80dB左右，從側(cè)面能為電流與電場(chǎng)的相關(guān)性提供一定佐證。

電流探頭測(cè)試與輻射測(cè)試距離的研究

2014年在與飛利浦醫(yī)療創(chuàng)新中心Dr.Marcel van Doorn和Ms.Konika Banerjee進(jìn)行大型系統(tǒng)的輻射發(fā)射測(cè)試距離、天線高度影響的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)輻射測(cè)試結(jié)果并不遵循嚴(yán)格的換算關(guān)系，但共模電流測(cè)量結(jié)果卻能覆蓋不同距離不同高度的超標(biāo)頻譜且幅值接近。

圖十二 用于輻射比對(duì)的信號(hào)源的電流發(fā)射頻譜圖

引用自《Comparison radiated emission at 10 m, 3 m, and 1 m distance For large systems》，2014年3月。輻射天線測(cè)試方法受場(chǎng)地和天線本身的影響頻譜會(huì)有一定起伏變化，而共模電流的頻譜更為連續(xù)且穩(wěn)定，這個(gè)測(cè)試結(jié)果也揭示了使用電流探頭進(jìn)行輻射預(yù)測(cè)試實(shí)踐中的一個(gè)重要的原則：共模電流通過(guò)限值是輻射發(fā)射通過(guò)的充分非必要條件。也就是說(shuō)輻射電場(chǎng)發(fā)射超標(biāo)則對(duì)應(yīng)共模電流必定超標(biāo)，而共模電流超標(biāo)需要天線在特定距離和高度才可能測(cè)試到輻射電場(chǎng)超標(biāo)，共模電流的測(cè)試結(jié)果往往比天線測(cè)試結(jié)果更嚴(yán)格，工程實(shí)踐中需要注意這種正常的測(cè)試現(xiàn)象。

電流探頭用于輻射發(fā)射診斷分析的方法被飛利浦醫(yī)療研發(fā)工程師廣泛使用，并且多位系統(tǒng)工程師掌握了電流探頭一次完成傳導(dǎo)輻射預(yù)測(cè)試的操作方法，在各種大型復(fù)雜醫(yī)療系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。

電流探頭用于輻射測(cè)試的原理小結(jié)

電流探頭用于輻射預(yù)測(cè)試的方法經(jīng)歷了很長(zhǎng)一段時(shí)間的發(fā)展，是EMC工程師為解決工程實(shí)踐中的問題而不斷探索不斷完善而總結(jié)出來(lái)的方法。功率吸收鉗、電磁鉗、電流探頭的應(yīng)用使輻射問題的分析突破了場(chǎng)地和設(shè)備限制，大大提高實(shí)際效率。

“共模電流是輻射發(fā)射的源頭”是測(cè)量共模電流評(píng)估輻射發(fā)射的理論基礎(chǔ)，而輻射限值對(duì)共模電流限值的換算為電流探頭用于輻射預(yù)測(cè)試開辟了實(shí)際應(yīng)用的道路。電流探頭的該項(xiàng)應(yīng)用能夠輔助EMC工程師進(jìn)行輻射問題的診斷分析和預(yù)測(cè)試，能夠極大提高研發(fā)EMC設(shè)計(jì)能力。