一種CS115/CS116電流監(jiān)測(cè)探頭時(shí)域校準(zhǔn)夾具的設(shè)計(jì)

董 佳 姚利軍 余璨譯

（北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039）

1引言

隨著元器件日益集成化及電子設(shè)備在武器系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，電磁干擾及其帶來(lái)的電磁兼容（EMC）性問(wèn)題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。2013年7月，我國(guó)最新發(fā)布了軍用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)GJB 151B[1]，對(duì)CS115和CS116兩個(gè)項(xiàng)目均增加了適用范圍，由此可看出這兩個(gè)項(xiàng)目的重要性日益得到認(rèn)識(shí)和重視。

從該標(biāo)準(zhǔn)中就可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)項(xiàng)目中都要用到電流探頭作為傳感器來(lái)測(cè)量瞬態(tài)脈沖電流。由于脈沖測(cè)量中采用了電流探頭作為傳感器，最終的監(jiān)測(cè)電流值需要在測(cè)量電壓值的基礎(chǔ)上補(bǔ)償電流探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)（轉(zhuǎn)移阻抗）。但目前電流探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)是頻域上的結(jié)果，而監(jiān)測(cè)到的波形是時(shí)域上的結(jié)果，如果測(cè)量波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)，兩者的測(cè)量結(jié)果就不能采用簡(jiǎn)單相加的手段去修正[2，3]。所以，用時(shí)域的方法直接對(duì)電流探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)CS115和CS116兩個(gè)項(xiàng)目有重大意義。

電流探頭時(shí)域校準(zhǔn)的關(guān)鍵是如何提供標(biāo)準(zhǔn)電流[4]。校準(zhǔn)夾具的運(yùn)用則成為關(guān)鍵。校準(zhǔn)夾具由兩段半截的同軸轉(zhuǎn)換器組成，如圖1所示。當(dāng)將電流探頭裝在其中時(shí)，便形成了一根同軸線，包裹著電流探頭的為外導(dǎo)體，穿過(guò)探頭口徑的為中心導(dǎo)體。這樣便可應(yīng)用同軸線的阻抗性質(zhì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電流的測(cè)量。

考慮到電流探頭的時(shí)域測(cè)量，校準(zhǔn)夾具必須具備足夠?qū)挼念l率特性，以保證時(shí)域信號(hào)包含的頻譜分量全部通過(guò)且不失真。而目前常用的校準(zhǔn)夾具駐波在200MHz以上大于2，阻抗失配嚴(yán)重，引起功率的反射加劇，不適用于電流探頭時(shí)域轉(zhuǎn)換系數(shù)的校準(zhǔn)。因而夾具的結(jié)構(gòu)要進(jìn)一步改善。校準(zhǔn)夾具的主段和錐形過(guò)渡段均要求具有50Ω的特性阻抗，以保證同軸線內(nèi)有良好的阻抗匹配，使電壓駐波比符合要求。

2 校準(zhǔn)夾具的設(shè)計(jì)

2.1 校準(zhǔn)夾具帶寬的理論分析

在脈沖波形的測(cè)量中，脈沖波形的上升時(shí)間與頻帶寬度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，脈沖上升時(shí)間越短，包含的頻譜分量越豐富，諧波頻率越高，對(duì)應(yīng)的頻帶寬度就會(huì)越寬，一般情況下脈沖波形的上升時(shí)間與頻帶寬度對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（1）：

式中：tr——上升時(shí)間，s；fh——高端截止頻率，Hz；k——當(dāng)頻率響應(yīng)特性為RC積分網(wǎng)絡(luò)時(shí)，k=0.35；當(dāng)頻率響應(yīng)特性為高斯型響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)k=0.34。

對(duì)于CS115項(xiàng)目波形，上升沿小于2ns，RC積分網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)，可以計(jì)算出其頻帶寬度為175MHz。對(duì)于CS116項(xiàng)目波形，由于其最高頻率為100MHz，所以，滿足CS115波形的夾具同樣適用于CS116項(xiàng)目波形。校準(zhǔn)夾具的帶寬設(shè)計(jì)以滿足CS115信號(hào)波形傳輸為目標(biāo)。

我們利用MATLAB軟件分析電流探頭時(shí)域校準(zhǔn)對(duì)于校準(zhǔn)夾具的工作帶寬要求。具體思路如下：

1）將CS115標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)波形通過(guò)傅里葉變換，得到其頻譜；

2）通過(guò)濾波器模擬校準(zhǔn)夾具的工作帶寬，選擇有效帶寬內(nèi)的頻譜分量；

3）經(jīng)過(guò)濾波器的頻譜分量通過(guò)傅里葉逆變換，得到時(shí)域波形，從而模擬信號(hào)通過(guò)校準(zhǔn)夾具后的波形。

按照上述思路，對(duì)CS115標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。CS115信號(hào)源9355輸出信號(hào)時(shí)域圖及其頻譜圖如圖3所示。

利用matlab信號(hào)處理功能，設(shè)計(jì)100MHz、200MHz、300MHz及500MHz工作帶寬的濾波器，如圖4所示。觀察通過(guò)濾波器的波形，比較濾波器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)。

從圖5可以看出，通過(guò)100MHz、200MHz、300MHz及 500MHz后，波形的上升沿分別為 5.1ns、3.2ns、2.1ns、1.3ns，其波形幅值分別為 25.1mV、23.8mV、22.9mV、22.4mV。與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅值相比其偏差分別為12%、6%、2.2%，0。由此看出，當(dāng)夾具帶寬滿足500MHz時(shí)，可以完全傳輸CS115信號(hào)，當(dāng)帶寬小于300MHz時(shí)，波形失真較嚴(yán)重，影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 校準(zhǔn)夾具的仿真設(shè)計(jì)

通過(guò)2.1節(jié)中理論分析，我們以500MHz為目標(biāo)，設(shè)計(jì)校準(zhǔn)夾具。校準(zhǔn)夾具的豎直高度、寬度以及匹配段都是影響校準(zhǔn)夾具性能的主要因素[5]。通過(guò)仿真優(yōu)化，得到了校準(zhǔn)夾具的最終模型圖如圖6所示。校準(zhǔn)夾具在500MHz范圍內(nèi)VSWR＜2的電壓駐波比仿真值如圖7所示。

改變CST建模仿真時(shí)的激勵(lì)波形，如圖8所示，為一個(gè)上升沿＜2ns，脈寬10ns的方波，得到駐波和阻抗仿真結(jié)果，如圖9、圖10所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

校準(zhǔn)夾具的加工采用分段加工工藝，其內(nèi)部為錐形同軸結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖6，外部通過(guò)法蘭連接，校準(zhǔn)夾具的實(shí)物如圖11所示。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量校準(zhǔn)夾具的駐波，如圖12所示。

從圖12可以看出，校準(zhǔn)夾具電壓駐波比在500MHz范圍內(nèi)小于2，與仿真結(jié)果吻合。

通過(guò)校準(zhǔn)夾具的CS115波形如圖13所示，其上升沿為1.34ns。GJB151B中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)波形如圖14所示，由圖13、圖14可見(jiàn)，本文中設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)夾具滿足CS115實(shí)驗(yàn)波形的傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種應(yīng)用于電流探頭時(shí)域校準(zhǔn)的校準(zhǔn)夾具，利用matlab軟件，將校準(zhǔn)夾具等效為濾波器，分析了校準(zhǔn)夾具頻帶截?cái)鄬?duì)CS115波形的傳輸影響，得到了CS115實(shí)驗(yàn)波形的傳輸條件，并利用CST軟件仿真設(shè)計(jì)了一款校準(zhǔn)夾具，500MHz范圍內(nèi)電壓駐波比VSWR＜2。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，本文設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)夾具測(cè)量結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，可以用于CS115/CS116電流監(jiān)測(cè)探頭的時(shí)域校準(zhǔn)。

［1］ GJB 151B—2013，軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量［S］，2003.

［2］ 張戈，陳迪.CS115和CS116監(jiān)測(cè)探頭修正系數(shù)的確認(rèn)方法［J］.安全與電磁兼容，2014（5）：17～20.

［3］ 譚堅(jiān)文，石立華.脈沖電流探頭的時(shí)域標(biāo)定研究［J］.強(qiáng)激光與電子束，2006（18）：337～340.

［4］ 陳淑鳳，馬蔚宇，馬曉慶.電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

［5］ 周雁然，景莘慧，周忠元.注入電流探頭校準(zhǔn)夾具的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2016（37）：531～534.