電流（注入）探頭校準(zhǔn)裝置的研究

李四青 陳超嬋 朱建剛

（上海市計量測試技術(shù)研究院 上海市 201203）

隨著各類電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，種類日漸繁多，電子產(chǎn)品在使用過程中會產(chǎn)生相互電磁干擾。如果電子產(chǎn)品設(shè)備不具備一定的電磁抗干擾能力，會造成儀器不能正常工作進(jìn)而產(chǎn)生安全事故。大電流注入技術(shù)廣泛應(yīng)用于電磁兼容抗擾度測試實驗中，通過大電流注入用于模擬被測設(shè)備在工作狀態(tài)下受電磁輻射的影響，而電流（注入）探頭在測試過程中是最關(guān)鍵的設(shè)備之一，所以必須對其定期進(jìn)行溯源校準(zhǔn)。

目前市場上常用的電流（注入）探頭產(chǎn)品種類眾多，性能指標(biāo)也不盡一樣，每個探頭必須配備專用型號的校準(zhǔn)夾具，否則計量機(jī)構(gòu)無法完成校準(zhǔn)。每個廠家的探頭型號規(guī)格不一致，校準(zhǔn)夾具各式各樣。因此本文將根據(jù)電流（注入）探頭孔徑內(nèi)徑對其進(jìn)行分類，設(shè)計出滿足各種電流（注入）探頭型號校準(zhǔn)需求的一套通用校準(zhǔn)夾具裝置，并通過具體校準(zhǔn)實驗來驗證校準(zhǔn)裝置的合理性。其中設(shè)計夾具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示[1]。

1 夾具尺寸分析與設(shè)計

校準(zhǔn)夾具裝置主要由三部分組成，具有感應(yīng)電磁能量的內(nèi)導(dǎo)體、左右對稱的金屬夾具豎版和連接輸出端口的N 型接頭組成[2]。

1.1 夾具內(nèi)導(dǎo)體和接頭設(shè)計

電流（注入）探頭的內(nèi)壁面與它相對應(yīng)的夾具導(dǎo)體段之間的介質(zhì)是空氣，根據(jù)同軸線特性阻抗公式[2]，即可確定夾具裝置內(nèi)導(dǎo)體直徑d，公式如下所示。

式中D 是同軸線外圓柱內(nèi)導(dǎo)體的直徑，d 是內(nèi)圓柱導(dǎo)體的內(nèi)徑，ur為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，校準(zhǔn)夾具阻抗設(shè)計為50Ω。

夾具內(nèi)導(dǎo)體和外接線纜通過N 型接頭進(jìn)行連接。但是由于內(nèi)導(dǎo)體直徑尺寸和N 型接頭內(nèi)導(dǎo)體孔徑不一樣，為了避免同軸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反射，這里可以采用錐過渡連接，即利用一段圓錐段連接兩部分同軸結(jié)構(gòu)[3]。

1.2 夾具豎板設(shè)計

校準(zhǔn)夾具裝置中豎板的作用是不僅起到固定裝置的作用，還可以連接底板、上頂板和電流（注入）探頭整體構(gòu)成一個回路。2 個豎板之間的距離也會影響整個裝置的傳輸性能[4]。

根據(jù)電流（注入）探頭的工作原理，探頭和夾具的等效電路模型可以簡化如圖2。

圖2 中，RL為夾具測試時兩端的終端負(fù)載，均為50Ω。Ra為夾具內(nèi)導(dǎo)體電阻損耗的一半。

從圖3 中可以看出，隨著豎板之間距離的增大，整個裝置的電壓駐波比也隨之增大。因此在保證能安裝電流（注入）探頭的前提下，盡可能使得豎版之間的距離最小，同時也要避免諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

綜上分析可以得出校準(zhǔn)夾具裝置的尺寸參數(shù)并進(jìn)行加工，加工出的機(jī)械裝置示意圖如圖4 所示。

圖1：校準(zhǔn)夾具結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：校準(zhǔn)夾具等效電路模型

圖3：不同距離對應(yīng)的電壓駐波比

圖4：校準(zhǔn)夾具裝置機(jī)械示意圖

表1：F-120-6A 探頭插入損耗實測值

表2：F-140-HV 探頭插入損耗實測值

圖5：電流探頭校準(zhǔn)系統(tǒng)

2 校準(zhǔn)示例

電流探頭校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖所示如圖5 所示，首先將電流探頭安裝在校準(zhǔn)夾具裝置上，輸入信號通過電磁耦合鉗耦合到校準(zhǔn)夾具上，頻譜分析儀接收輸出信號，電流探頭的插入損耗即為輸出信號電平大小和輸入信號電平大小的差值。

以型號分別為F-120-6A 和F-140-HV 電流（注入）探頭為例，分別連接加工好的校準(zhǔn)夾具裝置，同時連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，測得的電流探頭插入損耗結(jié)果如表1、表2 所示。

2.1 F-120-6A電流（注入）探頭

F-120-6A 電流探頭出廠指標(biāo)圖如圖6 所示，通過插入損耗實測值與出廠指標(biāo)數(shù)值相比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)基本一致，誤差很小。

圖6：F-120-6A 電流（注入）探頭指標(biāo)曲線圖

圖7：F-140-HV 電流（注入）探頭指標(biāo)曲線圖

2.2 F-140-HV電流（注入）探頭

F-140-HV 電流探頭出廠指標(biāo)圖如圖7 所示，同樣對比實測值和出廠指標(biāo)數(shù)值，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)基本一致，誤差很小。

結(jié)合以上2 個實驗數(shù)據(jù)分析，針對不同的電流（注入）探頭，通過使用校準(zhǔn)夾具裝置對其進(jìn)行校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)所測數(shù)據(jù)和出廠指標(biāo)數(shù)據(jù)偏差很小。

3 結(jié)論

本文通過對電流探頭進(jìn)行了理論分析，根據(jù)傳輸性能影響的變化趨勢結(jié)合模擬仿真軟件設(shè)計出電流探頭夾具，得到了校準(zhǔn)夾具裝置的參數(shù)，設(shè)計出一套電流探頭校準(zhǔn)裝置，最終通過實驗數(shù)據(jù)驗證了校準(zhǔn)裝置的可靠性和準(zhǔn)確性。