EMC测试中的电流探头

• 专栏 专注介绍电磁兼容（EMC）的相关知识，算是对本人浸染 EMC 专业十余年的一个阶段小结 。

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1.EMC测试中的电流探头是什么？

EMC 测试中用到的电流探头，指的是在一定频段范围内，用于测量电源线、信号线的传导耦合装置。

• 这里重点讲 “监测探头”，也就是用于测量线缆电流的探头。EMC 测试中还有“注入探头”，用于将信号注入线缆中，考核被试设备的敏感性/抗扰度

典型的电流探头产品如下图所示：

电流探头由铁氧体、带有绝缘材料的铜线以及用于屏蔽的金属外壳组成。

• 将铁氧体、线圈进行屏蔽，主要目的是为了防止静电耦合。

电流探头的优势较为明显，其可开合的环形构造，可以在不改变被试设备（EUT）连接电路情况开展测试，不需要与被测线缆有直接的导电接触。

• 这就使得在对一些复杂系统线缆的噪声开展测量时，可以不用改变其电路，不用修改或变更线缆的位置。比如，汽车线缆，可以在装机状态下进行测量。

电流探头主要测量范围为 30 Hz~100 MHz¹，但是各厂商的产品最高可达 1 GHz。

2.电流探头的主要指标要求

电流探头的典型应用场景如下图：

其等效电路可以简化为：

结合等效电路，说明几个指标：

• 首先，是 插入阻抗，需 ≤ 1 Ω。

• 插入阻抗 是从电流探头的线圈（二级）转换到被测线缆中的阻抗。
• 一般来说，电流探头反射的阻抗值为几毫欧，对电路影响不会太大。

• 其次，转移阻抗，指的是次级电压与初级电流之比。

标准²规定，在电流探头端接 50 Ω 负载时，在平坦线性范围为 0.1 Ω ~ 5 Ω；低于平坦线性范围时可以为 0.001 Ω ~ 0.1 Ω。

• 有关 转移阻抗 的具体介绍详见下节。

• 第三，是前面提到的 平坦线性范围，电流探头的一个重要指标是其在通带范围有平坦的频响，也就是在规定频率范围内探头的转移阻抗相对平坦。

• 单个探头的频率范围很难完全覆盖电流探头的整个频率范围，一般需分为多个频段，如标准中给出的典型值分别为：100kHz ~ 100MHz、100MHz ~ 300MHz、200MHz ~ 1000MHz。

平坦通带的频率范围意义在于：

• 低于平坦通带的频率范围，电流探头仍能准确测量，但是灵敏度可能较低；
• 高于平坦通带的频率范围，电流探头会产生谐振，测量不再准确。

除了上述指标外，标准规定的指标还包括 磁饱和、外部磁场影响、电场影响、位置影响、电流探头口径等指标。

• 磁饱和：探头应给出误差不超过 1 dB 时，初级中直流或交流电源电流的最大值；
• 外部磁场影响：当线缆从探头口径内移动到探头外附近时，接收机的读数应至少减小 40 dB；
• 电场影响：探头应对 10V/m 以下的电场不敏感；
• 位置影响：使用探头时，任何尺寸的线缆放置在探头口径内的任何部分，当不大于 30MHz 时，测量值的变化应小于 1 dB；当在 30MHz ~ 1000MHz 范围内时，测量值的变化应小于 2.5 dB；
• 电流探头口径：标准要求，电流探头口径应最少 15 mm。

3.什么是转移阻抗？

作为表征电流探头性能的重要指标，本节单独介绍 转移阻抗 相关概念。

考虑上一节中的应用场景图和等效电路图，接收机测量的量为电压（记为$V_R$），而被测线缆中为传导发射电流（记为 $I_{CE}$），电流探头主要功能为将电流转换成电压。

因此，转移阻抗（$Z_T$）的定义为：

$$Z_T=V_R/I_{CE}$$

由于电压、电流多用分贝（$dB$）来表示，转移阻抗也可以用分贝来表示：

$$Z_T(dB\Omega )=V_R(dB\mu V)-I_{CE}(dB\mu I)$$

转移阻抗可以方便地表征电流探头的灵敏度。

线缆中最小可测电流为测量接收机灵敏度（上面两式中的 $V_R$）和电流探头转移阻抗（$Z_T$）之比。

• 同样的，使用$dB$形式时，为两者之差。

• 例如，若使用灵敏度为 1 $\mu V$ 的接收机和转移阻抗为 $10\Omega$ 的电流探头，则线缆上最小可测电流为 0.1 $\mu A$（即：1 $\mu V$ / 10 $\Omega$）；
• 若使用接收机灵敏度为 10 $\mu V$ ，电流探头转移阻抗为 $1\Omega$ ，则线缆上最小可测电流为 10 $\mu A$（即：10 $\mu V$ / 1 $\Omega$）。

• 所以，在接收机灵敏度确定时，为了得到更高的灵敏度，电流探头的转移阻抗应尽可能的高。

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1. 根据 CISPR 16-1-2:2014 or GB/T 6113.102-2017 相关说明。该标准主要规范的是传导发射的耦合装置，后续进行单独介绍。 ↩︎

2. CISPR 16-1-2:2014 or GB/T 6113.102-2017 ，下同。 ↩︎