电磁兼容电流探头传输阻抗温度误差修正方法

何洋，高万峰，张建伟，张春喜，李艳（白城兵器试验中心，吉林白城137001）



电磁兼容电流探头传输阻抗温度误差修正方法

何洋，高万峰，张建伟，张春喜，李艳
（白城兵器试验中心，吉林白城137001）

摘要：为了解决外场电磁兼容性试验时环境温度影响电流探头测量精度的问题，通过温度变化对电流探头传输阻抗影响机理进行分析，得到了绕线电阻、分布电阻与分布电容等传输阻抗的主要参数与温度的关系。提出了一种电流探头传输阻抗温度误差的修正方法，并选取典型电流探头进行实验测试，获得了其传输阻抗随温度的变化规律和相对误差修正曲面。与标准实验室的实验结果进行比对，验证了该方法的正确性和有效性。结果表明，该方法能在确保测量精度的前提下，将电流探头的使用环境温度扩展到-40℃～50℃，减小了外场试验测试误差。

关键词：兵器科学与技术；电磁兼容；电流探头；传输阻抗；温度；修正；校准

0 引言

大型设备系统级电磁兼容性试验及现场快速干扰诊断排查等一般在外场进行，外场环境温度无法像内场（如屏蔽室）那样做到可控，如果不做修正，往往会对测量结果产生影响，主要表现在两个方面：一是温度变化会对暴露于自然环境中的电磁兼容测试设备（如电磁兼容测量天线、电流探头等传感器）的测量精度产生影响；二是温度变化可引起被试大型设备某些电特性发生改变，从而导致其电磁兼容性产生变化。被试大型设备在外场实际使用环境下的电磁兼容性，恰恰反映了其使用状态的真实电磁兼容性能；而测试设备的测量精度受到的影响必须得到修正，方可确保测量结果的有效性。以开阔试验场电磁兼容性传导发射测试为例［1］，目前主要的控制方法为将接收机、计算机、衰减器等测试设备放置于温度可控的方舱内，使其不会受到外界自然温度环境影响。但电流探头这一核心设备必须置于开阔场场坪的测试点位上，暴露于自然环境下，其测试精度不可避免地会受到外界环境温度的影响。

传输阻抗是衡量电流探头测试准确度的重要指标，直接关系到电磁兼容性测量结果的准确度。国内外许多学者对电流探头传输阻抗的校准方法进行了研究［2 -11］，但大都只给出一种温度条件下的校准方法和结果，即在实验室标准温度条件下（20℃左右）的电流探头传输阻抗，适用于外场非标准温度条件下的电流探头测试精度修正未见文献报道。剔除由环境温度引起的电流探头测试误差，能够提高测试设备的精度，确保测试结果的有效性和准确性。

1 温度对电流探头性能影响分析

1. 1 电流探头测试原理

表征电流探头的重要指标是传输阻抗，传输阻抗的定义为

式中：Zt为传输阻抗（赘）；Uo为次级输出电压（V）；I1为初级电流（A）。

一般，电流探头由铁氧体、带有绝缘材料的铜线及金属外壳组成。其测试原理及内部结构如图1所示，等效电路模型如图2所示［12］。

图1 电流探头内部结构示意图Fig. 1 The internal structure diagram of current probe

根据电流探头等效电路模型，由基尔霍夫定律可得

图2 电流探头等效电路模型Fig. 2 The equivalent circuit model of current probe

式中：ω为角频率；M为电流探头与被测导线的互感；L为电流探头绕线的自感；I2为次级电流；Z为虚线内的总电阻。

式中：R为仪器内阻（一般为50赘）；r为绕线电阻。

从（5）式可以看出，Zt与M、L、C、r、ω都有关系。因此，传输阻抗的大小与被试品频率、铁氧体磁导率、线圈匝数、铜线阻抗等参数密切相关。

1. 2 电流探头温度影响机理分析

根据电流探头的内部结构组成，温度对铁氧体导磁率和金属壳体形变的影响非常小［13］，可以忽略。因此，温度对电流探头传输阻抗的影响主要由绕线电阻、分布电感与电容组成。

1. 2. 1 绕线电阻的影响

线圈由铜丝绕制而成，铜丝形状尺寸（主要为长度变化）发生变化必然会引起线圈阻抗的变化。由导体电阻计算公式可得

式中：ρ为导体电阻率，铜丝为1. 75×10-8赘；l为导体长度（m）；S为导体横截面积（m2）。

金属材料膨胀计算公式为

式中：α为金属膨胀系数，铜丝的膨胀系数为1. 65× 10-4m/℃；Δl为导体长度变化量（m）；Δt为温度变化量（℃）。

将（7）式代入（6）式中可得

式中：ΔR为金属电阻变化量。

一般情况下，设线圈匝数为n = 8，铁氧体半径rf=0. 01 m，线圈横截面积S = 80×10-6m2，Δt = 30℃，则5. 44×10-7赘，由计算结果可知其对传输阻抗贡献极其微小。

1. 2. 2 分布电容的影响

电流探头内部极细铜丝线的绝缘采取的是铜线由绝缘胶包裹，固定采用的是用绝缘的塑质材料或绝缘胶粘合。这种结构在正常温度下基本不会有问题，能够确保电流探头的正常使用。但是，当探头在高/低温度下使用时，由于铜丝极细，并且铜的热膨胀系数与塑质材料或绝缘胶的冷热膨胀系数存在相对值，这必将导致铜线的间距发生改变，直接影响探头的监测性能。比较直接的影响是探头特定的频点监测出现偏差，这主要是由铜丝间距改变导致漏磁造成的。因此，铜线间距的变化导致绕线间的分布电容产生了变化。

绕线间的分布电容可从电容的基本定义推导而得［14］。这个电容是沿着绕组分布的，可以把原副边绕成2根半径为a的平行导线A、B，中心相距为d，如图3所示。

图3 两平行导线间分布电容示意图Fig. 3 The distributed capacitance between two parallel wires A and B

假设原边绕组、副边绕组分别携带电荷+ q、- q，距离A的中心x处P点的电场强度为E，则场强E为导线A、B的电荷分别在P点产生的电场强度EA和EB的叠加。根据高斯定理

方向是由A指向B，因此A、B间的电位差UAB为

由此可得长为la的绕组间分布电容为

式中：ε为绕组导体间绝缘材料的介电常数；la为两绕组正对的平均长度。

线圈一般采用绝缘喷漆6081A/ B/ C，是经济型高光环氧树脂涂料，用于磁环表面绝缘喷漆，具有使用时间长、附着力强、物理特性优秀等特点，其热膨胀系数为4×10-5cm/℃.假设绕组间距d = 0. 1 cm，铜丝半径rCu=0. 01 cm，温度变化30℃.根据（11）式计算可知，由于温度变化导致每匝线圈间距变化Δd =0. 012 cm，这说明温度变化可使分布电容较正常值变化近1. 024倍。由此可知，分布电容的变化是温度导致电流探头传输阻抗变化的主要因素。

综上所述，可以得到如下结论：当温度升高时，绝缘材料由于热膨胀后使附着在其上面的导线间距d增大，导致分布电容C变小，从而传输阻抗Zt随之变大；反之，当温度下降时，绝缘材料冷缩，致使导线间距d变小，从而分布电容C变大，导致传输阻抗Zt随之变小。

2 电流探头传输阻抗修正

国际无线电干扰特别委员会发布的CISPR 16-1电磁兼容标准中规定了电流探头的校准方法，校准原理如图4所示［15］。当采用50赘测试系统时，电流探头的传输阻抗Zt定义为

图4 电流探头校准原理图Fig. 4 The calibration principle of current probe

将电流探头卡在校准装置上，只要得到电流探头上的感应电压U2和终端负载上的电压U1，即可计算电流探头的传输阻抗Zt.

2. 1 测试方法

本文方法的测试流程如图5所示，校准示意图如图6所示，具体步骤如下：

1）在电磁兼容微波暗室内，室内温度保持在标准温度t =20℃条件下，将电流探头卡在校准夹具上并置于温度实验箱内，电流探头与频谱分析仪连接，校准夹具一端接50赘负载，一端与信号源连接。

图5 电流探头测试流程图Fig. 5 The test procedure of the proposed method

图6 温度实验箱内电流探头校准示意图Fig. 6 The measurement arrangement

2）假设测量温度的最低温度为t1，最高温度为tn，设置温度实验箱内的温度为ti，t1≤ti≤tn，i = 1，2，…，n，ti的初始值为t1，进行保温。待温度稳定后设置并保持信号源输出为U1，按照标准规定的校准频点fj逐一对电流探头的传输阻抗进行测试，使用频谱仪测得电流探头的接收值U2（ti，fj），其中，j = 1，2，…，m.

3）保持测试配置不变，关闭信号源输出，令温度实验箱内的温度为ti +1= ti+Δt，Δt为温度变化量，进行保温。待温度稳定后，设置并保持信号源输出为U1.按照标准规定的校准频点fj逐一对电流探头的传输阻抗进行测试，使用频谱仪测得电流探头的接收值U2（ti，fj），判断ti +1是否等于tn.如果是，进入步骤4；如果否，返回步骤3，继续进行测量。

4）根据（13）式计算所有不同温度、不同频率条件下电流探头的传输阻抗值Zt（ti，fj）为

由于上述测试过程中，金属的热膨胀系数α一般为10-5～10-6m/℃，进而由于温度变化引起的校准夹具和线缆阻抗变化非常小，可忽略，因此Zt（ti，fj）可直接用（13）式计算。

5）将所有温度条件下电流探头传输阻抗值Zt（ti，fj）分别与t = 20℃时的传输阻抗值之间Zt（t20，fj）进行比较，得到电流探头相对于20℃时的传输阻抗随温度的变化量ΔZt（ti，fj）为

采用插值拟合算法对获得的相对误差数据进行拟合，得到电流探头传输阻抗的温度-频率-相对误差修正曲面。

上述测试中，由于采用温度实验箱，不可避免地会引入测试误差。为尽量减小箱体内壁对电磁波的反射及由密闭腔体导致的谐振效应，本文采用以二氧化硅体系为主的透波材料作为温度实验箱体。这种材料具有极小的线膨胀系数（约0.5×10-6K-1）、较好的抗热冲击性能、较低的介电常数ε（2. 8～3. 5）和损耗角正切tanσ（小于0. 000 4）随温度变化小的优点，而且其导热系数小，热防护能力好，制造工艺相对来说较简单，成本较低。

2. 2 典型电流探头传输阻抗温度误差修正

选取电磁兼容性测试中常用的9123-1N型电流探头，按照3. 1节所述方法进行测试，测试频率范围为10 kHz～100 MHz.根据一般外界自然温度环境变化范围设定温度变化区间为-40℃～50℃，测试频点选取标准实验室校准证书的校准频点。将获得的测试数据与该探头的校准结果进行比对，得出该探头传输阻抗随温度变化的规律曲线。

1）标准温度条件下标准实验室校准数据。为了与标准数据进行对比及验证实验结果的有效性，首先给出该电流探头在校准实验室内测得的校准数据。图7所示为北京无线电计量测试研究所给出的该电流探头校准曲线。测试场地为校准实验室，实验室温度为20℃，相对湿度为28%.

2）典型电流探头传输阻抗随温度变化分析。将电流探头和同轴校准夹具等放置在温度实验箱内。信号源输出U1= - 15 dBm，得到-40℃～50℃范围内电流探头接收幅值和变化曲线，如图8所示。为能够更加直观地看到传输阻抗随温度的变化情况，用温度为20℃时的传输阻抗值与其他温度条件下的传输阻抗值进行对比，得到电流探头不同温度条件下传输阻抗相对于标准温度条件下的相对误差，如图9所示。由图9可以看出，随着温度的升高，传输阻抗相对误差变大；随着频率的升高，传输阻抗相对误差逐渐变小，尤其在10 MHz以下，这种变化非常明显且与理论分析基本吻合。

图7 9123-1N型电流探头传输阻抗校准曲线Fig. 7 The calibration curve of 9123-1N current probe

图8 典型温度下电流探头传输阻抗变化曲线Fig. 8 The curves of current probe transfer impedance at typical temperatures

图9 测试数据与校准数据间的相对误差曲线Fig. 9 The relative error between test data and calibration data

3）典型电流探头传输阻抗相对误差修正。采用三次样条插值算法对上述传输阻抗相对误差进行拟合，得到电流探头传输阻抗温度-频率-幅值相对误差修正曲面，如图10所示。由此可见，在环境温度不可控的情况下，利用该相对误差曲面对实测数据进行修正，可以在保证测试精度的前提下，拓展电流探头的使用范围。

图10 电流探头传输阻抗温度相对误差修正曲面Fig. 10 The surface for temperature error correction of current probe

3 实例验证

3. 1 验证方法

首先，在标准实验室20℃条件下进行测试，将测试结果作为基准比对数据；其次，保持测试配置不变，在高低温环境室50℃条件下进行测试，采用本文方法对该实测试数据逆推修正到20℃条件下；最后，检验逆推修正结果与基准比对数据之间的误差，验证该方法的正确性。

为了确保测试结果的可比对性，两种条件下被试品的工作状态应保持一致。选取CGC-255型传导参考源并将其置于保温箱内（保温温度设为20℃）作为基准被试品。由于该参考源的使用频率范围限制，因此比对频段选为1～10 MHz.

1）标准实验室20℃条件下传导发射测试。在标准实验室20℃条件下，将传导参考源置于温度实验箱（材质与上同）内并使其一直保持20℃，将经过校准的电流探头卡在被试线缆上，探头距离传导参考源5 cm进行传导发射测试，获取传导参考源的传导发射数据，如图11所示。

2）高低温环境室条件下传导发射测试。将标准传导参考源置于温度实验箱内，使其处于并保持20℃；将电流探头置于高低温环境室内并卡在被试信号线缆上，探头距传导参考源5 cm；保持其他测试配置与标准实验室条件下的测试配置相同；改变环境室内温度到50℃，保温3 h后，利用电流探头测试传导参考源的传导发射情况，记录此时传导参考源的传导发射数据，如图12所示。

利用图10中的电流探头温度-频率-传输阻抗相对误差修正曲面对上述测试结果逆推修正到20℃条件下，再与标准实验室的测试结果比对。

图11 标准实验室传导发射测试布置Fig. 11 The conducted emission test layout in standard EMC laboratory

图12 高低温环境室传导发射测试布置Fig. 12 The conducted emission test layout in temperature environmental chamber

3. 2 实验结果比对分析

1）标准实验室20℃条件下传导发射测试结果。在北京无线电计量测试研究所完成20℃条件下标准传导参考源的传导发射测试，将测试结果作为基准比对数据，测试配置和测试数据分别如图13、图14所示。

图13 标准实验室20℃时传导发射测试Fig. 13 The conducted emission test at 20℃in standard EMC laboratory

2）高低温环境室传导发射测试结果。在高低温环境室50℃条件下进行标准传导参考源的传导发射测试，测试数据如图15所示。将此测试数据修正到20℃条件下，修正后的测试数据如图16所示。

图14 20℃时标准实验室传导发射测试数据Fig. 14 The conducted emission test data at 20℃in standard EMC laboratory

图16 由50℃修正到20℃时的环境室传导发射测试数据Fig. 16 The conducted emission test data by temperature error correction from 50℃to 20℃

3）测试结果比对。为能够比较直观地表示修正后的数据与标准数据之间的误差情况，选取关心的有用信号频点，将实测数据、修正后测试数据与标准实验室测试数据进行比对分析，检验3种情况下测试结果之间的误差，如图17所示。

图17 实测数据、修正数据与标准数据的对比Fig. 17 Comparison among measured data，revised data and standard data

经计算，实测数据与标准数据之间的平均误差为6. 99 dB，均方根误差为7. 27 dB，修正后的实测数据与标准数据之间的平均误差为0. 37 dB，均方根误差为0. 85 dB.结果表明，通过电流探头传输阻抗温度误差修正，大大减小了测试误差，提高了测试精度。

4 结论

本文针对外场电磁兼容性传导发射测试，提出了基于温度误差补偿的电流探头传输阻抗修正方法。通过该方法给出了电流探头传输阻抗随温度的变化曲线。实际测试时，利用该曲线对电流探头的传输阻抗进行修正，降低温度对电流探头测量精度的影响。该方法弥补了传统方法不能给出不同温度条件下电流探头传输阻抗的不足，突破了传统校准方法的使用局限性，可在不降低测量精度的前提下，有效拓展电流探头的使用范围，确保外场试验结果的有效性和准确性。

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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

中图分类号：TM930. 1

文献标志码：A

文章编号：1000-1093（2016）04-0712-07

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

收稿日期：2015-04-16

基金项目：武器装备预先研究项目（51333050401）

作者简介：何洋（1974—），男，工程师。E-mail：nudt_hy@163. com