一种CS115/CS116电流监测探头时域校准夹具的设计

董 佳 姚利军 余璨译

（北京无线电计量测试研究所，北京 100039）

1引言

随着元器件日益集成化及电子设备在武器系统中的大量应用，电磁干扰及其带来的电磁兼容（EMC）性问题已经引起了广泛关注。2013年7月，我国最新发布了军用电磁兼容标准GJB 151B[1]，对CS115和CS116两个项目均增加了适用范围，由此可看出这两个项目的重要性日益得到认识和重视。

从该标准中就可以发现这两个项目中都要用到电流探头作为传感器来测量瞬态脉冲电流。由于脉冲测量中采用了电流探头作为传感器，最终的监测电流值需要在测量电压值的基础上补偿电流探头的转换系数（转移阻抗）。但目前电流探头的转换系数是频域上的结果，而监测到的波形是时域上的结果，如果测量波形不是标准的正弦波信号，两者的测量结果就不能采用简单相加的手段去修正[2，3]。所以，用时域的方法直接对电流探头进行校准，对CS115和CS116两个项目有重大意义。

电流探头时域校准的关键是如何提供标准电流[4]。校准夹具的运用则成为关键。校准夹具由两段半截的同轴转换器组成，如图1所示。当将电流探头装在其中时，便形成了一根同轴线，包裹着电流探头的为外导体，穿过探头口径的为中心导体。这样便可应用同轴线的阻抗性质进行标准电流的测量。

考虑到电流探头的时域测量，校准夹具必须具备足够宽的频率特性，以保证时域信号包含的频谱分量全部通过且不失真。而目前常用的校准夹具驻波在200MHz以上大于2，阻抗失配严重，引起功率的反射加剧，不适用于电流探头时域转换系数的校准。因而夹具的结构要进一步改善。校准夹具的主段和锥形过渡段均要求具有50Ω的特性阻抗，以保证同轴线内有良好的阻抗匹配，使电压驻波比符合要求。

2 校准夹具的设计

2.1 校准夹具带宽的理论分析

在脉冲波形的测量中，脉冲波形的上升时间与频带宽度有一定的对应关系，脉冲上升时间越短，包含的频谱分量越丰富，谐波频率越高，对应的频带宽度就会越宽，一般情况下脉冲波形的上升时间与频带宽度对应关系如式（1）：

式中：tr——上升时间，s；fh——高端截止频率，Hz；k——当频率响应特性为RC积分网络时，k=0.35；当频率响应特性为高斯型响应网络时k=0.34。

对于CS115项目波形，上升沿小于2ns，RC积分网络响应，可以计算出其频带宽度为175MHz。对于CS116项目波形，由于其最高频率为100MHz，所以，满足CS115波形的夹具同样适用于CS116项目波形。校准夹具的带宽设计以满足CS115信号波形传输为目标。

我们利用MATLAB软件分析电流探头时域校准对于校准夹具的工作带宽要求。具体思路如下：

1）将CS115标准信号波形通过傅里叶变换，得到其频谱；

2）通过滤波器模拟校准夹具的工作带宽，选择有效带宽内的频谱分量；

3）经过滤波器的频谱分量通过傅里叶逆变换，得到时域波形，从而模拟信号通过校准夹具后的波形。

按照上述思路，对CS115标准信号进行频谱分析。CS115信号源9355输出信号时域图及其频谱图如图3所示。

利用matlab信号处理功能，设计100MHz、200MHz、300MHz及500MHz工作带宽的滤波器，如图4所示。观察通过滤波器的波形，比较滤波器输出信号与输入信号。

从图5可以看出，通过100MHz、200MHz、300MHz及 500MHz后，波形的上升沿分别为 5.1ns、3.2ns、2.1ns、1.3ns，其波形幅值分别为 25.1mV、23.8mV、22.9mV、22.4mV。与标准信号的幅值相比其偏差分别为12%、6%、2.2%，0。由此看出，当夹具带宽满足500MHz时，可以完全传输CS115信号，当带宽小于300MHz时，波形失真较严重，影响校准结果的准确性。

2.2 校准夹具的仿真设计

通过2.1节中理论分析，我们以500MHz为目标，设计校准夹具。校准夹具的竖直高度、宽度以及匹配段都是影响校准夹具性能的主要因素[5]。通过仿真优化，得到了校准夹具的最终模型图如图6所示。校准夹具在500MHz范围内VSWR＜2的电压驻波比仿真值如图7所示。

改变CST建模仿真时的激励波形，如图8所示，为一个上升沿＜2ns，脉宽10ns的方波，得到驻波和阻抗仿真结果，如图9、图10所示。

3 实验验证

校准夹具的加工采用分段加工工艺，其内部为锥形同轴结构，参见图6，外部通过法兰连接，校准夹具的实物如图11所示。

采用矢量网络分析仪测量校准夹具的驻波，如图12所示。

从图12可以看出，校准夹具电压驻波比在500MHz范围内小于2，与仿真结果吻合。

通过校准夹具的CS115波形如图13所示，其上升沿为1.34ns。GJB151B中规定的实验波形如图14所示，由图13、图14可见，本文中设计的校准夹具满足CS115实验波形的传输。

4 结束语

本文介绍了一种应用于电流探头时域校准的校准夹具，利用matlab软件，将校准夹具等效为滤波器，分析了校准夹具频带截断对CS115波形的传输影响，得到了CS115实验波形的传输条件，并利用CST软件仿真设计了一款校准夹具，500MHz范围内电压驻波比VSWR＜2。经过实际测量，本文设计的校准夹具测量结果与理论分析结果一致，可以用于CS115/CS116电流监测探头的时域校准。

［1］ GJB 151B—2013，军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量［S］，2003.

［2］ 张戈，陈迪.CS115和CS116监测探头修正系数的确认方法［J］.安全与电磁兼容，2014（5）：17～20.

［3］ 谭坚文，石立华.脉冲电流探头的时域标定研究［J］.强激光与电子束，2006（18）：337～340.

［4］ 陈淑凤，马蔚宇，马晓庆.电磁兼容试验技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2001.

［5］ 周雁然，景莘慧，周忠元.注入电流探头校准夹具的设计［J］.计量学报，2016（37）：531～534.