电流探头用于传导辐射测试和诊断分析的方法

EMC基础标准CISPR16-1-2中定义了电流探头的规格参数及校准方法，并且被信息技术设备、通讯设备、机动车辆、军用设备等通用标准引用，使电流探头成为重要的EMC标准测试设备。电流探头也是在EMC问题诊断分析中关键的工具，尤其是对于线缆形成的发射问题的干扰源和干扰路径判断有立竿见影的作用。本文介绍电流探头用于传导和辐射测试、诊断分析的基本方法，供大家参考。

电流探头的校准和系数

利用电流探头进行EMI精确测量时需要在频谱仪或接收机中导入探头的转移阻抗系数才能将电压换算成电流（电压/阻抗=电流）。基础标准中给出了50Ω系统下的电流探头校准方法如下：

图1电流探头校准示意图

图2电流探头校准实测图

图3转移阻抗系数的计算和应用

电流探头的转移阻抗系数是通过S21测量得到插入损耗系数（V1-V2即电压衰减系数），将插损系数再减去34dbΩ（除50Ω的对数运算），则得到转移阻抗系数k（dBΩ），通过这个系数在测试时可以换算实际电流值Ip（dBµA）=V2（接收机电压对数读值dBµV）+k（dBΩ）。

电流探头用于诊断中可以直接使用电压插损系数换算电压值，方便使用传导电压限值。

一、电流探头用于传导测试和诊断分析

电流探头用于标准传导测试

采用电流探头进行传导测试是网络通信设备、车载零部件、军标中的标准方法。在电源端口有LISN人工电源网络（符合CISPR16-1-2的50Ω或150Ω阻抗网络）的情况下，使用电流探头得到传导测试结果与阻抗网络的测试结果是一致的，但电流探头测试更便利——很多无法连接阻抗网络的端口也可以用电流探头进行测试，这对于复杂系统场景和EMC要求严格的场景是很重要的测试方法。电流探头用于标准传导测试的方法参考各相应标准，在此不展开描述。

电流探头用于传导诊断分析

另外电流探头还为EMC工程师提供了快速分析差模与共模干扰的能力。在标准传导测试布置下测试以下几种不同状态下的传导测试频谱就能够分析出共模差模成分，对于在实验室场地进行传导问题的诊断分析非常有帮助。

图4使用电流探头测试差模加共模的测试方法（与LISN测试结果相同）

图5使用电流探头测试共模电流测试方法（共模分量会加倍，即+3dB），差模抵消

图6使用电流探头测试差模的测试方法（共模抵消，分离差模）

在简单系统中（如仅包含输入电源线缆的电子设备），利用上述的方法就能快速判断传导问题并且通过优化端口滤波设计获得改善，但复杂系统中，传导的高频部分（10-30MHz）经常出现一些难以通过端口调整滤波进行处理的频点。这种情况下端口的共模干扰很可能并非沿电源线向外进行发射，而是其他线缆发射到外部的共模干扰电流利用电源端口进行回流。传统的诊断方法依赖经验判断、线缆插拔比对、加减夹扣等方法处理此类问题，而利用电流探头进行诊断相对更快速直接——通过对非电源线缆进行传导共模电流探测，能够在不改变系统工作状态的情况下快速确定高频超标点的端口和线缆，明确真实发射路径，同时也是验证方案有效性的评判方法。

图7复杂线缆的系统传导高频共模电流路径

对于研发EMC工程师而言，研发过程中很多的EMC测试和诊断并非发生在标准传导测试场地（如大型和巨型超大功率设备系统无法进行实验室测试、复杂系统的研发预测试、子系统的快速测试评估等），往往需要在研发初期在研发场地进行传导预测试和诊断，这种情况则可以借助一些特制的阻抗网络对网电源噪声进行滤波和保证对地阻抗稳定,并利用电流探头进行快速灵活的传导测试。

图8特制阻抗网络配合电流探头进行传导测试示意图

图9特殊阻抗网络配合电流探头测试和诊断分析

EMC研发工程师可以非屏蔽的研发实验场地上采用标准阻抗网络和高性能电源滤波器搭建的传导测试台，也可以利用的带滤波功能的阻抗网络实现非标准场地的传导测量，能够极大降低EMC风险和测试费用。当EMC工程师紧急处理传导问题时，甚至可以在任意场地条件下利用电流探头进行传导测试评估（但由于对地阻抗的不确定需要增加裕量）：当现场电源端口没有LISN阻抗网络但存在电源滤波器的情况下建议以限值线以下6dB评估；如果电源直接连接网电源需要限值线以下10dB做为评估限值（测试结果在评估线以下可以判定为风险很小）。

电流探头用于传导诊断分析简易流程

使用电流探头进行传导问题的诊断分析非常高效，一般参考如下简易流程即可：LISN或电流探头测出超标辐射点 → 将超标点频谱展开，确定频谱细节 → 使用电流探头，依据频谱细节确定干扰线缆，判断路径→ 如有必要，使用近场探头进一步探测干扰源精确位置→确定源和路径之后，分析制定解决方案→ 利用电流探头或阻抗网络快速比对验证各方案的实际效果→确定最优解决方案。

二、电流探头用于辐射预测试和诊断分析

电流探头用于辐射预测试（pre-test）的基本原理

天线进行辐射测试有着方便、高效、一致性好的特点，但进行辐射问题的诊断分析时并不是最佳工具。辐射超标必须依赖一定电尺寸的天线才能形成发射，而线缆往往就是这个帮凶，使用电流探头对线缆发射进探测分析对于找到罪魁祸首显得非常关键，因此非常有必要研究电流探头与辐射测试的相关性以便指导我们分析辐射问题。
电流探头用于辐射预测试的方法的理论源自于经典电磁场理论中的辐射发射模型的推导应用。

图10 天线发射产生辐射电场的基本公式

上图左边公式可以看出，对于确定的天线，天线增益和天线阻抗是常量，距离R的远场电场强度E仅与天线功率P相关，而依据右边公式，天线发射功率P是位移电流的因变量，所以结合两个公式只有电流I是远场电场E的唯一自变量，因此理论上天线上的位移电流（共模电流）与远场电场之间存在严格的对应关系，通过测量天线上位移电流就能对远场辐射电场的大小进行换算。

电流探头用于辐射预测试的限值和方法

利用以上理论，我们在EMC研发活动中可以通过使用电流探头测量线缆上的共模电流进行辐射的预测试和诊断分析。通过进一步理论计算并在工程实际中验证有效性之后，我们推荐以下共模电流限值（此部分内容篇幅所限，再行详叙）：

1.辐射Class B限值对应共模电流限值为3uA, 对应10dBuA 对应44dBuV@BW 120kHz

2.辐射Class A限值对应共模电流限值为10uA, 对应20dBuA 对应54dBuV@BW 120kHz

这一限值考虑了大部分线缆发射模型为半波单极子，对应场地为标准开阔场，电流探头采用电压系数。使用电流探头进行辐射预测试时，线缆上共模电流的最大电压频谱包络与标准辐射暗室天线测试频谱包络是一致的，而两者超标和裕量也是相对应的。实践活动中简单线缆的设备电流探头进行预测试的结果与天线结果一致性很好，对复杂大型系统和线缆众多的设备的辐射评估也是一个很好补充方法，随着EMC工程师应用经验的累积，这种评估方法会日趋准确和高效。

这个限值和方法的意义是为EMC工程师提供了一种不依赖昂贵的EMC测试暗室资源可以在任意开放空间中（普通研发实验室即可）对辐射进行预测试评估的极低成本的解决方案。同时也摆脱了研发样品开发阶段的限制，不必等待正式样品才能在辐射实验室取得测试数据，在开发早期最简样品阶段就能够全程跟踪研发EMC状况并且针对性地进行设计迭代改善。

电流探头用于辐射诊断分析的流程和方法

EMC工程师很多时候需要处理突发的辐射超标问题，在缺乏电流探头工具做为诊断分析工具的情况下，常常只能依赖工程师的个人经验采用各种传统的方法（插拔线缆、增加磁环、增加屏蔽线、铜箔屏蔽等），遇到复杂系统或复杂线缆就会难以快速诊断出问题，而利用电流探头和以上的限值可以直接的对线缆进行评估，避免了拔插对系统工作状态的影响，也无需反复天线扫描比对数据，增加磁环和屏蔽方案时也能有的放矢，从而提高了诊断效率。

我们在辐射测试场地利用电流探头处理紧急辐射问题时可以参考以下简略流程处理：远场天线测出超标辐射点→ 将超标点频谱展开，确定频谱细节 →使用电流探头和限值评估线缆，寻找辐射线缆→ 结合夹扣磁环、屏蔽等方法确认发射源线缆和受耦合线缆，判断路径→如有必要，使用近场探头进一步探测干扰源精确位置→确定源和路径之后，分析制定解决方案 → 利用电流探头快速比对验证各方案的实际效果→利用天线确认远场改善效果 →确定最优解决方案。

当使用电流探头进行方案验证时（突发问题的现场最常见方案是线缆增加夹扣磁芯和增加屏蔽等路径处理，研发现场可以进一步进行内部电路分析和设计优化进行源头处理）我们可以参考如下操作：将电流探头夹在已知共模电流超标线缆上，得到初始频谱幅值→ 在近线缆端口增加夹扣磁芯、更换屏蔽线缆或用铜箔包裹并接地或源头进行处理等方案，相同状态下得到比对频谱幅值 → 夹扣磁环使所对应超标点频谱幅值下降3-10dB以上为有效，屏蔽线缆有30dB以上优化为佳，源头处理以频谱消失为佳。在诊断和优化过程中任何线缆有关的EMI的改善措施的评估，都应该以线缆上共模电流的明显降低作为支持数据。

EMC工程师仅需要电流探头、同轴电缆、接收机或频谱仪这三种工具就能进行传导辐射的测试和诊断分析。如果将电流探头150kHz-1GHz的系数与150kHz-1GHz的传导辐射限值（上文推荐的限值）导入测量频谱仪或接收机，就可以一次完成辐射和传导频段扫描，对于全面掌握研发产品的发射频谱和节约开发费用很有实际意义。

电流探头EMI应用小结

使用电流探头进行传导辐射测试和诊断分析的应用方法有着便利、高效、通用、低成本的特点，对于EMC工程师高效完成EMC开发有很大帮助，在此推荐给大家在工程实践中进行应用。

审核编辑：汤梓红