EMC电磁兼容诊断用近场探头的校准方法

      近场探头是EMC诊断和设计中的一种基本工具。EMC工程师使用近场探头能够将近场电磁发射和远场辐射电场联系起来进行比对分析，能够将关键子部件从复杂系统中识别出来，可以在不接触电路的情况下将频谱与时域波形结合起来分析，甚至一些经验丰富的工程师还可以使用近场探头将特定射频能量注入到近场以便分析抗扰度问题。近场探头在应用中表现出方便、安全、高效的特点，使其成为EMC工程师的工具箱中常备的得力工具。

       虽然应用广泛，但是近场探头只是EMC辅助工具并非由EMC测试、认证的标准体系所定义的标准测试设备，所以近场探头的性能、指标、校准方法也就缺乏标准的规范。市场上存在型号众多的种类不同的近场探头，但供应商提供的近场探头的性能规格、相关系数的数据信息均不够充足，能满足一般粗略探测但不能帮助进行近场电磁场的量化。

1.   目前市场上的近场探头校准信息

      市面上大部分电场探头供应商都不能提供探头应用中最关心的频率响应和耦合曲线，少部分能提供如下图说明和特性曲线（以网上搜索得到的公开销售的探头的宣传特性曲线为例）：

图1典型的能找到的近场探头规格说明

上图是市面上能够提供的典型的一个探头耦合特性曲线，能看出探头的灵敏度（-30dB）和大致探测范围，但频率数据采用线性轴，对于传导150KHz-30MHz、辐射30MHz-1GHz的频段数据无法精确读出。

2.   目前计量校准机构给出的近场探头校准信息

      另一方面，很多近场探头被送到计量校准机构进行计量检测，在了解探头特性的同时也是为了满足研发管理体系对于设备工具校准的要求。由于没有标准规范指引，只能由送检方指定校准方法或者由校准机构自行决定校准方法。如以下的近场探头在计量校准机构就参考了功率探头的校准方法进行校准并得到了以下的校准曲线：

图2一款近场探头在计量校准机构得到的校准曲线

       该计量校准机构使用TEM小室、功率探头和网络分析仪进行替代法校准：先用功率探头在TEM小室内建立测试基准并利用网络分析仪进行归一化，然后将近场探头替换功率探头从而得到近场探头的电场测量校准曲线。这种用于校准各向同性的功率探头的方法不太适用于存在方向性的近场探头（如环形磁场探头的探测面在环面上，棒状探头的探测点在棒尖，铲型电场探头的探测面在斜面）使得探头在TEM小室内并没有得到最佳的方向耦合从而影响校准结果。另外校准使用的TEM小室的最高校准频率仅100MHz并不能到达覆盖近场探头的所有应用频率（GTEM小室可以达到更高校准频率），因此送检方得到的校准曲线在实际应用中存在受限。

3.   一种新的近场探头校准方法

     由于探头供应商提供的信息有限，校准机构给出的曲线也没有对EMC工程师关心的探头系数给出答案，我们需要一些方便实用的测试方法来取校准信息以便指导我们探头的实际使用。因为近场探头结构简单，仅包含探测感应器、巴伦（不平衡-平衡转换器）、耐压绝缘封装以及同轴连接器，所以制造出的探头一致性很高。我们假定同型号和批次近场探头耦合系数完全一致，且由于发射和接收的互异性，探头发射射频能量的衰减和探头探测射频能量的衰减值是一致的，因此我们可以通过测量两个探头的系数得到单个探头的系数。利用网络分析仪S21参数测量或使用带跟踪源的接收机/频谱仪就能很方便地对成对的探头进行校准测量。

4.   利用带跟踪源的频谱仪对近场探头进行校准

       带跟踪源的频谱仪相比网络分析仪是更常用的EMC设备，很适合用于各种探头的校准。以下是利用频谱仪采用成对探头校准的方法进行的操作步骤和实测数据。

 

操作步骤一：设置频率、带宽，打开跟踪源，短接同轴电缆，校准线缆，并对线缆结果进行归一化

操作步骤二：设置Y轴为dBµV，测量深度80dB以上，将归一化曲线置于画面上部

 

操作步骤三:接入需校准的成对探头并保证探头最大互藕，频谱仪上得到第二条曲线，差值即为插入损耗，插损值的一半即为探头所测平面电场的转换系数

      跟踪源信号从RF输出端口到频谱仪RF接收端口经过了成对探头的两次衰减，衰减倍数的乘方以对数表示之后变为加倍，因此单个探头的衰减系数（dB对数值表示）为S21插入损耗结果（dB对数值表示）的一半。以下是测试得到的成对探头的衰减系数曲线

图3成对6cm环形探头的S21插损曲线

图4计算后的单个探头频率响应和耦合系数曲线

      通过以上操作之后，我们可以得到单个6cm 环形磁场探头的曲线，该曲线表征了在探头环形面上的频率响应和耦合能力，我们可以使用该系数换算出探测面内的射频功率。对数频率轴相对线性轴更适合大频率范围的查表显示。从上图曲线可以看出探头在30-120MHz频段内衰减6dB，6dB平坦度带宽10M-300MHz，整个频率响应非常适合辐射和传导信号探测，但插损曲线在500MHz之后存在一个谐振陷波点，使用该探头探测高于500MHz频率的信号测量需要注意。

      这种校准方法能够很好的测量出近场探头的频率响应曲线，从而确定探头的应用频段和灵敏度，对于EMC工程师在实践中应用探头有很好的指导意义。以下三种不同的探头测试曲线，显示出不同探头的应用频段是有很大差异的。

 

图5较小的环形磁场探头校准图和成对衰减系数（耦合稍小频率更高）

 

图6点状磁场探头探头校准图和成对衰减系数（低频耦合强）

 

图7点状电场探头校准图和成对衰减系数（高频耦合强）

      不同的探头有着不同的频率响应和耦合系数，通过这种校准方法能够量化相关频段的探头系数，以便工程师根据现实情况选择相应的探头进行应用。

5.   用于抗扰度射频近场注入的近场探头校准

       一些经验丰富的EMC工程师利用近场探头对受测设备进行近场干扰注入来判断抗干扰问题薄弱点，比如用于PCB级别和电路级别EFT电快速变换脉冲群抗扰度、RS辐射抗扰度、CS传导抗扰度的问题诊断分析。这种应用中近场探头的阻抗、探头承受功率、近场耦合能力是关键参数。

      用于近场注入的近场探头的阻抗需要与连接的射频功率发生设备的输出阻抗进行匹配以便达到最大注入同时保护信号源或功率放大器（探头阻抗需要尽量接近50欧，差异太大的情况下就要使用衰减器来进行匹配）这种情况下建议使用矢量网络分析仪进行单端口S11阻抗校准。探头的可承受功率也是重要的参数，磁场探头注入功率过大有可能会有磁饱和和损坏的风险。近场的耦合能力与用于发射近场探测得到的插损曲线一致，探测耦合能力越强则注入能力也越强。

      近场探头采用成对校准的方法能够方便快捷的得到的频率响应和耦合曲线，对于EMC工程师深入了解探头性能和精确灵活使用近场探头都有很好的帮助。

 

审核编辑：刘清