EMC電磁兼容診斷用近場探頭的校準

近場探頭是EMC診斷和設計中的一種基本工具。EMC工程師使用近場探頭能夠?qū)⒔鼒鲭姶虐l(fā)射和遠場輻射電場聯(lián)系起來進行比對分析，能夠?qū)㈥P鍵子部件從復雜系統(tǒng)中識別出來，可以在不接觸電路的情況下將頻譜與時域波形結(jié)合起來分析，甚至一些經(jīng)驗豐富的工程師還可以使用近場探頭將特定射頻能量注入到近場以便分析抗擾度問題。近場探頭在應用中表現(xiàn)出方便、安全、高效的特點，使其成為EMC工程師的工具箱中常備的得力工具。

雖然應用廣泛，但是近場探頭只是EMC輔助工具并非由EMC測試、認證的標準體系所定義的標準測試設備，所以近場探頭的性能、指標、校準方法也就缺乏標準的規(guī)范。市場上存在型號眾多的種類不同的近場探頭，但供應商提供的近場探頭的性能規(guī)格、相關系數(shù)的數(shù)據(jù)信息均不夠充足，能滿足一般粗略探測但不能幫助進行近場電磁場的量化。

1.目前市場上的近場探頭校準信息

市面上大部分電場探頭供應商都不能提供探頭應用中最關心的頻率響應和耦合曲線，少部分能提供如下圖說明和特性曲線（以網(wǎng)上搜索得到的公開銷售的探頭的宣傳特性曲線為例）：

圖1典型的能找到的近場探頭規(guī)格說明

上圖是市面上能夠提供的典型的一個探頭耦合特性曲線，能看出探頭的靈敏度（-30dB）和大致探測范圍，但頻率數(shù)據(jù)采用線性軸，對于傳導150KHz-30MHz、輻射30MHz-1GHz的頻段數(shù)據(jù)無法精確讀出。

2.目前計量校準機構(gòu)給出的近場探頭校準信息

另一方面，很多近場探頭被送到計量校準機構(gòu)進行計量檢測，在了解探頭特性的同時也是為了滿足研發(fā)管理體系對于設備工具校準的要求。由于沒有標準規(guī)范指引，只能由送檢方指定校準方法或者由校準機構(gòu)自行決定校準方法。如以下的近場探頭在計量校準機構(gòu)就參考了功率探頭的校準方法進行校準并得到了以下的校準曲線：

圖2一款近場探頭在計量校準機構(gòu)得到的校準曲線

該計量校準機構(gòu)使用TEM小室、功率探頭和網(wǎng)絡分析儀進行替代法校準：先用功率探頭在TEM小室內(nèi)建立測試基準并利用網(wǎng)絡分析儀進行歸一化，然后將近場探頭替換功率探頭從而得到近場探頭的電場測量校準曲線。這種用于校準各向同性的功率探頭的方法不太適用于存在方向性的近場探頭（如環(huán)形磁場探頭的探測面在環(huán)面上，棒狀探頭的探測點在棒尖，鏟型電場探頭的探測面在斜面）使得探頭在TEM小室內(nèi)并沒有得到最佳的方向耦合從而影響校準結(jié)果。另外校準使用的TEM小室的最高校準頻率僅100MHz并不能到達覆蓋近場探頭的所有應用頻率（GTEM小室可以達到更高校準頻率），因此送檢方得到的校準曲線在實際應用中存在受限。

3.一種新的近場探頭校準方法

由于探頭供應商提供的信息有限，校準機構(gòu)給出的曲線也沒有對EMC工程師關心的探頭系數(shù)給出答案，我們需要一些方便實用的測試方法來取校準信息以便指導我們探頭的實際使用。因為近場探頭結(jié)構(gòu)簡單，僅包含探測感應器、巴倫（不平衡-平衡轉(zhuǎn)換器）、耐壓絕緣封裝以及同軸連接器，所以制造出的探頭一致性很高。我們假定同型號和批次近場探頭耦合系數(shù)完全一致，且由于發(fā)射和接收的互異性，探頭發(fā)射射頻能量的衰減和探頭探測射頻能量的衰減值是一致的，因此我們可以通過測量兩個探頭的系數(shù)得到單個探頭的系數(shù)。利用網(wǎng)絡分析儀S21參數(shù)測量或使用帶跟蹤源的接收機/頻譜儀就能很方便地對成對的探頭進行校準測量。

4.利用帶跟蹤源的頻譜儀對近場探頭進行校準

帶跟蹤源的頻譜儀相比網(wǎng)絡分析儀是更常用的EMC設備，很適合用于各種探頭的校準。以下是利用頻譜儀采用成對探頭校準的方法進行的操作步驟和實測數(shù)據(jù)。

操作步驟一：設置頻率、帶寬，打開跟蹤源，短接同軸電纜，校準線纜，并對線纜結(jié)果進行歸一化

操作步驟二：設置Y軸為dBμV，測量深度80dB以上，將歸一化曲線置于畫面上部

操作步驟三:接入需校準的成對探頭并保證探頭最大互藕，頻譜儀上得到第二條曲線，差值即為插入損耗，插損值的一半即為探頭所測平面電場的轉(zhuǎn)換系數(shù)

跟蹤源信號從RF輸出端口到頻譜儀RF接收端口經(jīng)過了成對探頭的兩次衰減，衰減倍數(shù)的乘方以對數(shù)表示之后變?yōu)榧颖叮虼藛蝹€探頭的衰減系數(shù)（dB對數(shù)值表示）為S21插入損耗結(jié)果（dB對數(shù)值表示）的一半。以下是測試得到的成對探頭的衰減系數(shù)曲線

圖3成對6cm環(huán)形探頭的S21插損曲線

圖4計算后的單個探頭頻率響應和耦合系數(shù)曲線

通過以上操作之后，我們可以得到單個6cm環(huán)形磁場探頭的曲線，該曲線表征了在探頭環(huán)形面上的頻率響應和耦合能力，我們可以使用該系數(shù)換算出探測面內(nèi)的射頻功率。對數(shù)頻率軸相對線性軸更適合大頻率范圍的查表顯示。從上圖曲線可以看出探頭在30-120MHz頻段內(nèi)衰減6dB，6dB平坦度帶寬10M-300MHz，整個頻率響應非常適合輻射和傳導信號探測，但插損曲線在500MHz之后存在一個諧振陷波點，使用該探頭探測高于500MHz頻率的信號測量需要注意。

這種校準方法能夠很好的測量出近場探頭的頻率響應曲線，從而確定探頭的應用頻段和靈敏度，對于EMC工程師在實踐中應用探頭有很好的指導意義。以下三種不同的探頭測試曲線，顯示出不同探頭的應用頻段是有很大差異的。

圖5較小的環(huán)形磁場探頭校準圖和成對衰減系數(shù)（耦合稍小頻率更高）

圖6點狀磁場探頭探頭校準圖和成對衰減系數(shù)（低頻耦合強）

圖7點狀電場探頭校準圖和成對衰減系數(shù)（高頻耦合強）

不同的探頭有著不同的頻率響應和耦合系數(shù)，通過這種校準方法能夠量化相關頻段的探頭系數(shù)，以便工程師根據(jù)現(xiàn)實情況選擇相應的探頭進行應用。

5.用于抗擾度射頻近場注入的近場探頭校準

一些經(jīng)驗豐富的EMC工程師利用近場探頭對受測設備進行近場干擾注入來判斷抗干擾問題薄弱點，比如用于PCB級別和電路級別EFT電快速變換脈沖群抗擾度、RS輻射抗擾度、CS傳導抗擾度的問題診斷分析。這種應用中近場探頭的阻抗、探頭承受功率、近場耦合能力是關鍵參數(shù)。

用于近場注入的近場探頭的阻抗需要與連接的射頻功率發(fā)生設備的輸出阻抗進行匹配以便達到最大注入同時保護信號源或功率放大器（探頭阻抗需要盡量接近50歐，差異太大的情況下就要使用衰減器來進行匹配）這種情況下建議使用矢量網(wǎng)絡分析儀進行單端口S11阻抗校準。探頭的可承受功率也是重要的參數(shù)，磁場探頭注入功率過大有可能會有磁飽和和損壞的風險。近場的耦合能力與用于發(fā)射近場探測得到的插損曲線一致，探測耦合能力越強則注入能力也越強。

近場探頭采用成對校準的方法能夠方便快捷的得到的頻率響應和耦合曲線，對于EMC工程師深入了解探頭性能和精確靈活使用近場探頭都有很好的幫助。

審核編輯：湯梓紅