EMC電磁兼容診斷用近場探頭的校準(zhǔn)方法

? ? ? 近場探頭是EMC診斷和設(shè)計(jì)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(yuǎn)場輻射電場聯(lián)系起來進(jìn)行比對(duì)分析，能夠?qū)㈥P(guān)鍵子部件從復(fù)雜系統(tǒng)中識(shí)別出來，可以在不接觸電路的情況下將頻譜與時(shí)域波形結(jié)合起來分析，甚至一些經(jīng)驗(yàn)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(yīng)用中表現(xiàn)出方便、安全、高效的特點(diǎn)，使其成為EMC工程師的工具箱中常備的得力工具。

? ? ? ?雖然應(yīng)用廣泛，但是近場探頭只是EMC輔助工具并非由EMC測試、認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)體系所定義的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，所以近場探頭的性能、指標(biāo)、校準(zhǔn)方法也就缺乏標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。市場上存在型號(hào)眾多的種類不同的近場探頭，但供應(yīng)商提供的近場探頭的性能規(guī)格、相關(guān)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(jìn)行近場電磁場的量化。

1.???目前市場上的近場探頭校準(zhǔn)信息

? ? ? 市面上大部分電場探頭供應(yīng)商都不能提供探頭應(yīng)用中最關(guān)心的頻率響應(yīng)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(gè)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(duì)于傳導(dǎo)150KHz-30MHz、輻射30MHz-1GHz的頻段數(shù)據(jù)無法精確讀出。

2.???目前計(jì)量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)給出的近場探頭校準(zhǔn)信息

? ? ? 另一方面，很多近場探頭被送到計(jì)量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)量檢測，在了解探頭特性的同時(shí)也是為了滿足研發(fā)管理體系對(duì)于設(shè)備工具校準(zhǔn)的要求。由于沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指引，只能由送檢方指定校準(zhǔn)方法或者由校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)自行決定校準(zhǔn)方法。如以下的近場探頭在計(jì)量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)就參考了功率探頭的校準(zhǔn)方法進(jìn)行校準(zhǔn)并得到了以下的校準(zhǔn)曲線：

圖2一款近場探頭在計(jì)量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)得到的校準(zhǔn)曲線

? ? ? ?該計(jì)量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)使用TEM小室、功率探頭和網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行替代法校準(zhǔn)：先用功率探頭在TEM小室內(nèi)建立測試基準(zhǔn)并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)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(zhǔn)曲線。這種用于校準(zhǔn)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(diǎn)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(zhǔn)結(jié)果。另外校準(zhǔn)使用的TEM小室的最高校準(zhǔn)頻率僅100MHz并不能到達(dá)覆蓋近場探頭的所有應(yīng)用頻率（GTEM小室可以達(dá)到更高校準(zhǔn)頻率），因此送檢方得到的校準(zhǔn)曲線在實(shí)際應(yīng)用中存在受限。

3.???一種新的近場探頭校準(zhǔn)方法

? ? ?由于探頭供應(yīng)商提供的信息有限，校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)給出的曲線也沒有對(duì)EMC工程師關(guān)心的探頭系數(shù)給出答案，我們需要一些方便實(shí)用的測試方法來取校準(zhǔn)信息以便指導(dǎo)我們探頭的實(shí)際使用。因?yàn)榻鼒鎏筋^結(jié)構(gòu)簡單，僅包含探測感應(yīng)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(hào)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(gè)探頭的系數(shù)得到單個(gè)探頭的系數(shù)。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀S21參數(shù)測量或使用帶跟蹤源的接收機(jī)/頻譜儀就能很方便地對(duì)成對(duì)的探頭進(jìn)行校準(zhǔn)測量。

4.???利用帶跟蹤源的頻譜儀對(duì)近場探頭進(jìn)行校準(zhǔn)

? ? ? ?帶跟蹤源的頻譜儀相比網(wǎng)絡(luò)分析儀是更常用的EMC設(shè)備，很適合用于各種探頭的校準(zhǔn)。以下是利用頻譜儀采用成對(duì)探頭校準(zhǔn)的方法進(jìn)行的操作步驟和實(shí)測數(shù)據(jù)。

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操作步驟一：設(shè)置頻率、帶寬，打開跟蹤源，短接同軸電纜，校準(zhǔn)線纜，并對(duì)線纜結(jié)果進(jìn)行歸一化

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

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操作步驟三:接入需校準(zhǔn)的成對(duì)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(hào)從RF輸出端口到頻譜儀RF接收端口經(jīng)過了成對(duì)探頭的兩次衰減，衰減倍數(shù)的乘方以對(duì)數(shù)表示之后變?yōu)榧颖?，因此單個(gè)探頭的衰減系數(shù)（dB對(duì)數(shù)值表示）為S21插入損耗結(jié)果（dB對(duì)數(shù)值表示）的一半。以下是測試得到的成對(duì)探頭的衰減系數(shù)曲線

圖3成對(duì)6cm環(huán)形探頭的S21插損曲線

圖4計(jì)算后的單個(gè)探頭頻率響應(yīng)和耦合系數(shù)曲線

? ? ? 通過以上操作之后，我們可以得到單個(gè)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(yīng)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(duì)數(shù)頻率軸相對(duì)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(gè)頻率響應(yīng)非常適合輻射和傳導(dǎo)信號(hào)探測，但插損曲線在500MHz之后存在一個(gè)諧振陷波點(diǎn)，使用該探頭探測高于500MHz頻率的信號(hào)測量需要注意。

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

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

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圖6點(diǎn)狀磁場探頭探頭校準(zhǔn)圖和成對(duì)衰減系數(shù)（低頻耦合強(qiáng)）

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圖7點(diǎn)狀電場探頭校準(zhǔn)圖和成對(duì)衰減系數(shù)（高頻耦合強(qiáng)）

? ? ? 不同的探頭有著不同的頻率響應(yīng)和耦合系數(shù)，通過這種校準(zhǔn)方法能夠量化相關(guān)頻段的探頭系數(shù)，以便工程師根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況選擇相應(yīng)的探頭進(jìn)行應(yīng)用。

5.???用于抗擾度射頻近場注入的近場探頭校準(zhǔn)

? ? ? ?一些經(jīng)驗(yàn)豐富的EMC工程師利用近場探頭對(duì)受測設(shè)備進(jìn)行近場干擾注入來判斷抗干擾問題薄弱點(diǎn)，比如用于PCB級(jí)別和電路級(jí)別EFT電快速變換脈沖群抗擾度、RS輻射抗擾度、CS傳導(dǎo)抗擾度的問題診斷分析。這種應(yīng)用中近場探頭的阻抗、探頭承受功率、近場耦合能力是關(guān)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(shè)備的輸出阻抗進(jìn)行匹配以便達(dá)到最大注入同時(shí)保護(hù)信號(hào)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(jìn)行匹配）這種情況下建議使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行單端口S11阻抗校準(zhǔn)。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(huì)有磁飽和和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。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(qiáng)則注入能力也越強(qiáng)。

? ? ? 近場探頭采用成對(duì)校準(zhǔn)的方法能夠方便快捷的得到的頻率響應(yīng)和耦合曲線，對(duì)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。

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審核編輯：劉清