董 佳 姚利軍 余璨譯

（北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1引言

隨著元器件日益集成化及電子設(shè)備在武器系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，電磁干擾及其帶來的電磁兼容（EMC）性問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。2013年7月，我國最新發(fā)布了軍用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)GJB 151B[1]，對CS115和CS116兩個項目均增加了適用范圍，由此可看出這兩個項目的重要性日益得到認(rèn)識和重視。

從該標(biāo)準(zhǔn)中就可以發(fā)現(xiàn)這兩個項目中都要用到電流探頭作為傳感器來測量瞬態(tài)脈沖電流。由于脈沖測量中采用了電流探頭作為傳感器，最終的監(jiān)測電流值需要在測量電壓值的基礎(chǔ)上補(bǔ)償電流探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)（轉(zhuǎn)移阻抗）。但目前電流探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)是頻域上的結(jié)果，而監(jiān)測到的波形是時域上的結(jié)果，如果測量波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號，兩者的測量結(jié)果就不能采用簡單相加的手段去修正[2，3]。所以，用時域的方法直接對電流探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，對CS115和CS116兩個項目有重大意義。

電流探頭時域校準(zhǔn)的關(guān)鍵是如何提供標(biāo)準(zhǔn)電流[4]。校準(zhǔn)夾具的運用則成為關(guān)鍵。校準(zhǔn)夾具由兩段半截的同軸轉(zhuǎn)換器組成，如圖1所示。當(dāng)將電流探頭裝在其中時，便形成了一根同軸線，包裹著電流探頭的為外導(dǎo)體，穿過探頭口徑的為中心導(dǎo)體。這樣便可應(yīng)用同軸線的阻抗性質(zhì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電流的測量。

考慮到電流探頭的時域測量，校準(zhǔn)夾具必須具備足夠?qū)挼念l率特性，以保證時域信號包含的頻譜分量全部通過且不失真。而目前常用的校準(zhǔn)夾具駐波在200MHz以上大于2，阻抗失配嚴(yán)重，引起功率的反射加劇，不適用于電流探頭時域轉(zhuǎn)換系數(shù)的校準(zhǔn)。因而夾具的結(jié)構(gòu)要進(jìn)一步改善。校準(zhǔn)夾具的主段和錐形過渡段均要求具有50Ω的特性阻抗，以保證同軸線內(nèi)有良好的阻抗匹配，使電壓駐波比符合要求。

2 校準(zhǔn)夾具的設(shè)計

2.1 校準(zhǔn)夾具帶寬的理論分析

在脈沖波形的測量中，脈沖波形的上升時間與頻帶寬度有一定的對應(yīng)關(guān)系，脈沖上升時間越短，包含的頻譜分量越豐富，諧波頻率越高，對應(yīng)的頻帶寬度就會越寬，一般情況下脈沖波形的上升時間與頻帶寬度對應(yīng)關(guān)系如式（1）：

式中：tr——上升時間，s；fh——高端截止頻率，Hz；k——當(dāng)頻率響應(yīng)特性為RC積分網(wǎng)絡(luò)時，k=0.35；當(dāng)頻率響應(yīng)特性為高斯型響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時k=0.34。

對于CS115項目波形，上升沿小于2ns，RC積分網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)，可以計算出其頻帶寬度為175MHz。對于CS116項目波形，由于其最高頻率為100MHz，所以，滿足CS115波形的夾具同樣適用于CS116項目波形。校準(zhǔn)夾具的帶寬設(shè)計以滿足CS115信號波形傳輸為目標(biāo)。

我們利用MATLAB軟件分析電流探頭時域校準(zhǔn)對于校準(zhǔn)夾具的工作帶寬要求。具體思路如下：

1）將CS115標(biāo)準(zhǔn)信號波形通過傅里葉變換，得到其頻譜；

2）通過濾波器模擬校準(zhǔn)夾具的工作帶寬，選擇有效帶寬內(nèi)的頻譜分量；

3）經(jīng)過濾波器的頻譜分量通過傅里葉逆變換，得到時域波形，從而模擬信號通過校準(zhǔn)夾具后的波形。

按照上述思路，對CS115標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行頻譜分析。CS115信號源9355輸出信號時域圖及其頻譜圖如圖3所示。

利用matlab信號處理功能，設(shè)計100MHz、200MHz、300MHz及500MHz工作帶寬的濾波器，如圖4所示。觀察通過濾波器的波形，比較濾波器輸出信號與輸入信號。

從圖5可以看出，通過100MHz、200MHz、300MHz及 500MHz后，波形的上升沿分別為 5.1ns、3.2ns、2.1ns、1.3ns，其波形幅值分別為 25.1mV、23.8mV、22.9mV、22.4mV。與標(biāo)準(zhǔn)信號的幅值相比其偏差分別為12%、6%、2.2%，0。由此看出，當(dāng)夾具帶寬滿足500MHz時，可以完全傳輸CS115信號，當(dāng)帶寬小于300MHz時，波形失真較嚴(yán)重，影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 校準(zhǔn)夾具的仿真設(shè)計

通過2.1節(jié)中理論分析，我們以500MHz為目標(biāo)，設(shè)計校準(zhǔn)夾具。校準(zhǔn)夾具的豎直高度、寬度以及匹配段都是影響校準(zhǔn)夾具性能的主要因素[5]。通過仿真優(yōu)化，得到了校準(zhǔn)夾具的最終模型圖如圖6所示。校準(zhǔn)夾具在500MHz范圍內(nèi)VSWR＜2的電壓駐波比仿真值如圖7所示。

改變CST建模仿真時的激勵波形，如圖8所示，為一個上升沿＜2ns，脈寬10ns的方波，得到駐波和阻抗仿真結(jié)果，如圖9、圖10所示。

3 實驗驗證

校準(zhǔn)夾具的加工采用分段加工工藝，其內(nèi)部為錐形同軸結(jié)構(gòu)，參見圖6，外部通過法蘭連接，校準(zhǔn)夾具的實物如圖11所示。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量校準(zhǔn)夾具的駐波，如圖12所示。

從圖12可以看出，校準(zhǔn)夾具電壓駐波比在500MHz范圍內(nèi)小于2，與仿真結(jié)果吻合。

通過校準(zhǔn)夾具的CS115波形如圖13所示，其上升沿為1.34ns。GJB151B中規(guī)定的實驗波形如圖14所示，由圖13、圖14可見，本文中設(shè)計的校準(zhǔn)夾具滿足CS115實驗波形的傳輸。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種應(yīng)用于電流探頭時域校準(zhǔn)的校準(zhǔn)夾具，利用matlab軟件，將校準(zhǔn)夾具等效為濾波器，分析了校準(zhǔn)夾具頻帶截斷對CS115波形的傳輸影響，得到了CS115實驗波形的傳輸條件，并利用CST軟件仿真設(shè)計了一款校準(zhǔn)夾具，500MHz范圍內(nèi)電壓駐波比VSWR＜2。經(jīng)過實際測量，本文設(shè)計的校準(zhǔn)夾具測量結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，可以用于CS115/CS116電流監(jiān)測探頭的時域校準(zhǔn)。

［1］ GJB 151B—2013，軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量［S］，2003.

［2］ 張戈，陳迪.CS115和CS116監(jiān)測探頭修正系數(shù)的確認(rèn)方法［J］.安全與電磁兼容，2014（5）：17～20.

［3］ 譚堅文，石立華.脈沖電流探頭的時域標(biāo)定研究［J］.強(qiáng)激光與電子束，2006（18）：337～340.

［4］ 陳淑鳳，馬蔚宇，馬曉慶.電磁兼容試驗技術(shù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

［5］ 周雁然，景莘慧，周忠元.注入電流探頭校準(zhǔn)夾具的設(shè)計［J］.計量學(xué)報，2016（37）：531～534.