电流探头用于辐射预测试的原理方法

电磁兼容公众号2023年7月27日发表的《电流探头用于传导辐射测试和诊断分析的方法》介绍了电流探头的应用方法，但受内容和篇幅限制未对电流探头用于辐射预测试的原理进行详细阐述导致工程师阅读和理解困难，因此在这篇进行补充说明。

该方法的产生主要经历了功率吸收钳法、电磁钳法、电流探头法三个阶段，逐步从辐射问题的诊断分析手段扩展成辐射的预测试方法，是在长期EMC研发实践活动中探索总结出来的实用方便高效的辅助EMC设计的方法。

本文描述这个发展过程，并对相关原理进行解释并提供一些佐证，供大家参考和一起探讨。

一、功率吸收钳用于辐射诊断分析

在国内EMC行业早期阶段由于理论和经验不足且缺乏用于辐射诊断分析的工具，对于辐射问题只能采取拔插线缆、增加磁环等手段，不能定性定量地解决问题，而一部分行业先行者开创性地使用标准测试工具进行辐射诊断分析取得了很好的突破。功率吸收钳由于应用频率与辐射重合而首先被开发应用于辐射诊断测试。

功率吸收钳（absolving clamp）是CISPR14 电动工具和家用电器EMC标准中采用的进行线缆发射功率的测量的标准设备，并由CISPR16-1-3定义技术规格。功率吸收钳测试法与辐射发射测试方法都能够评估30-300MHz频段线缆的发射，限值与辐射发射限值存在相关性。

图一 功率吸收钳实物图与原理示意图

功率吸收钳对辐射信号的测量能力从基础标准给出的示意图上可以看出。功率吸收钳以端口3个磁芯作为电流耦合器件，将线缆上的射频共模电流信号耦合匹配之后送入到接收机，通过校准系数换算就能得到被测线缆的射频发射功率。校准方法如下。

图二 功率吸收钳校准方法示意图

功率吸收钳的校准采用网络分析仪S21插损方法，50Ω系统下使用107dBμV对应0dBm进行电压值到功率值的系数换算。使用校准系数进行补偿之后，功率吸收钳测试频谱与辐射发射的频谱存在强相关关系。2008年到2012年艾默生网络能源EMC团队工程师利用功率吸收钳进行各种线缆辐射发射问题的诊断分析和整改，获得了非常好的工程实践收效。

二、电磁钳用于辐射诊断分析

功率吸收钳在辐射问题诊断分析上的高效应用推动了类似功能的电磁钳的应用研究。电磁钳（EM-clamp）是IEC61000-4-6传导抗扰度测试用于线缆注入的耦合注入设备，由于注入和接收的互易性，同样可以用于测量线缆上的辐射发射问题诊断分析和整改验证。

图三  放在校准夹具中的电磁钳实物图与原理示意图

与功率吸收钳相比，电磁钳使用所有磁芯进行磁耦合且使用宽的金属箔作为次级线圈，同时具有强的磁耦合和容性耦合能力。电磁钳用于辐射诊断分析依旧需要对耦合系数进行校准。

图四 电磁钳耦合系数校准方法

图五 电磁钳耦合系数

电磁钳作为标准EMS注入设备在150Ω系统下进行校准耦合系数，用于辐射诊断和分析需要在50Ω系统下校准。需要注意电磁钳灵敏度很高会将环境电磁噪声干扰通过测试线缆耦合到测试端口，因此实际使用中要注意区分背景噪声或增加共模阻抗进行抑制。艾默生网络能源EMC研究室在使用功率吸收钳和电磁钳进行辐射问题诊断分析中累积了很多经验，使这两件标准测试设备成为问题诊断分析工具箱中高效工具。

三、电流探头用于辐射诊断分析

由于吸收钳和电磁钳尺寸和体积较大，在大型系统、复杂线缆系统的辐射诊断分析中受到限制，因此更为灵活方便的电流探头用于辐射诊断分析的方法被开发应用出来。2012年到2019年间飞利浦医疗（苏州）公司使用电流探头作为辐射诊断分析工具，在大型医疗系统EMC开发设计中取得了很好的效果。同时在飞利浦创新中心EMC专家Dr.Marcel van Doorn的指导下将电流探头拓展应用到辐射预测试，使电流探头成为大型复杂系统的EMC诊断、预测试、设计活动中重要的一种基础常备工具。2020-2024年索恩格汽车零部件公司在车标零部件EMC开发活动中应用电流探头进行CISPR25的各项发射测试以及诊断分析，其中电流探头电流法的测试结果与车标电压法、辐射测试结果的一致性进一步验证了电流探头应用于EMI预测试的前景。电流探头的基本结构和原理以及应用在此不做叙述，在此仅对电流探头用于一般辐射预测试原理和一些实验数据进行说明。

电流探头用于辐射预测试（pre-test）的基本原理

功率吸收钳、电磁钳、电流探头用于辐射问题的诊断分析都取得很好的效果，是因为三者都是通过线缆共模电流来评估远场发射。实际产品大部分辐射发射都是通过线缆形成的天线进行传输的，因此线缆辐射发射的物理现象遵循经典的天线电磁辐射发射模型和物理公式。经典电磁理论中射频电流与远场电场的相互关系如下：

图六天线发射产生辐射电场的基本公式

该公式中，天线增益和天线阻抗是常量，距离R的远场电场强度E仅与天线输入功率P相关，而功率P是位移电流i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，这表明天线上的位移电流（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。以下用常见半波偶极子天线为例进行计算。

图七 半波偶极子天线的电流限值计算

辐射发射测试的双锥天线、对数天线都属于半波偶极子天线，其增益和阻抗是确定值。利用公式计算出40dBμV/m（3m法CLASS B 限值）的电流限值为5uA，但考虑自由空间与辐射测试标准开阔场地面反射差异，电流限值应当降低到3uA（5dB换算），转换为对数限值10dBμA，对应电压值为44dBμV。通过天线的发射原理能够将天线电场强度与位移电流联系起来，也就能够通过线缆共模电流来计算电场强度，再结合辐射发射的测试场地原理以及辐射发射的限值，就能得到满足相应辐射标准的线缆共模电流限值，也就是说工程上能够通过线缆上的共模电流评估远场的辐射发射水平，就是电流探头用于辐射发射预测试的基本原理。以下针对电流探头结果和辐射电场测试结果进行一些对比研究。

电流探头共模测试结果与辐射测试的比较

开阔场和半电波暗室的电场测试方法是辐射发射的实用且可靠的标准测量方法，而电流探头测试共模电流评估辐射发射的方法由于原理差异与工程实践之中的应用偏差和误差是不能替代辐射电场测试的，但这并不影响我们利用这个原理进行设计阶段的预测试和诊断分析，尤其针对单一线缆的产品，该两种方法测试结果一致性非常高。以下为同一样品的双锥天线辐射测试结构与线缆电流测试结果的实测比较：

图八 电流探头测量线缆上的共模电压频谱图

图九 双锥天线测量电场频谱图比对

可以看到实际线缆上的共模电流与远场电场超标包络相似，共模电流超标幅值略大，可以认为两者测试结果存在一致性。实测中，当电缆的长短、走线变化、增加屏蔽或阻抗时，线缆上的共模电流的与辐射电场变化也是趋同的，因此电流探头可以作为一种辐射整改快速验证工具，共模电流测试也可以作为辐射发射快速预测试评估的方法。

双锥天线发射电流的测量

飞利浦医疗进行天线共模电流测量演示时也发现了共模电流与天线电场的相关性佐证。通过对天线注入固定的射频电压，测量双锥天线对外辐射出的电流，可以直观的查看两者之间联系。

图十  实测双锥天线电流

实验采用跟踪源向天线注入80dBuV的射频电压信号，电流探头测量双锥天线一极的电流转换的电压信号，用于粗略观测天线的射频电流以及天线对电流探头的耦合。测试结果曲线中最下面一条为原始插入损耗，中间曲线增加天线系数补偿，最上一条曲线是再增加电流探头系数补偿。增加系数补偿后曲线在80dB左右，从侧面能为电流与电场的相关性提供一定佐证。

电流探头测试与辐射测试距离的研究

2014年在与飞利浦医疗创新中心Dr.Marcel van Doorn和Ms.Konika Banerjee进行大型系统的辐射发射测试距离、天线高度影响的研究时发现辐射测试结果并不遵循严格的换算关系，但共模电流测量结果却能覆盖不同距离不同高度的超标频谱且幅值接近。

图十二 用于辐射比对的信号源的电流发射频谱图引用自《Comparison radiated emission at 10 m, 3 m, and 1 m distance For large systems》，2014年3月。辐射天线测试方法受场地和天线本身的影响频谱会有一定起伏变化，而共模电流的频谱更为连续且稳定，这个测试结果也揭示了使用电流探头进行辐射预测试实践中的一个重要的原则：共模电流通过限值是辐射发射通过的充分非必要条件。

也就是说辐射电场发射超标则对应共模电流必定超标，而共模电流超标需要天线在特定距离和高度才可能测试到辐射电场超标，共模电流的测试结果往往比天线测试结果更严格，工程实践中需要注意这种正常的测试现象。电流探头用于辐射发射诊断分析的方法被飞利浦医疗研发工程师广泛使用，并且多位系统工程师掌握了电流探头一次完成传导辐射预测试的操作方法，在各种大型复杂医疗系统的EMC设计中发挥了重要作用。

电流探头用于辐射测试的原理小结

电流探头用于辐射预测试的方法经历了很长一段时间的发展，是EMC工程师为解决工程实践中的问题而不断探索不断完善而总结出来的方法。功率吸收钳、电磁钳、电流探头的应用使辐射问题的分析突破了场地和设备限制，大大提高实际效率。“共模电流是辐射发射的源头”是测量共模电流评估辐射发射的理论基础，而辐射限值对共模电流限值的换算为电流探头用于辐射预测试开辟了实际应用的道路。电流探头的该项应用能够辅助EMC工程师进行辐射问题的诊断分析和预测试，能够极大提高研发EMC设计能力。

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