EMC近场探头工程实测：商用 / 自制高绝缘 / PCB 探头性能差异与诊断使用方法

近场探头能够在不接触电路的条件下探测出系统中关键的频谱信息，是EMC工程师进行诊断分析的一种方便、安全、高效的基本工具。目前市场近场探头种类繁多，探头应用工况、性能规格、系数、使用方法都存在差异，工程师在选型和使用时常遇到困惑。本文从探头的基本原理、探测性能、耦合能力等方面对几种常见的近场探头进行实际测试和比较，并结合测试结果给出近场探头的选型和使用方法供大家参考。

1.目前市场上的近场探头与基本原理

1.1.EMI探头实物

我们搜集了三大类近场探头进行实测比较：第一类是自行设计的用于高压近场电场磁场和系统结构孔缝探测的高绝缘强度探头组；第二类是市面上销售多年的商用近场探头组；第三类是利用PCB工艺制作的经济型近场探头。

图1 三类近场探头

1.2.近场探头基本原理

近场探头从原理上可以分为磁场探头和电场探头两大类，从结构上可以分为面探头和点探头两大类。从结构和外观上就可以简单对探头类型进行区分：磁场探头需要一个闭合的采样线圈，因此会有一个明显的环形，因此磁场探头最常的都是面状探头，点状的磁场探头很少见；电场探头有明显探测面的面探头，也有只有尖端电场天线探测点的点探头。

1.2.1.磁场探头的原理

图2 磁场近场发射公式及环形磁场探头的基本原理上图公式表示的是环形电流Iφ在距离为r的位置产生的电磁场强度，其中A为与半径a相关环路面积，r为远小于波长的六分之一的近场距离，θ为探头与磁场平面夹角。由于互异性原理，该公式也是近场磁场探头探测的原理：E和H是磁场面积内测量到的射频信号，对应的Iφ为近场磁场电流值。从公式中可以看出，近场探头到磁场平面的距离对磁场测试结果影响很大，随距离增大呈三次方衰减。磁场强度和距离确定的情况下探头面积A是影响信号大小的唯一变量，因此磁场探头的设计关键是探头采样面积。

1.2.2.电场探头的原理

图3 单极子天线近场发射公式及电场探头的基本原理上图公式表示的是位移电流I长度为L的单极子天线在在距离为r的位置产生的电磁场强度，其中r为远小于波长的六分之一的近场距离，θ为探头与天线平面夹角。由于互异性原理，该公式也是近场电场探头探测的原理公式：E和H是磁场面积内测量到的射频信号，对应的I为近场电流值。源头电场强度和距离确定的情况下探头天线长度L是影响信号大小的唯一变量，因此电场探头的设计关键是近场天线长度。两类近场探头的原理都很简单，但设计出能够满足工程实用要求的近场探头需要对探测感应器、巴伦（不平衡-平衡转换器）、耐压绝缘封装以及同轴连接器进行设计分析和测试调试。这里我们对探头本身的实际表现进行测试和简单比较，不对探头的设计进行深入讨论。

2.探头性能的实测

我们针对以上三种近场探头进行信号探测能力的实测，评估三类探头的探头探测能力、频带范围、敏感度、耦合系数、耐压能力等。

2.1.探头探测能力

信号探测能力是近场探头最基本能力。近场探头应当在搭配普通频谱分析仪并且不使用额外放大器的情况下将工程应用中常见的信号探测出来。

2.1.1.测试方法

磁场电场探测能力、耦合系数的测试工具、设备我们通过图4中的设备工具对近场探头信号探测能力进行测试。我们利用波形发生器输出100kHz和10MHz的标准1Vpp值的工程实践中常见的方波信号，通过两个2cm直径线圈产生信号作为比对的标准信号源，其中100kHz信号接近于纯低频磁场信号，而10MHz的信号存在低频磁场和高频电场分量。这两种电磁场近场信号非常稳定可靠且一致性很高，能够非常方便进行近场探头差异比对。

磁场电场探测能力测试布置信号源启动之后两个线圈就能产生稳定的近场信号，此时将近场探头连接到频谱仪进行近场探测并利用轨迹线最大保持功就能将两个信号线圈上得到的最大频谱信号记录下来。每个探头在这种相同条件下进行测试就能区分出不同探头的探测能力差异。由于信号源头幅值仅1V，因此这个是个很小的常见信号，近场探头需要正常探测并识别出信号，信号幅值越高代表相应探头的测试敏感度越高。由于发射线圈直径约2cm，因此6cm，3cm和2cm直径的环形近场探头都能在线圈顶部得到最大的磁场场强，而小于2cm的环形探头会由于探测面积缩小而减少接收到的信号幅度。

磁场电场探测能力测试布置电场探头有铲状的和点状的两种，对于磁场探测能力都很弱，在100kHz的线圈任何位置都探测不到明显的磁场信号，但10MHz的线圈有很高的高频电场信号，因此能够探测到。

磁场电场探测能力测试布置点状磁场探头是这些探头中特殊的一个，能够探测低频的点状磁场，对于低频磁场信号的耦合能力最强，也是所有实测探头性能特殊的一个探头。

2.1.2.探测能力测试结果

以下为各种探头信号探测能力结果记录和简单比较。

2.1.2.1.加强绝缘4组黑色探头

图8 6cm环形探头探测结果图9 3cm环形探头探测结果

图10 6cm与3cm环形探头实物两种探头都清晰测试得到了100kHz和10MHz信号的频谱，100kHz信号主要分布在传导频段而10MHz信号在10-300MHz频段都有分布。由于源头发射线圈2cm直径，两种探头都能覆盖发射线圈测到最大的信号因此测试到的结果接近，6cm环形探头结果略大一点。

图11 6cm与3cm环形探头与点状磁场探头测试结果比对加强绝缘的三种探头测试结果都比较好，其中点状磁场探头在低频磁场的耦合能力上最强实测信号最大。这个探头以极小的探测面积得到了最大的信号幅度，也是所有探头中唯一的点状磁场探头，能够用于磁场信号的精确定位。

图12 点状磁场探头与点状电场探头测试结果比对

加强绝缘的点状磁场探头与电场探头的测试结果比对显示两个探头一个侧重低频磁场检测，一个侧重高频电场检测。对低频信号发射源头进行电磁场性质判断时，如果磁场探头能够测到明显信号而电场探头测试不到信号时可以判断为磁场源排除电场源。外观上，磁场探头因为前端安装了探测磁场变化的高导磁性材料所以是圆头，而电场探头仅含有螺旋状的天线因此外观是尖头。

2.1.2.2.商用近场探头五个测试结果

图15 1cm近场磁场探头测试结果1cm直径的近场环探头测到了100kHz和10MHz信号的频谱，但由于探头面积小于源头发射线圈面积，因此测试结果比其他直径较大的探头要小一点，这属于探头的正常性能现象。

图16 铲状近场电场探头测试结果

图17 点状电场探头1测试结果

图18 点状电场探头2测试结果商用探头中这三种都是电场探头，无法探测到低频的磁场信号，属于正常现象，另外两根点状电场探头测量信号较小，需要打开频谱仪的内置放大器后能够分辨出高频信号。

图19 商用2cm环形探头与3cm加强绝缘探头测试结果比较五个商用近场探头中的2cm环形探头比较特殊，测到的信号比加强绝缘的3cm探头大6dB左右，推测是多匝采样线圈的特殊设计，通过增加匝数增大了采样面积约2倍。

2.1.2.3.PCB制作的近场探头组五个测试结果：

图20 PCB制作的2cm环形探头与1cm环形探头测试结果图21 PCB制作的0.5cm环形探头测试结果图22 PCB制作的钝头探头测试结果

图23 PCB制作的尖头探头测试结果PCB制作的近场探头中四种均属于磁场探头，仅是探测线圈面积的差异，面积越大则信号越强。对于后三种探头需要打开频谱仪的内置放大器，第五种是电场探头无法探测到低频的磁场信号。

2.1.3.三大类近场探头探测能力测试小结：

所有的探头都能探测到部分信号，其中环形的近场探头能探测到高低频磁场和高频电场信号，且探测信号的强度与探头探测环面积、信号源头发射面积相关；电场探头无法探测低频的磁场信号只能探测到高频的电场信号；一些较小的探头需要打开频谱仪内置放大器来提高探测能力。

2.2.探头的探测范围

探头能够探测到信号并不意味着这些探头在工程应用中就能够完美使用，我们还需要结合实际应用场景来对探头的其他相关性能进行测试，其中最需要关注的是探头的真实探测范围与干扰屏蔽能力。通常近场探头的信号探测范围应当是探头前端的信号采样部分，探头的设计需要确保信号测试结果完全来源于探头探测点，不能将探测范围外信号耦合到正常测试信号内。因此设计近场探头需要保证采样端的高效耦合同时保证非采样部分的探头主体、连接器等其他部分的去耦，最终实现对探测范围内电磁场探测和探测范围外的电磁场屏蔽。

2.2.1.探测范围测试方法

我们可以利用屏蔽探头采样信号的方式来评估探头的探测范围和屏蔽能力。优秀的近场探头屏蔽探头采样部分之后应当无法测试到任何信号，如果测试到信号则意味着探头的敏感度和测试范围精度有不足。我们选取加强绝缘的近场探头和PCB制作的探头进行敏感度探测范围的比对测试。由于两者都属于磁场探头，因此对探测部分线圈进行铜箔包裹屏蔽之后就可以完全对磁场信号采样线圈进行屏蔽，设计正常的磁场探头在屏蔽之后探头将不再具有探测能力。

之后进行磁场电场的探测比对为区分信号的分辨能力将高频的线圈换成单极子天线，并提升到20MHz开关频率用于增强高频电场场强。两组探头屏蔽探测部分和不屏蔽探测部分的共计4个探头用于比对测试，能够对探头本身的灵敏度和探测范围进行比对，也可以对探头之间的设计和工艺进行比对。

2.2.2.比对结果

图26 加强绝缘3cm环形探头屏蔽探测部分的信号探测比对图27 PCB制作的环形探头屏蔽探测部分的信号探测比对从图26，图27的对比结果看出不屏蔽探测部分的情况下两种探头的探测线圈测到的信号幅值都很大，但屏蔽探测部分之后黑色环形磁场探头基本屏蔽了信号，但PCB制作的近场探头屏蔽之后依然探测到了大量电场信号，因此PCB板制作的近场探头在实际探测过程中不能确保信号来源于探头探测点，而黑色加强绝缘的环形磁场探头能够确保信号绝对来源于探测采样的环路内。通过这种方法能够对探头的探测敏感度范围进行评估，屏蔽探测部分产生的比对差异越大说明探头的探测范围更精确。本次比对中使用PCB制作的探头虽然能够实现信号的探测但天然无法实现探头本体的电场屏蔽，因此这些探头的信号探测不仅来自探头尖端，也来自于探头本体内部走线，当被测设备探测点附近存在高频干扰电场时使用这种近场探头需要特别注意探测点被干扰的问题，避免对干扰源头定位判断产生误导。

2.3.探头同轴线缆的屏蔽能力，敏感度测试

在信号探测能力比对中我们也发现了同轴线缆的差异导致的影响。我们利用偶极子天线建立一个高频电场之后，发现两种同轴线缆在空载情况下存在很大差异。

上图中商用近场探头匹配的SMA快速接插头同轴线在不端接探头的悬空情况下耦合到了空间中的明显的高频电场（超过本底噪声40dB）。因此该同轴线配合探头进行探测的时候，测量结果是探头和线缆耦合信号的叠加，对真实近场探测结果也产生了不利影响。

屏蔽高频电场上图这根高性能同轴线能够屏蔽空间中的电场干扰，确保信号仅来自于近场探头本体，同时线缆的可靠性、耐磨、表皮绝缘耐压性都符合工程应用要求，是目前实际近场探测应用中采用的测试线缆。

2.4.探头的耦合系数测试

2023年7月15日在电磁兼容EMC公众号发表的《EMC电磁兼容诊断用近场探头的校准》介绍了利用网络分析仪S21参数测量或使用带跟踪源的接收机/频谱仪对近场探头进行耦合系数校准测量的方法。我们利用这个方法对成对的两套探头的耦合系数进行测量。

布置跟踪源信号从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，这里我们只对输出的原始插损数据进行简单的比较并不进行单个探头的系数计算，衰减系数越小代表探头的信号耦合能力越强。

图31 加强绝缘的三种近场探头耦合系数比较这里可以看出6cm和3cm直径的环形探头的耦合系数差异，也可以看出点状磁场探头在低频下的耦合系数很强，以极小的点状探测获得了不差于大面积探头的能力。图中3种探头在150kHz-1GHz频带内耦合系数在-5~-30dB之间，低频衰减较大而高频衰减较小非常适合诊断分析测试。图32 加强绝缘的两种点状近场探头耦合系数比较点状的两个探头分别在高低频有明显的探测效果，对应着低频的磁场和高频电场探测能力，能够用于探测信号的源头性质区分。

图35 PCB制作的3种磁场探头比对PCB制作的环形磁场探头的耦合系数受探测线圈面积影响，同时由于PCB厚度很小，互相之间的耦合很强。图36 PCB制作的两种点状近场探头比较两种点状的近场探头高频差异较为明显，钝头探头前端可能是极小的方形环形采样线圈。另外进行耦合系数校准的同时可以进行探头采样点之外的耦合度探测，用于评估探头的隔离和去耦能力。以下是选取以一个2cm环形近场探头进行探头本体耦合能力测试的结果。图37 PCB近场探头的耦合系数与本体耦合能力PCB制作的近场探头在探测线圈之外能依然有很强的高频耦合，代表着实际测试过程中探头本体也会耦合电场信号，对测试产生干扰，这个测试结果与屏蔽探测线圈的电场测试结果一致，是PCB制作的近场探头的一个不足。

2.5.探头耐压能力

由于近场探头需要贴近被测设备内部进行探测，会有短路、绝缘破损、绝缘击穿等风险，因此探头及线缆的绝缘耐压能力是非常关键的参数。当探头对电路发生短路时，即使1V的低压电压都可能对频谱仪造成损坏，而电压超过一定幅度还会对使用者造成人身安全风险。对于高压应用的场合，PCB制作的近场探头由于缺乏绝缘完全不建议使用，商用的近场探头需要注意探头和同轴线的绝缘耐受等级，不能在有绝缘击穿风险的电压条件下使用，建议使用加强绝缘的四组近场探头，这批探头的绝缘强度能够满足4kV以内的耐压，同时探头本体和线缆的结构强度也能够保证不容易破损。在低压小信号小功率探测的场合，击穿的可能性很小，发生危机人身安全的风险小，因此三种大类的探头都能满足要求，都可以用于近场探测，但需要注意探头本体信号耦合和同轴线的高频电场信号隔离能力差异。

2.6.探头去耦能力

由于近场探头主体采用同轴方式进行屏蔽并且使用同轴线缆进行传输，而同轴线缆的外层会通过频谱仪与保护地线连接，因此在使用时探头贴近被测设备进行探测时，实际上相当于将一根低阻抗的接地导线加入到被测电场中，会对内部电场磁场的分布产生影响。当近场探头外层为极低阻抗时会耦合到很强的电流并通过屏蔽层向外发射从而产生一个预期之外的干扰电场对测试结果产生误导影响，因此近场探头需要设计去耦装置来提高探头同轴外层的传输阻抗减小非预期的共模电流。加强绝缘的四种探头在探测端子之后都采用了大量非晶、锰锌、镍锌材质的磁性材料组成宽频带的去耦装置，商用的几组探头从重量和重心的分布上看也是在同轴外层增加了明显的高密度磁性材料做去耦，这两种探头屏蔽能力和去耦能力是能满足需求的，而PCB工艺的探头无法实现这两种性能优化因此会存在一些使用上的不利场景需要注意。

3.近场探头的选型和应用注意事项

3.1.近场探头的选择

工程实践中选用近场探头需要考虑绝缘耐压能力、探测信号种类、频带响应和敏感度范围、定位精度、环境干扰抑制能力、可靠性、耐用性等等。针对不同的应用要求可以进行不同的探头选型。以下对这些探头选型参数进行简要介绍。绝缘耐压能力是首要保证的关键参数。对于高压高功率大电流等场合，近场探头的绝缘耐压能力不足会危及设备和人身安全，在应用探头之前需要对探头的绝缘能力进行确认，选用绝缘强度足够的探头或用绝缘胶带包裹增强普通探头的绝缘能力。探测信号种类是第二个需要考量的。对于大型系统的结构缝隙、大型模块、线缆等低频电磁场探测需要使用较大的环形磁场探头提供较高的信号幅值，如6cm环形近场探头；对于设备内部PCB表面的磁场和电场可以选择对应的较小尺寸探头类型进行探测，其中点状的磁场探头是唯一可以进行精确磁场探测的探头；对于射频部件和射频类PCB以电场发射为主发生可以选择各类电场探头。频带响应和敏感度范围是探头选择的核心参数，需要依据探头的耦合能力进行选择，对于低频选择对应的环形近场探头和磁场探头，对于高频需要选择电场探头，同时根据所需的探测分辨率来选用不同口径的探头。定位精度是由探头的探测尺寸来决定的，越大的探头的定位精度越差，而越小的探头定位精度越高，实际应用中可以使用大尺寸探头进行初步定位再使用小探头进行精确定位。环境干扰抑制能力可以通过现场不接探头发现和排除同轴线缆或连接器等信号通路产生的问题，还通过将探头探测部分屏蔽来确定探头的外部抑制能力，现场需要确保近场探头测量结果真实可信。对内部电场的去耦能力可以通过测量探头使用过程中的同轴电缆屏蔽层共模电流来评估，一般情况下还可以通过重量和重心分布来判断探头是否进行了去耦设计，尽量选用带去耦能力的探头减少探头对测试结果的影响。可靠性耐用性也是近场探头实际应用中很重要的一个参数，探头的结构强度、连接器的搭接可靠性、同轴电缆的传输表现都决定了探头的在实际中的应用能力。另外在使用近场探头探测时不建议使用外置放大器。近场信号相比远场信号本身幅度就很大，使即使经过近场探头衰减之后信号对于频谱仪的依旧很高，如果接入外置放大器很容易由于信号放大作用导致频谱仪发生损坏。一般情况下发现探头探测信号比较小时可以采取打开频谱仪内置放大器，能够将信号探测清楚的同时能保证频谱仪安全。如果信号在频谱仪打开内置放大器的条件下不能探测到，那这个信号很大可能不会在远场和端口上形成有效的发射。当然对于车标和军标的问题分析可能会涉及到外置放大器的使用，但也需要外置放大器的本底噪声低于频谱仪，且确定频谱仪接收幅值绝对安全的情况下才能接入外置放大器。

3.2.近场探头的使用

EMC工程开发中使用近场探头进行150kHz-1GHz频段内的发射问题分析可以参考以下分析步骤：

根据EMI发射测试结果分析测试频谱特征，确定所需探测的频点或包络，将频谱仪设置为更宽的测试频带范围，设置相应分辨率带宽，扫描时间，打开内置衰减10dB提供对未知幅值信号的基本保护；选择合适的近场探头：对于系统级结构、烤漆外壳、屏蔽体、开窗开孔、开合门板、屏幕按键、搭接缝隙、进出线缆、捆扎线缆、铠装电缆、接地端子等大面积探测位置建议使用6cm环形探头，所需探测面积较小的位置建议使用3cm环形探头；对于系统内部子系统和单板级探测可以选择相应的点状磁场和电场探头，如开关管、共模电感、Y电容、变压器、功率磁性器件、芯片、晶振、功率布线、散热片、各类连接器等可以使用点状磁场探头进行探测，对于射频芯片、高速电路、天线等高频电场探测可以采用点状电场探头，也可以交叉使用两种探头进行源头性质判断；连接合适长度的测试同轴电缆并核查线缆状态，在不接入近场探头的情况下确认同轴电缆屏蔽正常，并观察确认绝缘、同轴接口正常，接入近场探头后核查确认探头的探测能力，观察探头本体绝缘和同轴接口是否可靠连接；确认近场信号幅度范围。通过将近场探头逐步接近待测位置同时观察信号幅值来确定信号的大小，依据测试结果调整频谱仪的衰减系数或开启内部放大器；结合EMI测试结果观测近场频谱包络。关注频谱内部细节、工况、位置、幅度、探测距离、不同探头测试结果差异、优化方案等对近场频谱的影响并进行记录；依据探测结果进行分析判断。干扰源头的频谱包络会宽于EMI测试结果，但内部频谱细节是一致的，且源头与外部测试端口之间应当存在一条可以明确推导出来的传输路径。

以上是利用近场探头进行分析的简要过程方法，可以看出近场探头是诊断分析的有力辅助工具，但高效解决实际工程问题仍然需要工程师进行大量的基础理论、实践操作的学习和经验教训的积累。

4.小结

我们对市面上的三类近场探头进行了比对分析测试，结果显示三类探头都能够实现近场信号的测量，但是在信号分辨精度，电场信号去耦，同轴线缆屏蔽性能，绝缘耐压，耐用性上有差异。比对过程中我们发现环形近场磁场探头表现与理论一致，对高频和低频的磁场信号探测明显且信号幅值与采样环形面积相关，与信号源磁场发射面积相关；电场探头无法探测低频的磁场为主的信号，对高频电场发射能有效探测也符合理论。同时发现一些近场探头的测试结果的真实性和可靠性需要关注。探头设计需要保证信号来自探头采样部分，探头本体需要进行屏蔽和去耦设计，同时探头使用的连接器和同轴传输线缆也需要保证完全的屏蔽效果才能保证近场探头测试结果真实无误。最后给出了近场探头选择和工程应用的一些建议：确保设备人员安全的情况下依据测试信号类型、频率分布、耦合系数等选择相应探头；利用频谱仪的内置衰减和放大器来控制测试信号幅度，结合EMI测试频谱结果对近场信号进行测试和定位分析从而找到系统内部干扰的源头，从而辅助相关问题的诊断分析和优化解决。

（本文完）