十年来，我一直有幸在IEEE EMC研讨会上发表辅导课。我通常被安排在布鲁斯·阿尚博之后。这意味着我要听Bruce讲电感。虽然我认为自己是电感方面的专家，但每次听布鲁斯的演讲，我都能学到新的东西。
他举了一个例子，通过模拟电流的流向，如果你从来没有想过这个问题，你的直觉就会完全被重新校准。自从我第一次看到这个例子以来，这个例子已经困扰了我十几年。最近，我有机会玩与我们的瞄准镜一起使用的Teledyne LeCroy CP031A电流探头，我意识到这个经典的模拟示例可以通过简单的测量来演示。
模拟回流电流流向
布鲁斯将他的模拟结果发表在2008年IEEE EMC杂志。使用他的IBM专有3D场求解器，他构建了一个U形微带，信号一端发射到平面，另一端终止。他发送了一个1khz的正弦波，并绘制了信号导体中的电流和平面上的返回电流分布。然后他把频率改为50千赫，然后是1兆赫。信号迹线下方平面内的回流电流分布发生了显著变化。图1显示了他对这三种不同频率的模拟结果。
在低频时，所有的返回电流在信号走线两端之间的平面上走捷径。但是在频率高于1mhz时，微带两端之间没有返回电流。它们都直接在信号路径下面传播。
为什么返回电流在微带下面走长路径，而不是两端之间的短路径?这都是关于阻抗的。返回电流路径总是选择阻抗最小的路径。
在任何频率上的阻抗与
在低频，阻抗是关于电阻，最短的长度，直接穿过平面。在较高的频率下，jwL项开始占主导地位，电流重新分配到最低回路电感的路径上。
在电流可以通过的所有不同路径中，回路电感最小的路径是当返回电流路径尽可能接近信号电流时。电流被重新分配到信号路径的正下方，以最小化环路电感。
在Bruce的模拟中，重新分配从1khz到50khz之间开始，到1mhz时完成。对于电路板上高于1mhz的所有电流，返回电流总是在信号路径的正下方流动。这是SI, PI和EMI中最重要的原则之一。
我们可以测量返回电流的路径吗?
托德中心给出一个类似的例子在他的实验室里进行测量通过同轴电缆两端之间接地带的电流，如图2所示。
一旦我得到了我的CP031电流探头，我意识到我可以用一个简单的设置非常快速和轻松地重现托德的实验。
钳式电流探头是一种专门的范围探头，它夹住并环绕电线。探头测量流过穿过中心孔的导线的电流。它是通过使用一个铁芯，在电线周围形成一个环，在夹子上有一个小的间隙。铁的高磁导率放大了导线中电流产生的磁场。它集中在小缝隙里。
霍尔效应磁场传感器位于磁场最高的两极之间。传感器的输出电压与磁场有关，磁场与钳内导线中的电流有关。该探头的主要优点之一是它对直流电流和高频都很敏感。
带宽受限于铁的磁导率和放大器带宽的频率依赖性。CP031A的带宽为200mhz。夹紧电流探头来自工厂，已经在mA进行了校准。它们通过Pro总线(一种智能传感器总线)与示波器通信，该总线允许示波器读取校准信息并在前屏幕上显示mA。
我采用了一根普通的RG174 50欧姆同轴电缆，两端带有BNC连接器，并在同轴屏蔽的两端之间焊接了一根短路线。图3中的特写显示了这一点。
我使用了一个LeCroy WaveStation 2052 50 MHz波形发生器来创建一个扫描的正弦波电流。制作恒流交流源的方法是使用恒压正弦波源，源电阻为50欧姆，只需缩短端部。
我将函数发生器设置为3 V峰值正弦波到50欧姆负载。这意味着内部电压源峰值到峰值为6 V。当输出短路时，6v源穿过50欧姆的输出电阻，就是6v pk-pk/50欧姆= 120mv pk-pk的电流。我使用CP031A电流探头测量通过同轴电缆短端的电流，如图4所示。我测量了一个10千赫的正弦波电流120毫安pk-pk值，正如预期的那样。
函数发生器通过同轴电缆驱动120毫安pk-pk电流。我扫描频率从1千赫到5兆赫，扫描时间为1分钟。
在电缆的末端，我用一个小型抓手将信号和返回导体分开，这样我就可以用CP031A电流探头测量通过信号导体的电流。如果函数发生器产生恒定的电压幅值，它的频率应该是平坦的。通过测量通过微型天线信号引线的电流，我们可以了解电流幅值在频率范围内的平坦度。
随着正弦波频率的增加，我用Teledyne LeCroy WavePro HD示波器测量了当前波形，带宽为8 GHz，垂直分辨率为12位。设置如图5所示。
并联过频回路电流的测量
当电流的正弦波改变频率时，不断计算FFT，并使用峰值保持设置记录电流的最大记录幅度。当电流扫过其范围时，峰值保持设置捕获整个频谱的峰值幅度。如果你的作用域没有跟踪函数生成器，这是实现传递函数图的一种简单方法。图6显示了扫描频率时电流通过信号路径的幅值分布的记录。
这显示了通过信号路径的非常平坦的电流响应。这是电流源的恒幅值、电流通过信号路径的响应以及CP031A电流探头的带宽的结合。这种平淡的反应正是我们所期望的。
通常在同轴电缆中，信号电流在中心导体上传播，而返回电流在外部屏蔽层中传播。但是，当我把屏蔽的两端短路在一起时，回流电流有机会通过分流器从一端跳到另一端，走捷径。
直流时，回流电流通过短路分流从屏蔽前端流向屏蔽后端。使用电流探头，我们可以准确地测量在任何频率流过捷径的电流。测量结果如图7所示。
在此测量中，通过快捷分流器的电流开始时，所有电流都以低于10khz的低频流过分流器。它在大约10千赫时开始下降。在10khz以上，通过分流器的电流幅值以1/f的速度下降。这是合理的，因为电感的阻抗增加~ f，电流应该与阻抗相反地重新分配到下环路电感的备用路径。
该测量表明，在10khz以上，该特定几何形状的返回电流将开始重新分配，而不是采取最短路径，而是采取最低回路电感路径。在这种几何结构中，当信号和返回路径之间的环路面积最小时，即信号和返回电流路径尽可能靠近时，环路电感最小。
由于信号电流被限制在中心信号导体内，这意味着返回电流将沿着同轴电缆沿信号电流同轴流动，而不是在屏蔽的开始和结束之间分流。
在1mhz时，与1khz时相比，通过分流导体的电流幅值只有1%(比1khz的值下降了40db)，并且随着频率的提高，电流幅值不断减小。
时间域视图
通过分流器的电流的幅值作为频率的函数的图基本上是一个波德图。这种行为是一个1极低通滤波器。这种行为使得预测瞬态响应变得容易。
如果我们通过这种改进的同轴电缆发送120ma电流的阶跃电流，那么通过分流的捷径电流将是阶跃的低通滤波版本。它将有一个单极响应，就像RC电路一样。响应降低了-3 dB的极频率约为10 kHz。通过分路器的极频为10khz的电流的预期10%-90%的上升时间为:
我使用了来自WaveSource的120毫安的峰对峰方波电流，上升时间约为15秒。这是通过同轴电缆发送的，并在同轴电缆的远端用第二个电流探头测量。
回流电流的高频分量不应通过分流，只应通过低频分量。事实上，我们应该看到大约35秒的上升时间，电流通过分流打开。图8显示了通过同轴电缆的电流的阶跃响应和通过分流的电流的缓慢上升。测量到的10-90上升时间为32秒，非常接近我们的预期。
在信号路径下有返回平面的微带传输线中，返回电流将根据电流变化的快慢改变其路径。如果你的信号的上升时间在10秒或更长，这是在音频范围内，平面上的返回电流将扩散并采取最低电阻的路径。但是，如果信号的上升时间短于10秒，那么快速边缘电流将直接在信号线下面传播。
结论
这个简单的测量证明了SI/PI和EMI中最重要的原理，即返回电流将在大约10 kHz以下的最低电阻路径上流动。但在大约10khz以上，返回电流将开始在靠近信号导体的返回路径中重新分布。在这种特殊的几何结构中，到1兆赫时，99%的返回电流在信号导体附近流动。大多数返回电流在信号路径附近流动的精确频率将根据具体的几何形状而变化，但这是一个很好的经验法则，要记住。
即使提供了交流电流路径，电流也不会走这些路径，而总是走回路电感最小的路径。就像玛丽的小羊羔，在10khz以上，无论信号电流走到哪里，返回电流肯定会跟随。
