十年来，我一直很荣幸地在IEEE EMC研讨会上介绍教程。我通常被安排在布鲁斯·阿坎博之后。这意味着我要听布鲁斯讲电感。虽然我认为自己是电感方面的专家，但当我听布鲁斯的时候，我总是能学到一些新东西。
他举了一个例子，通过模拟电流流向，如果你从来没有想过这个问题，就会完全重新校准你的直觉。从我第一次看到这个例子开始，十几年来，它一直伴随着我。最近，我有机会使用我们的瞄准镜使用的Teledyne LeCroy CP031A电流探头，我意识到这个经典的模拟示例可以用简单的测量来演示。
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．利用他的IBM专有3D场求解器，他制作了一个U形微带，一端发射信号，另一端连接到飞机。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回流电流分布。然后他把频率改为50千赫，然后是1兆赫。信号迹线以下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，所有的返回电流都通过信号迹线两端之间的平面。但是在频率超过1mhz时，微带两端之间没有返回电流。它都直接在信号路径下面传播。
为什么返回的电流在微带下方走了一圈长路径，而不是在两端之间走了一条短路径?这都是关于阻抗的。返回电流的路径总是最小阻抗的路径。
任何频率下的阻抗都与
在低频时，阻抗与电阻有关，是直接穿过平面的最短长度。在较高频率时，jwL项开始占主导地位，电流重新分布到环路电感最低的路径。
在电流可以通过的所有不同路径中，回路电感最低的路径是当返回电流路径尽可能接近信号电流时。电流重新分配到信号路径的正下方，以使回路电感最小化。
在Bruce的模拟中，再分配开始于1khz到50khz之间，并以1mhz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。
我们能测量回电流的路径吗?
托德中心的类似示例在他的实验室里进行测量通过同轴电缆两端间接地带的电流，如图2所示。
当我拿到我的CP031电流探头时，我意识到我可以用一个简单的设置快速轻松地重现托德的实验。
夹式电流探头是一种专门的探头，它夹住并环绕导线。探头测量流过导线穿过中心孔的电流。它通过使用铁芯在电线周围形成一个环，在夹钳处有一个小间隙来做到这一点。铁的高磁导率放大了导线中电流的磁场。它集中在小缝隙中。
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，而磁场又与夹钳内部导线中的电流有关。该探头的主要优点之一是它对直流电流以及高频敏感。
带宽受限于铁的磁导率的频率依赖性和放大器的带宽。CP031A的带宽为200mhz。钳式电流探头来自已校准mA的工厂。它们通过Pro总线(一种智能传感器总线)与瞄准镜通信，允许瞄准镜读取校准信息并在前屏幕上显示mA。
我采取了一个常见的RG174 50欧姆同轴电缆与BNC连接器的两端和焊接短线之间的同轴屏蔽。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。制造恒流交流电源的方法是使用恒压正弦波电源，具有50欧姆的电源电阻，并且只是短的两端。
我设置了一个3v峰值正弦波到50欧姆负载的函数发生器。这意味着内部电压源峰对峰为6v。当输出短路时，6v电源穿过50欧姆输出电阻，是6v pk-pk/50欧姆= 120 mV pk-pk的电流。我用CP031A电流探头测量同轴电缆短端电流，如图4所示。我测量了一个120ma pk-pk值的10 kHz正弦波电流，正如预期的那样。
函数发生器通过同轴电缆驱动这120 mA pk-pk电流。我扫频从1 kHz到5 MHz，扫频时间为1分钟。
在电缆的末端，我用一个迷你抓手分离了信号和返回导体，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。通过测量通过微型拾音器信号引线的电流，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瞄准镜测量了电流波形，带宽为8 GHz，垂直分辨率为12位。设置如图5所示。
分路过频电流的测量
由于电流的正弦波变化频率，不断计算FFT，并使用峰值保持设置来记录电流的最大记录幅度。当电流扫过其范围时，峰值保持设置捕获了整个频谱的峰值振幅。如果您的范围没有跟踪函数生成器，这是实现传递函数图的简单方法。图6显示了在扫频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和CP031A电流探头的带宽的组合。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，回流电流在外层屏蔽中传播。但是，当我把屏蔽的两端一起短路时，返回电流有机会通过分流器从一端跳到另一端来走捷径。
在直流时，回流电流通过短路分流器从屏蔽前端流到屏蔽后端。使用电流探头，我们可以测量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10 kHz的低频流过分流器。它在10千赫左右开始下降。在10khz以上，通过分流器的电流振幅像1/f一样下降。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回路电感的备用路径。
这一测量表明，在10 kHz以上，在这个特定的几何图形中的返回电流将开始重新分配，采取的不是最短路径，而是最低环路电感路径。在该几何图形中，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接近时，环路电感最低的路径。
由于信号电流被限制在中心信号导体上，这意味着返回电流将沿同轴方向围绕信号电流流动，而不是在屏蔽的开始和结束之间分流。
在1mhz时，与在1khz时相比，只有1%(从1khz值下降40 dB)的电流幅值通过分流器导体，并且随着频率的提高，它不断减小到更小的值。
时间域视图
通过分流器的电流幅值作为频率的函数的图基本上是波德图。这种行为是一个1极低通滤波器。这种行为使预测瞬态响应变得容易。
如果我们通过这个改进的同轴电缆发送120 mA的阶跃电流，通过分流器的捷径电流将是阶跃的低通滤波版本。它将有一个1极响应，就像RC电路一样。响应降低-3 dB的极频约为10 kHz。极频为10khz的分流器电流预计上升10%-90%的时间为:
我使用了来自WaveSource的120 mA峰峰方波电流，上升时间约为15 nsec。这通过同轴电缆发送，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器，只应通过低频分量。事实上，我们应该看到大约35 usec的上升时间，电流通过分流器接通。图8显示了通过同轴电流的阶跃响应和通过分流电流的缓慢上升。测得的10-90上升时间为32 usec，非常接近我们的预期。
在微带传输线中，在信号路径下有一个返回平面，返回电流将根据电流变化的快慢改变其路径。如果信号的上升时间是10 usec或更长，这是在音频范围内，平面内的返回电流将分散并采取最低电阻的路径。但是，如果信号的上升时间小于10 usec，快速边缘电流将全部直接在信号线下面传播。
结论
这个简单的测量表明了SI/PI和EMI中最重要的原理，即返回电流将在低于约10 kHz的最低电阻路径中流动。但在大约10千赫以上，返回电流将开始在返回路径上重新分布，与信号导体相邻。在这个特定的几何图形中，通过1 MHz, 99%的返回电流流到信号导体附近。大多数返回电流在信号路径附近流动的精确频率将取决于具体的几何形状，但这是一个很好的经验法则，要记住。
即使提供了可供选择的电流路径，电流也不会沿着这些路径，而总是沿着环路电感最低的路径。就像玛丽的小羊羔一样，在10千赫以上，无论信号电流去到哪里，返回的电流一定会跟随。
