CN104062512B - 双向板级射频磁场探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双向板级射频磁场探头，包括探头主体，设置在所述探头主体中相互垂直的第一测量电路与第二测量电路，以及与所述第一测量电路连接的第一信号输出端，与所述第二测量电路连接的第二信号输出端，所述第一信号输出端和第二信号输出端在探头主体中错开设置；其中，所述第一测量电路和第二测量电路均包括连接成环路的信号线和信号屏蔽线。本发明提出的双向设计的探头，把两个不同环路方向的独立探头集成在一起，通过印制电路板的方式获得其中一个环路，通过通孔技术实现另一个环路，结合测量仪器，可以通过一次探头扫描而获得全面的电磁场信息。

Description

双向板级射频磁场探头

技术领域

本发明涉及电磁场测量技术领域，特别涉及一种双向板级射频磁场探头。

背景技术

随着当前集成电路芯片密度以及运行频率的逐步提高，集成电路以及PCB板级的EMI电磁干扰噪声在电子产品中影响越来越严重。为了抑制这些干扰噪声，同时也为了评估集成电路产生的电磁干扰噪声水平，对集成电路表面以及PCB板局部近场的电磁干扰噪声进行测量十分重要。这种测量通常采用近场扫描法完成。

为了全面了解和测量集成电路表面以及PCB板局部近场的电磁场的分布，通常需要至少测量矢量电磁场的两个分量(电磁场E，H一共含6个分量)。目前的探头通常都只能单次测量一个分量。为了进行第二个分量的测量，通常需要进行第二次扫描来完成。这些扫描通常通过一个机械移动平台来实现，机械移动平台的位置重复一般在几十微米的误差范围，或者甚至更大。也就是说，第二次扫描往往不能保证重复第一次扫描的空间测量点。现有技术的缺点在于：板级射频电流探头通常只能测量一个电磁场的分量(Hx，Hy，Hz，Ex，Ey，Ez)；为了完全了解局部近场的电磁场分布，现有的单向电磁场探头需要两次扫描测量，以便获得电磁场的两个分量；单向电磁场探头通过两次扫描以获得电磁场的两个分量，这种方法受到移动平台的位置重复精度制约。

发明内容

基于此，针对上述的集成电路表面以及PCB板局部近场的电磁干扰测量位置精度问题，本发明提出一种可通过一次扫描而获得全面的电磁场信息的双向板级射频磁场探头。

其技术方案如下：

一种双向板级射频磁场探头，包括探头主体，设置在所述探头主体中相互垂直的第一测量电路与第二测量电路，以及与所述第一测量电路连接的第一信号输出端，与所述第二测量电路连接的第二信号输出端，所述第一信号输出端和第二信号输出端在探头主体的错开设置；其中，所述第一测量电路和第二测量电路均包括连接成环路的信号线和信号屏蔽线。

一个射频磁场探头，包含两个相互垂直的磁场测量电路，可以同时测量电磁场的两个分量，并根据麦克斯韦方程组计算得其他的电磁场分量。其中的两个测量电路均包括由在多个线路层上设置的信号线和信号屏蔽线电连接形成的环形回路，以及与测量电路连接的信号输出端，可将感应所得的信号传输给相关的仪器进行测量分析。

下面对其进一步技术方案进行说明：

优选的是，所述第一测量电路包括依次间隔设置的第一屏蔽线路层、第一信号线路层和第二信号线路层，所述第一信号线路层包括第一信号线，所述第二信号线路层包括第二信号线，所述第一屏蔽线路层包括第一信号屏蔽线，所述第一信号输出端、第一信号线、第二信号线和第一信号屏蔽线依次连接形成第一环形回路；所述第一信号线在第一屏蔽线路层上的正投影位于所述第一信号屏蔽线覆盖区域，且所述第一信号屏蔽线接地。

优选的是，所述探头主体设置有探头伸出端，所述探头伸出端中设有贯穿所有线路层的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔中设置有第一导线，第二通孔中设置有第二导线，所述第二信号线连接于第一导线和第二导线之间，所述第一信号线的另一端连接于第二导线的中部，所述第一导线与所述第一信号屏蔽线连接。

优选的是，所述第二测量电路包括依次间隔设置的第二屏蔽线路层、第三信号线路层和第三屏蔽线路层，所述第三信号线路层包括第三信号线，所述第三信号线一端与第二信号输出端连接；所述探头主体设置有探头伸出端，所述探头伸出端中设置有贯穿所有线路层的第三通孔，所述第三通孔中设置有第三导线，且所述第三信号线的另一端连接于第三导线的中部；所述第二屏蔽线路层上设置有第二信号屏蔽线，第三屏蔽线路层上设置有与第二信号屏蔽线相对应的第三信号屏蔽线，所述第三导线连接于第二信号屏蔽线和第三信号屏蔽线之间；所述第二信号屏蔽线、第三导线、第三信号线和第三信号屏蔽线依次连接形成与所述第一环形回路垂直的第二环形回路；所述第三信号线在第二屏蔽线路层或第三屏蔽线路层上的正投影位于第二信号屏蔽线或第三信号屏蔽线覆盖区域，且所述第二信号屏蔽线、第三信号屏蔽线接地。

优选的是，所述第一屏蔽线路层、第二屏蔽线路层和第三屏蔽线路层上均设置有信号屏蔽线，所述第一信号线或第三信号线在任意屏蔽线路层上的正投影位于任意信号屏蔽线的覆盖区域。利用屏蔽线路层将所有的信号线进行隔离屏蔽，避免对信号线产生电磁干扰，而影响测量结果的精确度。

优选的是，所述第一信号输出端和第二信号输出端均包括贯穿于任意线路层的一个信号输出孔和多个接地孔，且所述多个接地孔均匀环绕于信号输出孔周围，所述信号输出孔中设置有与相应信号线连接的信号输出线，所述接地孔中设置有接地线。

优选的是，任意屏蔽线路层上的多个接地孔通过接地屏蔽线连接成环状，且所述信号屏蔽线与所述接地屏蔽线连接。对信号输出线进行接地屏蔽，使输出信号不受干扰，同时对信号屏蔽线接地，方便简单。

优选的是，所述第一测量电路包括设置在第二信号线路层外侧且与之相隔的第四屏蔽线路层，所述第四屏蔽线路层上设置有与其他信号屏蔽线相对应的第四信号屏蔽线。通过第四屏蔽线路层对第二信号线路层进行屏蔽，即对探头的所有内部信号线进行屏蔽，屏蔽效果更佳，使测量效果更好。

本发明具有如下突出的优点：解决了集成电路表面以及PCB板局部近场的电磁场或者电磁干扰的精确测量问题，通过本方案可以精确得到集成电路表面以及PCB板局部近场的电磁场或者电磁干扰，测量准确、高效。

附图说明

图1是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头三维状态一结构示意图；

图2是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头三维状态二结构示意图；

图3是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头局部三维透视示意图；

图4是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头第一信号线路层示意图；

图5是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头第二信号线路层示意图；

图6是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头第一屏蔽线路层示意图；

图7是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头第一测量电路示意图；

图8是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头第三信号线路层示意图；

图9是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头第二屏蔽线路层示意图；

图10是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头第三屏蔽线路层示意图；

图11是本发明实施例中所述双向板级射频磁场探头第二测量电路示意图。

附图标记说明：

10-探头主体，100-第一测量电路，110-第一信号线路层，112-第一信号线，112a-第一信号线短直线端，112b-第一信号线长直线端，120-第二信号线路层，122-第二信号线，130-第一屏蔽线路层，132-第一信号屏蔽线，134-第一接地屏蔽线，200-第二测量电路，210-第三信号线路层，212-第三信号线，212a-第三信号线半环形端，212b-第三信号线直线端，220-第二屏蔽线路层，222-第二信号屏蔽线，222a-第二信号屏蔽线半环形端，224-第二接地屏蔽线，230-第三屏蔽线路层，232-第三信号屏蔽线，232a-第三信号屏蔽线半环形端，234-第三接地屏蔽线，310-接地孔，312-接地线，320-信号输出孔，322-信号输出线，40-探头伸出端，410-第一通孔，412-第一导线，420-第二通孔，422-第二导线，430-第三通孔，432-第三导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

一种双向板级射频磁场探头，其设计原理如下：射频磁场在导线形成的线圈(Loop)中可以产生磁通量的变化，根据法拉第效应，从而在导线形成的线圈内部形成射频电流，或者在接出端形成射频电压；通过测量这些射频电流或者射频电压，可以推知线圈所处位置的射频磁场大小。为了实现同时对两个方向射频磁场的探测，可以制作两个方向互相垂直的导线回路线圈。

如图1至图11所示，根据上述设计原理提出的双向板级射频磁场探头，包括探头主体10，设置在探头主体10中相互垂直的第一测量电路100与第二测量电路200，第一测量电路100和第二测量电路200均包括连接成环路的多根信号线和信号屏蔽线，以及与第一测量电路100连接的第一信号输出端，与第二测量电路200连接的第二信号输出端，第一信号输出端和第二信号输出端在探头主体10中错开布置。

该射频磁场探头，包含两个相互垂直的磁场测量电路即第一测量电路100和第二测量电路200，可同时测量电磁场的两个分量，并根据麦克斯韦方程组计算得其他的电磁场分量。这两个测量电路均包括由在多个线路层上设置的信号线和信号屏蔽线电连接形成的环形回路，以及与测量电路连接的信号输出端，可将感应所得的信号传输给相关的仪器进行测量分析。

该探头的第一测量电路100与第二测量电路200主要包括多个依次间隔设置的信号线路层和信号屏蔽线路层，这里主要包括三个信号线路层和三个信号屏蔽线路层，每一层的形状分别如图4至图6以及图8至图10所示。整个探头主体10的截面形状设置为梯形，也可设置成其他形状，如矩形、方形等。此处优选使用梯形，多个信号线和信号屏蔽线在探头主体10上呈V形布置，布置对称结构美观。另外，信号线和信号屏蔽线等与该探头的中轴线成45度角，可使测量信号在拐弯时产生尽量小的反射，而且测量信号从信号输出端输出时尽量保持直线，故可直接在信号输出端端口处设计接口。

此外，如图1至图3所示，该探头的探头主体10还设置有探头伸出端40，该探头伸出端40中设有贯穿所有线路层的第一通孔410、第二通孔420和第三通孔430，该三个通孔相互独立，且此处优选三个通孔相互平行。且该第一通孔410中设置有第一导线412，第二通孔420中设置有第二导线422，第三通孔430中设置有第三导线432。此处的各导线为设置在各通孔孔壁的导电金属层。通过这些导线将不同的线路层连接导通，形成不同的环形回路。

具体地，如图4至图7所示，第一测量电路100包括依次间隔设置且相互平行的第一屏蔽线路层130、第一信号线路层110和第二信号线路层120。如图4所示，该第一信号线路层110包括第一信号线112，该第一信号线112包括位于探头伸出端40的第一信号线短直线端112a，和位于探头主体10中的第一信号线长直线端112b，其短直线端连接于第二导线422，其长直线端连接于第一信号输出端。另外，第一信号线短直线端112a也位于第一导线412和第二导线422所在的平面。如图5所示，该第二信号线路层120包括第二信号线122，该第二信号线122通过连接第一导线412和第二导线422而形成。如图6所示，该第一屏蔽线路层130包括第一信号屏蔽线132，该信号屏蔽线一端与第一导线412连接，该信号屏蔽线另一端接地。

如图7所示，第一信号输出端、第一信号线112、第二信号线122和第一信号屏蔽线132依次连接形成第一环形回路，而且第一导线412还与第一信号屏蔽线132连接，即通过第一导线412和第二导线422将第一信号线112、第二信号线122和第一信号屏蔽线132连接起来，形成第一环形回路。而且，第一导线412和第二导线422均垂直于所述第一信号线路层110、第二信号线路层120以及第一屏蔽线路层130。可知，第一导线412、第二信号线122、第二导线422以及第一信号线短直线端112a连接形成回路，并位于同一平面内，另外第一导线412还与接地的第一信号屏蔽线132连接，第一信号线长直线端112b还与信号输出端连接。

另外，第一信号线112在第一屏蔽线路层130上的正投影位于第一信号屏蔽线132覆盖区域，特别是第一信号线长直线端112b在第一屏蔽线路层130上的正投影完全位于第一信号屏蔽线132覆盖区域，即在第一屏蔽线路层130上，至少在位于第一信号线所在区域侧设置有第一信号屏蔽线。且第一信号屏蔽线132接地。

此外，如图8至图11所示，第二测量电路200包括依次间隔设置且相互平行的第二屏蔽线路层220、第三信号线路层210和第三屏蔽线路层230。如图8所示，第三信号线路层210包括第三信号线212，该第三信号线212包括位于所述探头伸出端40中的第三信号线半环形端212a，该第三信号半环形端212a与第三导线432连接，还包括位于探头主体10中的第三信号线直线端212b，该第三信号线直线端212b与第二信号输出端连接。如图9所示，第二屏蔽线路层220上设置有第二信号屏蔽线222，其包括位于探头伸出端40中的第二信号屏蔽线半环形端222a，该第二信号屏蔽线半环形端222a与第三导线432连接，另一端接地。如图10所示，第三屏蔽线路层230上设置有与第二信号屏蔽线222相对应的第三信号屏蔽线232，其也包括位于探头伸出端40中的第三信号屏蔽线半环形端232a，该第三信号屏蔽线半环形端232a与第三导线432连接，另一端接地。而且，第三导线垂直贯穿第二屏蔽线路层220、第三信号线路层210和第三屏蔽线路层230。

如图11所示，第二信号屏蔽线222、第三导线432、第三信号线212和第三信号屏蔽线232依次连接形成与第一环形回路垂直的第二环形回路，即通过第三导线432将第三信号线212、第二信号屏蔽线222和第三信号屏蔽线232连接起来，形成第二环形回路。而且，第三导线432垂直于所述第三信号线路层210、第二蔽线线路层220以及第三屏蔽线路层230。可知，第三信号线半环形端212a与第二信号屏蔽线半环形端222a或第三信号屏蔽线半环形端232a分别位于第三导线432的两侧，通过第三导线432可将第三信号线半环形端212a与第二信号屏蔽线半环形端222a、第三信号线半环形端212a与第三信号屏蔽线半环形端232a均连接成环形回路，该环形回路中的信号屏蔽线段和信号线段所在平面与第一环形回路所在平面垂直。

另外，第三信号线212在第二屏蔽线路层220或第三屏蔽线路层230上的正投影位于第二信号屏蔽线222或第三信号屏蔽线232覆盖区域，即在第二屏蔽线路层220或第三屏蔽线路层230上，至少在位于第三信号线直线端212b所在区域侧设置有信号屏蔽线，且第二信号屏蔽线222、第三信号屏蔽线232接地。

另外，可在第一屏蔽线路层130、第二屏蔽线路层220和第三屏蔽线路层230上均设置信号屏蔽线，使第一信号线112或第三信号线212位于探头主体10中的部分在任意屏蔽线路层上的正投影位于任意信号屏蔽线的覆盖区域。这里的任意屏蔽线路层包括第一屏蔽线路层130、第二屏蔽线路层220和第三屏蔽线路层230，任意信号屏蔽线包括第一信号屏蔽线132、第二信号屏蔽线222和第三信号屏蔽线232。第一信号线112和第三信号线212可以在探头主体10中部分或完全重叠布置，二者也可以在探头主体10中错开布置。此处优选将二者错开布置，这样使两信号线的测量信号之间不易产生干扰，而且在屏蔽线路层的两侧均设置信号屏蔽线，对相邻或相间的信号线路层上的信号线进行屏蔽隔离，而不是仅仅对对应测量电路中的信号线进行屏蔽(如第一信号屏蔽线路只对设置有第一信号线位置区域进行屏蔽)，即利用屏蔽线路层将所有的信号线进行隔离屏蔽(如第一信号屏蔽线路可同时对设置有第一信号线和第三信号线的区域进行屏蔽)，使得每一层上的信号屏蔽线均对应于第一信号线112和第三信号线212分布，可充分防止干扰信号被信号层接受，即可尽量避免对信号线产生电磁干扰，而影响测量结果的精确度。

而且，第一信号输出端和第二信号输出端均包括一个SMA接口，该SMA接口包括贯穿于任意线路层(包括上述的六层线路层)的一个信号输出孔320和四个接地孔310，且四个接地孔310均匀环绕于信号输出孔320周围，信号输出孔320与相应的信号线连接，同时还与信号输出线322连接，即第一信号线112与第一信号输出端的信号输出线322连接，第三信号线212与第二信号输出端的信号输出线322连接，可分别将第一测量电路100和第二测量电路200的测量信号输出。另外，每个接地孔310中都连接设置有接地线312。而且，任意屏蔽线路层上的四个接地孔310通过接地屏蔽线(134、224、234)连接成环状，且信号屏蔽线(132、222、232)与接地屏蔽线(134、224、234)对应连接(如第一屏蔽线路层上的第一信号屏蔽线132可与其上的第一接地屏蔽线134连接，第二信号屏蔽线222与第二接地屏蔽线224连接，第三信号屏蔽线232与第三接地屏蔽线234连接)，可对信号输出线322进行接地屏蔽，使输出信号不受干扰，同时使信号屏蔽线接地，方便简单。此处，除了使用SMA的接口形式外，也可以采用其他的接口标准，设计不同的接口形式。

总之，该双向板级射频磁场探头由六层互连线路组成，每一层之间的导线和信号线通过通孔技术建立互连，形成环形回路。通过SMA头在信号输出端测量导线和信号线上形成的射频电流或射频电压，其中一个SMA接口输出某一个方向线圈上形成的电信号，而另一个SMA接口输出另一个方向线圈上形成的电信号。其中，第一、二、六层(即第一屏蔽线路层130、第一信号线路层110和第二信号线路层120)形成了一个环路，环路面积的方向可垂直于测试探头所在平面；第三、四、五层(即第二屏蔽线路层220、第三信号线路层210和第三屏蔽线路层230)形成了一个环路，环路面积的方向平行于测试探头所在平面，两个环路的面积分别决定了测试探头垂直方向以及水平方向所测到信号的大小。各线路层间的间隔以及导线的尺寸和材料等因素决定了导线(或信号线)的阻抗，可以通过现有的相关软件，计算一定阻抗下所需要设计的层间间隔、导线(或信号线)尺寸以及材料等因素。导线(或信号线)的阻抗决定了在接出端所测到的射频电流或者射频电压数值的大小，在本实施例中优选导线(或信号线)的阻抗为50欧，且导线(或信号线)、屏蔽线的材质优选为铜。

此外，该探头还可设置第七线路层，即在第一测量电路100中设置位于第二信号线路层120外侧且与之平行的第四屏蔽线路层(图中未画出)，该第四屏蔽线路层上设置有与其他信号屏蔽线相对应的第四信号屏蔽线，该第四层信号屏蔽线与第一导线412或第二导线422连接。通过第四屏蔽线路层对第二信号线路层120进行屏蔽，从而实现对探头的所有内部信号线进行屏蔽，屏蔽效果更佳，使测量效果更好。

该双向板级射频磁场探头的测量过程如下：首先，利用该双向板级射频磁场探头进行射频磁场测量时，需要把该探头的第一信号输出端和第二信号输出端接到频谱分析仪的输入端，即SMA接口处通过SMA头连接线缆，线缆的另一端连接信号分析仪，以便后续进行射频信号的测量；然后，进行探头的校准，即利用微带线产生一定的射频电磁场，并通过网络分析仪对该射频磁场探头的测量结果进行探测校准；然后，利用该探头对待检测的设备进行检测，该探头的应用频率范围由其整体设计决定，包括材料的应用以及结构的设计，可用一定的方法标定其频率应用范围；最后，通过该探头可以得到待检测设备的磁场分量Hx以及Hy，进一步利用电磁学中的麦克斯韦方程组可以推导得到Hz，以及Ex，Ey，Ez，其中电磁波的E和H也就是电场和磁场分量，它们相互垂直。

本发明提出的双向设计的探头，把两个不同环路方向的独立探头集成在一起，通过印制电路板的方式获得其中一个环形回路，通过通孔技术实现另一个环形回路，从而能够实现一次扫描而获得全面的电磁场信息。本发明解决了集成电路表面以及PCB板局部近场的电磁场或者电磁干扰的精确测量问题，可以精确得到集成电路表面以及PCB板局部近场的电磁场或者电磁干扰，测量准确、高效。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双向板级射频磁场探头，其特征在于，包括探头主体，设置在所述探头主体中相互垂直的第一测量电路与第二测量电路，以及与所述第一测量电路连接的第一信号输出端，与所述第二测量电路连接的第二信号输出端，所述第一信号输出端和第二信号输出端在探头主体中错开设置；其中，所述第一测量电路和第二测量电路均包括连接成环路的信号线和信号屏蔽线；

所述第一测量电路包括依次间隔设置的第一屏蔽线路层、第一信号线路层和第二信号线路层；所述第二测量电路包括依次间隔设置的第二屏蔽线路层、第三信号线路层和第三屏蔽线路层；

所述第一信号线路层包括第一信号线，所述第二信号线路层包括第二信号线，所述第一屏蔽线路层包括第一信号屏蔽线，所述第一信号输出端、第一信号线、第二信号线和第一信号屏蔽线依次连接形成第一环形回路；

所述第一信号线在第一屏蔽线路层上的正投影位于所述第一信号屏蔽线覆盖区域，且所述第一信号屏蔽线接地。

2.根据权利要求1所述的双向板级射频磁场探头，其特征在于，所述探头主体设置有探头伸出端，所述探头伸出端中设有贯穿所有线路层的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔中设置有第一导线，第二通孔中设置有第二导线，所述第二信号线连接于第一导线和第二导线之间，且所述第一信号线连接于第二导线，所述第一导线与所述第一信号屏蔽线连接。

3.根据权利要求1所述的双向板级射频磁场探头，其特征在于，所述第三信号线路层包括第三信号线，所述第三信号线一端与第二信号输出端连接；

所述探头主体设置有探头伸出端，所述探头伸出端中设置有贯穿所有线路层的第三通孔，所述第三通孔中设置有第三导线，且所述第三信号线的另一端连接于第三导线；

所述第二屏蔽线路层上设置有第二信号屏蔽线，第三屏蔽线路层上设置有与第二信号屏蔽线相对应的第三信号屏蔽线，所述第三导线连接于第二信号屏蔽线和第三信号屏蔽线之间；

所述第二信号屏蔽线、第三导线、第三信号线和第三信号屏蔽线依次连接形成与所述第一环形回路垂直的第二环形回路；

所述第三信号线在第二屏蔽线路层或第三屏蔽线路层上的正投影位于第二信号屏蔽线或第三信号屏蔽线覆盖区域，且所述第二信号屏蔽线、第三信号屏蔽线接地。

4.根据权利要求3所述的双向板级射频磁场探头，其特征在于，所述第一屏蔽线路层、第二屏蔽线路层和第三屏蔽线路层上均设置有信号屏蔽线，所述第一信号线或第三信号线在任意屏蔽线路层上的正投影位于任意信号屏蔽线的覆盖区域。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的双向板级射频磁场探头，其特征在于，所述第一信号输出端和第二信号输出端均包括贯穿于任意线路层的一个信号输出孔和多个接地孔，且所述多个接地孔环设于信号输出孔周围，所述信号输出孔中设置有与相应信号线连接的信号输出线，所述接地孔中设置有接地线。

6.根据权利要求5所述的双向板级射频磁场探头，其特征在于，任意屏蔽线路层上的多个接地孔通过接地屏蔽线连接成环状，且所述信号屏蔽线与所述接地屏蔽线连接。

7.根据权利要求2-4任意一项所述的双向板级射频磁场探头，其特征在于，所述第一测量电路包括设置在第二信号线路层外侧且与之平行的第四屏蔽线路层，所述第四屏蔽线路层上设置有与其他信号屏蔽线相对应的第四信号屏蔽线。