CN104569888B - 一种利用微带线法校准近场探头修正因子的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用微带线法校准近场探头修正因子的系统及方法，该系统包括：置于微带线基板的微带线、可调信号源、频谱分析仪、近场探头和负载终端以及与频谱分析仪连接的数据处理单元；近场探头置于微带线上方，用于探测可调信号源经微带线向负载终端发送的信号；频谱分析仪用于连接微带线并测量可调信号源经微带线发送至频谱分析仪的信号的电压值；频谱分析仪还用于连接近场探头并测量近场探头探测得到的信号的电压值。本发明所述技术方案，采用与实际测试相近微带线产生的近场，校准出各校准频率点下近场探头的修正因子，为利用校准的修正因子去修正测试中的微带线辐射场做好准备，提高测量数据的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及近场探头校准。更具体地，涉及一种利用微带线法校准近场探头修正因子的系统及方法。
背景技术
对于辐射诊断近场探头，目前采用的近场探头校准方法是利用横电磁波TEM小室标准场法进行校准。
信号源接功率放大器将一定功率的信号注入TEM小室，并在TEM小室中形成一标准场，将近场探头放入此标准场，校准出修正因子。
利用TEM小室标准场法进行校准的流程是：
1)、根据仪器说明书要求预热所用仪器，使信号源和放大器的频率和幅度达到稳定，完成功率敏感器的自校准，将被检仪器放入检定装置的场均匀区域内；
2)、使用TEM室法时测量测试区域芯板距底板的高度设为d1；
3)、设定信号发生器初始输出频率及输出电平；通过功率计读出标准装置前向功率Pin和反向功率Pr，利用以下公式(1)计算标准场强：
公式(1)
公式中，E为标准场强，单位为V/m；P1为经定向耦合器输出的入射耦合功率，单位为W；P2为经定向耦合器输出的反射耦合功率，单位为W；Cf为双定向耦合器的入射功率耦合因子；Cr为双定向耦合器的反射功率耦合因子；Rc为传输室的特性阻抗，单位为Ω；d1为测试区域芯板距底板的高度，单位为m。
4)、调节信号发生器输出电平，在场均匀区域产生20V/m左右的标准场强，如被校设备的场强检测范围不包含20V/m，则产生一个被校设备能正常工作的一个标准场强；
5)、记录标准场强Ef和被校场传感器或场探头的指示值Efs，由公式(2)计算被校设备的频率响应偏差δF：
公式(2)
公式中，δF为被校设备与标准场强的偏差，单位为dB；Ef为标准场强，单位为V/m；Efs为被检设备场强指示值，单位为V/m。
6)、由公式(3)计算频率响应修正因子AF：
公式(3)
公式中，AF为频率响应修正因子。
7)、调节信号发生器输出下一频率点，重复步骤4)～6)，直至完成所有校准频率点。
对于辐射诊断近场探头，采用TEM小室标准场法，存在着以下不足：a)近场探头校准的场与使用的场性质不同；进场探头校准时的TEM室中的场为远场，而近场探头却是在近场使用时。b)近场探头校准场的辐射模式与实际测量场的辐射方式不同；近场探头测量的场强相当于整个探头表面上的平均值，而被测信号相当于电磁场与探头辐射模式的卷积。因此辐射方式不同决定测量信号不同，校准场是一个空间场，而近场探头测量的却是集成电路微带线上传输信号所发出的感应近场，因此影响了校准的准确性。
因此，需要提供一种利用微带线法校准近场探头修正因子的系统及方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种利用微带线法校准近场探头修正因子的系统。
本发明的另一个目的在于提供一种利用微带线法校准近场探头修正因子的方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种利用微带线法校准近场探头修正因子的系统，该系统包括可调信号源、频谱分析仪、负载终端、一端与可调信号源连接的微带线，以及与频谱分析仪连接的数据处理单元，
频谱分析仪可与微带线的另一端连接，针对可调信号源输出的每一校准频率，频谱分析仪感测并记录微带线的电压值USi，i＝1,…,n，n为校准频率点数，
频谱分析仪可与被测近场探头连接，负载终端端接微带线的另一端，针对信号源输出的每一校准频率，频谱分析仪感测并记录近场探头的电压值UTi，i＝1,…,n，n为校准频率点数，
数据处理单元根据如下公式计算各校准频率点的待测近场探头的修正因子，
若近场探头为电场近场探头，则计算公式为：
AFZi＝EZ-UTi+USi+13
公式中，AFZi为第i个校准频点的电场近场探头的修正因子，单位为dB/m,i＝[1,n]；EZ为电场强度，单位为dBV/m；或
若近场探头为磁场近场探头，则计算公式为：
AFHi＝Hx-UTi＝20log[d/πy(y+2d)]-UTi+USi-34
公式中，AFHi为第i个校准频率点的磁场近场探头的修正因子，单位为dBS/m；Hx为磁场强度，单位为dBA/m；d为微带线基板厚度，单位为m；y为磁场近场探头中心距微带线距离，单位为m。
优选地，该系统进一步包括频谱分析仪和近场探头之间的预放大器。
优选地，近场探头置于微带线上方并使近场探头的探测端垂直于微带线基板平面且探测端与微带线主轴偏离角度不大于±5°，近场探头的中心位于微带线水平方向正中且偏差不大于±4mm，微带线表面到近场探头的距离为1.0mm且偏差不大于±0.1mm。
一种利用微带线法校准近场探头修正因子的方法，该方法包括如下步骤：
将微带线的一端连接可调信号源，另一端连接频谱分析仪；
针对信号发生器输出的每一校准频率，利用频谱分析仪感测并记录微带线的电压值USi，i＝1,…,n，n为校准频率点数；
将微带线的另一端端接负载终端，将近场探头连接频谱分析仪，针对信号发生器输出的每一校准频率，利用频谱分析仪感测并记录微带线的电压值UTi，；
计算在各校准频率点的近场探头的修正因子，
若近场探头为电场近场探头，则计算公式为：
AFZi＝EZ-UTi+USi+13
公式中，AFZi为第i个校准频点的电场近场探头的修正因子，单位为dB/m；EZ为电场强度单位为dBV/m；或
若近场探头为磁场近场探头，则计算公式为：
AFHi＝Hx-UTi＝20log[d/πy(y+2d)]-UTi+USi-34
公式中，AFHi为第i个校准频率点的磁场近场探头的修正因子，单位为dBS/m；Hx为磁场强度，单位为dBA/m；d为微带线基板厚度，单位为m；y为磁场近场探头中心距微带线距离，单位为m。
优选地，在近场探头校准频率范围的最低频率点至最高频率点中，每10倍频程选取3个校准频点。
优选地，将可调信号源幅度设置为0dBm输出，并将可调信号源输出频率调至近场探头校准频率范围的最低校准频率，开始对微带线和近场探头的感测。
优选地，将近场探头置于微带线上方并使近场探头的探测端垂直于微带线基板平面且探测端与微带线主轴偏离角度不大于±5°，近场探头的中心位于微带线水平方向正中且偏差不大于±4mm，微带线表面到近场探头的距离为1.0mm且偏差不大于±0.1mm。
本发明的有益效果如下：
近场探头修正因子是探头校准的重要指标，关系到试验结果的有效性。然而，现有的利用TEM小室标准场法校准近场探头修正因子的方法存在一些不足，因为TEM小室标准场法产生的标准场为远场，与近场探头使用时扫描微带线的近场性质不用，所以由此方法校准的近场探头修正因子用于微带线近场辐射测量，将会造成测量结果不准确，本发明所述技术方案有效地解决以上不足，采用微带线校准法，可以满足近场探头的计量保障需求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出利用微带线法校准电场近场探头修正因子的系统的示意图。
图2示出利用微带线法校准磁场近场探头修正因子的系统的示意图。
图3示出利用微带线法校准近场探头修正因子的方法的流程图。
图4示出微带线几何结构图。
图5示出微带线的电力线和磁力线分布图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本实施例提供的利用微带线法校准近场探头修正因子的系统，该系统包括：置于微带线基板的微带线、可调信号源、频谱分析仪、近场探头和50Ω负载终端以及与频谱分析仪连接的数据处理单元；
微带线和近场探头的位置关系是：将近场探头置于微带线上方并使近场探头的探测端垂直于微带线基板平面且探测端与微带线主轴偏离角度不大于±5°，近场探头的中心位于微带线水平方向正中且偏差不大于±4mm，从微带线表面到近场探头的距离为1.0mm且偏差不大于±0.1mm；
频谱分析仪可与微带线的另一端连接，针对信号源输出的每一校准频率，频谱分析仪感测并记录微带线的电压值USi，i＝1,…,n，n为校准频率点数，
频谱分析仪可与被测近场探头连接，负载终端端接微带线的另一端，针对信号源输出的每一校准频率，频谱分析仪感测并记录近场探头的电压值UTi，i＝1,…,n，n为校准频率点数，
数据处理单元根据如下公式计算各校准频率点的待测近场探头的修正因子，
若近场探头为电场近场探头，则计算公式为：
AFZi＝EZ-UTi+USi+13
公式中，AFZi为第i个校准频点的电场近场探头的修正因子，单位为dB/m；EZ为电场强度，单位为dBV/m；或
若近场探头为磁场近场探头，则计算公式为：
AFHi＝Hx-UTi＝20log[d/πy(y+2d)]-UTi+USi-34
公式中，AFHi为第i个校准频率点的磁场近场探头的修正因子，单位为dBS/m；Hx为磁场强度，单位为dBA/m；d为微带线基板厚度，单位为m；y为磁场近场探头中心距微带线距离，单位为m。
本实施例提供的利用微带线法校准近场探头修正因子的方法，包括如下步骤：如图1所示，若近场探头为电场近场探头，则利用微带线法校准近场探头修正因子的方法包括如下步骤：
Step101、固定微带线和电场近场探头的位置：将电场近场探头置于微带线上方并使近场探头的探针垂直于微带线基板平面且探针与微带线主轴偏离角度不大于±5°，电场近场探头的中心位于微带线水平方向正中且偏差不大于±4mm，从微带线表面到近场探头的距离为1.0mm且偏差不大于±0.1mm。
Step102、微带线的一端连接信号发生器，另一端连接频谱分析仪。
Step103、在近场探头校准频率范围内，每10倍频程至少选取3个频率点进行校准。包含最高频率点和最低频率点在内，共选n个校准频率；
Step104、将信号源幅度设置为0dBm输出，并将信号源输出频率调至近场探头校准频率范围的最低校准频率；
Step105、针对每一校准频率fi，i＝1,…,n，记录频谱分析仪测得的电压值US1，US2，…，USi,…，USn，直至最高校准频率，USi为在第i个校准频率点可调信号源经微带线发送至频谱分析仪的信号的电压值；
Step106、将连接频谱分析仪的线缆从微带线上断开，连接到电场近场探头，并用一50Ω负载端接微带线；
Step107、将信号源幅度设置为0dBm输出，并将信号源输出频率调至近场探头校准频率范围的最低校准频率；
Step108、针对每一校准频率fi，i＝1,…,n，记录频谱分析仪测得的电压值UT1，UT2，…，UTi,…，UTn，直至最高校准频率，UTi为在第i个校准频率近场探头感测的可调信号源经微带线发送至负载终端的信号的电压值；
Step109、计算各校准频率点电场近场探头的修正因子，公式如下：
AFZi＝EZ-UTi+USi+13
公式中，AFzi为第i个校准频点的电场近场探头的修正因子，单位为dB/m；Ez为电场强度，单位为dBV/m；
如图2所示，若近场探头为磁场近场探头，则利用微带线法校准近场探头修正因子的方法包括如下步骤：
Step201、固定微带线和近场探头的位置：将磁场探头置于微带线上方并使近场探头的线圈平面垂直于微带线基板平面且线圈平面与微带线主轴偏离角度不大于±5°，近场探头的中心位于微带线水平方向正中且偏差不大于±4mm，从微带线表面到近场探头的距离为1.0mm且偏差不大于±0.1mm。
Step202、微带线的一端连接信号发生器，另一端连接频谱分析仪；
Step203、在近场探头校准频率范围内，每10倍频程至少选取3个频率点进行校准，包含最高频率点和最低频率点在内，共选n个校准频率点；
Step204、信号源幅度设置为0dBm输出，并将信号源输出频率调至近场探头校准频率范围的最低校准频率；
Step205、针对每一校准频率fi，i＝1,…,n，记录频谱分析仪测得的电压值US1，US2，…，USi,…，USn，直至最高校准频率，USi为在第i个校准频率点可调信号源经微带线发送至频谱分析仪的信号的电压值；
Step206、将连接频谱分析仪的线缆从微带线上断开，连接到电场近场探头，并用一50Ω负载终接微带线的另一端；
Step207、将信号源幅度设置为0dBm输出，并将信号源输出频率调至近场探头校准频率范围的最低校准频率；
Step208、针对每一校准频率fi，i＝1,…,n，记录频谱分析仪测得的电压值UT1，UT2，…，UTi,…，UTn，直至最高校准频率，UTi为在第i个校准频率点近场探头感测得到的可调信号源经微带线发送至负载终端的信号的电压值；
Step209、计算各校准频率点下磁场近场探头的修正因子，公式如下：
AFHi＝Hx-UTi＝20log[d/πy(y+2d)]-UTi+USi-34
公式中，AFHi为第i个校准频率点的磁场近场探头的修正因子，单位为dBS/m；Hx为磁场强度，单位为dBA/m；d为微带线基板厚度，单位为m；y为探头中心距微带线距离，单位为m。
本实施提供的利用微带线法校准近场探头修正因子的方法中电场强度Ez和磁场强度Hx的计算方法参见现有技术，方法如下：
C.1电场理论计算：
如图4和图5所示，取边界x＝±a/2，其中a＞＞d，假设在边界处放置侧壁，侧壁不会影响位于微带线的场力线，因此在两侧壁之间的拉普拉斯方程为：
边界条件：
φ(x,y)＝0，在x＝±a/2处 (c.1.2)
φ(x,y)＝0，在y＝0,∞ (c.1.3)
因为存在空气/电介质分界面的两个区域，在金属带上有电荷不连续性，采用变量分析法，利用边界条件(c.1.2)、(c.1.3)得到通解为：
电势在y＝d处必须连续，所以由式(c.1.4)有：
因而Φ(x,y)可以写成：
又
假设在y＝d处的电压为U0，采用三角函数的正交性得到常数An为：
因此：
计算距离微带线上方1mm处的电场，其中微带线的介电厚度(h)0.6mm，介电常数εr＝4.7,微带线的宽度(W)为1.0mm，微带线下方的地面宽度(Wg)50mm，微带线的长度(L)100mm。
C.2磁场理论计算：
无限长直导线上电流I周围的磁通量密度可以用公式(c2.1)来表示：
其中：B：磁通量密度(T)；
μ0：真空磁导率；
I：电流A；
r：观测点与微带线的垂直距离m。
磁场H为：
当微带线距探头中央距离为y，微带线电流I的镜像为-I，磁场的水平分量Hx为：
D＝y+2d+t (c.2.4)
其中：D:镜像电流距离观测点之间的距离，单位为m；
d：基底的厚度，单位为m；
t：微带线的厚度，单位为m，可以忽略。
因此将(c.2.4)代入(c.2.3)中有：
综合上述，本发明所述技术方案采用与实际测试相近微带线产生的近场，校准出各校准频率点下近场探头的修正因子，为利用校准的修正因子去修正测试中的微带线辐射场做好准备，提高测量数据的准确性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种利用微带线法校准近场探头修正因子的系统，其特征在于，该系统包括可调信号源、频谱分析仪、负载终端、一端与可调信号源连接的微带线，以及与频谱分析仪连接的数据处理单元，
频谱分析仪可与微带线的另一端连接，针对可调信号源输出的每一校准频率，频谱分析仪感测并记录所述微带线的电压值USi，i＝1,…,n，n为校准频率点数，
频谱分析仪可与被测近场探头连接，所述负载终端端接微带线的另一端，针对信号源输出的每一所述校准频率，频谱分析仪感测并记录所述近场探头的电压值UTi，
所述数据处理单元根据如下公式计算各校准频率点的待测近场探头的修正因子，
若近场探头为电场近场探头，则计算公式为：
AFZi＝EZ-UTi+USi+13
公式中，AFZi为第i个校准频点的电场近场探头的修正因子，单位为dB/m；EZ为电场强度，单位为dBV/m；或
若近场探头为磁场近场探头，则计算公式为：
AFHi＝Hx-UTi＝20log[d/πy(y+2d)]-UTi+USi-34
公式中，AFHi为第i个校准频率点的磁场近场探头的修正因子，单位为dBS/m；Hx为磁场强度，单位为dBA/m；d为微带线基板厚度，单位为m；y为磁场近场探头中心距微带线距离，单位为m。
2.根据权利要求1所述的利用微带线法校准近场探头修正因子的系统，其特征在于，该系统进一步包括所述频谱分析仪和近场探头之间的预放大器。
3.根据权利要求1所述的利用微带线法校准近场探头修正因子的系统，其特征在于，所述近场探头置于微带线上方并使近场探头的探测端垂直于微带线基板平面且探测端与微带线主轴偏离角度不大于±5°，近场探头的中心位于微带线水平方向正中且偏差不大于±4mm，微带线表面到近场探头的距离为1.0mm且偏差不大于±0.1mm。
4.一种利用微带线法校准近场探头修正因子的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
将微带线的一端连接可调信号源，另一端连接频谱分析仪；
针对所述可调信号源输出的每一校准频率，利用频谱分析仪感测并记录所述微带线的电压值USi，i＝1,…,n，n为校准频率点数；
将微带线的所述另一端端接负载终端，将近场探头连接所述频谱分析仪，针对所述可调信号发生器输出的每一所述校准频率，利用频谱分析仪感测并记录所述微带线的电压值UTi；
计算在各校准频率点的近场探头的修正因子，
若近场探头为电场近场探头，则计算公式为：
AFZi＝EZ-UTi+USi+13
公式中，AFZi为第i个校准频点的电场近场探头的修正因子，单位为dB/m；EZ为电场强度单位为dBV/m；或
若近场探头为磁场近场探头，则计算公式为：
AFHi＝Hx-UTi＝20log[d/πy(y+2d)]-UTi+USi-34
公式中，AFHi为第i个校准频率点的磁场近场探头的修正因子，单位为dBS/m；Hx为磁场强度，单位为dBA/m；d为微带线基板厚度，单位为m；y为磁场近场探头中心距微带线距离，单位为m。
5.根据权利要求4所述的利用微带线法校准近场探头修正因子的方法，其特征在于，在近场探头校准频率范围的最低频率至最高频率中，每10倍频程选取至少3个校准频点。
6.根据权利要求4所述的利用微带线法校准近场探头修正因子的方法，其特征在于，将可调信号源幅度设置为0dBm输出，并将可调信号源输出频率调至近场探头校准频率范围的最低校准频率，开始对微带线和近场探头的感测。
7.根据权利要求4所述的利用微带线法校准近场探头修正因子的方法，其特征在于，将近场探头置于微带线上方并使近场探头的探测端垂直于微带线基板平面且探测端与微带线主轴偏离角度不大于±5°，近场探头的中心位于微带线水平方向正中且偏差不大于±4mm，微带线表面到近场探头的距离为1.0mm且偏差不大于±0.1mm。
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