CN105891611B - 一种宽频带的微型近场电场测试探头 - Google Patents
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Abstract
一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，它至少包括微型同轴连接器SMA接头以及电场探头本体；电场探头本体是基于印刷电路板PCB工艺的四层电路板；电场探头本体包括顶层屏蔽平面、底层屏蔽平面、中间1层平面、带状线、信号过孔、信号过孔周围的同轴过孔阵列、CB‑CPW中心导体以及CB‑CPW心导体两侧的栅栏式过孔阵列。电场探头本体采用PCB工艺对电场探头本体的设计加工，实现了电场探头本体的微型化，减少了测试时探头本身对电场的扰动，提高了测试精度，采用栅栏式过孔阵列抑制宽频带内电场探头的谐振，采用同轴过孔阵列实现宽频带的阻抗匹配，解决了宽频带近场测试需要多个频段的探头配合使用才能完成测试的问题，提高宽频近场测试工作的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽频带的微型近场电场测试探头，属于电磁泄漏和电磁场领域。
背景技术
由于微波集成电路的微型化和高速化，电磁干扰已经越来越明显，这已经影响到了电路的正常工作。同时，电路原件之间狭小的物理分布空间，正产生正困扰电路设计人员的电磁兼容问题(EMC)。能够辨别噪声源和电磁干扰源成为重新设计和整改电路的一种有效方法。
探头作为一个关键部件，可以检测具有很宽电磁频谱的电磁干扰源，将探头放置距离设备很近的位置，移动探头来定位干扰源的测试，被称为近场扫描。近场扫描是定位电路元器件和印刷电路板走线干扰源的重要方法。在近场扫描中，使用经过校准和补偿的探头来获取精确的电场强度和磁场强度。磁场探头是感性地感应电流，电场探头是容性地感性电压，电场和磁场在近场扫描中都需要被检测。
电磁干扰的频谱很宽，目前市面上的近场扫描传感器无法完成宽频带的电磁干扰测试，使得对电磁干扰的宽频带测试成为了新的技术难题。在过去，大多数探头都采用同轴线绕制的方法制作，这种类型的探头很难实现微型化，在近场测试中会对原来分布的电磁场造成较大的扰动，因而会使测试结果不准确。为了满足电子行业的发展需求，针对近场扫描中的电场检测，本发明研制了一种宽频带的微型近场电场测试探头。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种宽频带的微型近场电场测试探头，目的是有效地完成宽频带近场电场测试，提高我国电子行业的发展。
为了完成上述目的，本发明的方案如下：
一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，它至少包括微型同轴连接器(SMA接头)以及电场探头本体；所述的SMA接头型号为美国西南微波公司研制的超级SMA(Super SMA)连接器，具体型号为292-04A-6，所述的电场探头本体的设计和制作是基于印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺的四层电路板；所述的电场探头本体包括顶层屏蔽平面、底层屏蔽平面、中间1层平面、带状线、信号过孔、信号过孔周围的同轴过孔阵列、金属背面支撑共面波导(Conductor-backed coplanar waveguide，CB-CPW)中心导体以及CB-CPW中心导体两侧的栅栏式过孔阵列；
所述的电场探头本体，呈凸字型结构，突出的一端为顶端，另一端为底端；顶端用于电场信号检测，底端用于手持和SMA接头的安装，凸字型结构可以在方便固定、安装SMA接头的前提下减小电场探头本体的尺寸，有利于实现电场探头的微型化，进而减小在测试时电场探头对原有电磁场的扰动；
所述的顶层屏蔽平面在底端开长方形缝隙，防止所述的CB-CPW中心导体在顶层布线时与顶层屏蔽平面连接；
所述的底层屏蔽平面底端开出一个圆形反焊盘，防止信号过孔与底层屏蔽平面连接；
所述的中间1层平面开一个半圆型的反焊盘，防止信号过孔与中间1层平面连接；
所述的CB-CPW中心导体位于顶层屏蔽平面开的长方形缝隙内，所述的顶层屏蔽平面作为CB-CPW的地平面，所述的中间1层平面作为CB-CPW的金属背面；所述的CB-CPW中心导体作为馈电线，一端与SMA接头连接，另一端通过信号过孔与带状线的另一端连接；所述的共面波导中心导体两侧对称分布的接地过孔连接顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面，构成栅栏式过孔阵列，抑制磁场探头的谐振；
所述的带状线位于中间2层，被顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面屏蔽，一端通过所述的信号过孔与CB-CPW中心导体连接，另一端一直延伸到比所述的电场探头本体顶端多出一部分，多出的部分称为尖端，用于接收外部电场信号；感应到的电流通过所述的带状线、信号过孔、CB-CPW中心导体、SMA接头传播，在顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面返回；
所述的带状线和CB-CPW的特性阻抗均为50Ω；
所述的信号过孔周围的接地过孔连接顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面，每一个接地过孔到信号过孔的距离相等为0.9～1.3mm，构成同轴过孔阵列，实现探头宽频带的阻抗匹配；
所述的CB-CPW导中心导体的长度5～8mm；所述的信号过孔直径为0.2mm～0.3mm，到所述的电场场探头本体两侧边缘的水平距离相等。
所述的接地过孔直径为0.2mm～0.3mm；
所述的信号过孔直径为0.2mm～0.3mm；
所述的尖端长度为4mm～6mm；
所述的宽频带是300kHz～20GHz。
所述的微型是探头的尺寸为Ф50mm×10mm～Ф90mm×20mm。
本发明设计的一种宽频带的微型近场电场测试探头的有益效果是：
本发明所提供的一种宽频带的微型近场电场测试探头与传统同轴线屏蔽式电场探头相比，本发明所述的磁场探头的尺寸可以做到很小，参数测试在300kHz～20GHz内平滑无谐振，同时所述的电场本体设计与加工采用成熟的PCB加工工艺，降低了生产成本，所述电场探头本体的结构简单，工程人员容易掌握所述电场探头本体的加工，另一方面工程人员也可以根据实际工程需要，结合本发明电场探头本体的尺寸和相关参数获得不同分辨率和工作频带的电场测试探头。
本发明优点及功效在于：电场探头本体采用PCB工艺完成了对所述电场探头本体的设计加工，实现了电场探头本体的微型化，减少了测试时探头本身对电场的扰动，提高了测试精度，采用栅栏式过孔阵列抑制宽频带内电场探头的谐振，采用同轴过孔阵列实现宽频带的阻抗匹配，解决了宽频带近场测试需要多个频段的探头配合使用才能完成测试的问题，提高宽频近场测试工作的效率。
附图说明
图1为一种宽频带的微型近场电场测试探头本体的俯视图。
图2(a)为一种宽频带的微型近场电场测试探头顶层的俯视图。
图2(b)为一种宽频带的微型近场电场测试探头中间1层的俯视图。
图2(c)为一种宽频带的微型近场电场测试探头中间2层的俯视图。
图2(d)为一种宽频带的微型近场电场测试探头底层的俯视图。
图3为一种宽频带的微型近场电场测试探头与微带线组成的仿真系统。
图4为一种宽频带的微型近场电场测试探头与微带线、适量网络分析构成的测试系统。
图5为一种宽频带的微型近场电场测试探头的仿真和测试的S21曲线。
附图标号说明如下：
1-SMA接头，2-反焊盘，21-栅栏式过孔阵列，22-同轴过孔阵列，31-顶层屏蔽平面，32-中间1层平面，33-带状线，34-底层屏蔽平面，35-CB-CPW中心导体，36-顶层长方形缝隙，4-信号过孔，5-微带线，6-50Ω匹配负载，7-矢量网络分析仪，8-同轴线。
具体实施方式
结合附图，将进一步阐明一种宽频带的微型近场电场测试探头各部分的结构、位置关系与功能。
图1、图2(a)-(d)清晰展示了本发明涉及的一种宽频带高分辨率的微型近场电场测试探头本体的结构。
电场探头包括SMA接头1和探头本体，探头本体加工制作采用PCB印刷电路板，该电路板是一个4层板结构，其可用工作频带为300kHz～20GHz，SMA接头1型号为美国西南微波生产的292-04A-6，其最高适用频率可达27GHz。顶层屏蔽平面31位于顶层，其厚度为1.5oz，底层屏蔽平面34位于底层，厚度为1.5oz，顶层屏蔽平面34与底层屏蔽平面35形成屏蔽腔，可以有效地抑制外部的干扰信号，提高电场灵敏度。底层屏蔽平面34底端开一个圆形的反焊盘2，防止信号过孔4与底层屏蔽平面34连接，反焊盘2的半径为0.35mm；带状线33位于中间2层，厚度为0.5oz，宽度为0.42mm，一端通过所述的信号过孔4与CB-CPW中心导体35连接，另一端一直延伸到比所述的电场探头本体顶端多出一部分，多出的部分称为尖端，用于接收外部电场信号；感应到的电流通过所述的带状线33、信号过孔4、CB-CPW中心导体35、SMA接头1传播，在顶层屏蔽平面31和底层屏蔽平面34返回；尖端的长度与电场探头的谐振有关，本实施例中尖端的长度为4mm。CB-CPW中心导体35位于顶层，其厚度为1.5oz，宽度为0.48mm，CB-CPW中心导体35边缘到顶层长方形缝隙36边缘的水平距离为0.28mm，中间1层平面32作为CB-CPW的金属背面，顶层屏蔽平面31为其参考地平面。中间1层平面32开一个半圆型的反焊盘2，防止信号过孔与中间1层平面连接，反焊盘2的半径为0.35mm；CB-CPW中心导体35作为所述电场探头的馈电线，一端与SMA接头1连接，另一端通过信号过孔4与带状线33一端连接。CB-CPW、带状线33与SMA接头1的特性阻抗均为50Ω，以减少三者连接时因足因阻抗不匹配造成的信号反射。CB-CPW中心导体35的两侧以0.52mm的间距均匀分布接地过孔，将CB-CPW中心导体35围起来，这些接地过孔类似栅栏，形成栅栏式过孔阵列21以抑制探头在宽频带内的谐振。带状线33与CB-CPW中心导体35在信号过孔4的连接处，阻抗会发生突变，因此信号过孔5周围均匀等间距分布接地过孔构成同轴过孔阵列22以补偿阻抗突变，接地过孔的个数为6～8个(本发明中的一个实施例为6个)，每个接地过孔到信号过孔4的间距相等，为0.9～1.3mm(本发明中的一个实施例为1.3mm)。信号过孔、所有接地过孔的尺寸尽可能选择PCB加工工艺所能承受的最小尺寸，在本发明中三者的半径均为0.125mm。
如图3所示，将设计的电场测试探头与微带线5(微带线基板的尺寸为80mm×50mm×1.6mm，基板材料为Rogers4350B)构成仿真系统，电场测试探头顶端距离微带线5中心为1mm；微带线5一端定义为端口1，另一端接50Ω匹配负载6，SMA接头1定义为端口2。所设计的探头宽频带具有特点，频域仿真算法会耗时耗力，为了提高仿真效率和仿真结果的正确性，仿真采用软件“计算机仿真技术”(Computer Simulation Technology，CST)的微波工作室，仿真算法采用时域算法。
如图4所示，将研制的电场测试探头、微带线5(微带线基板的尺寸为80mm×50mm×1.6mm，基板材料为Rogers4350B)与矢量网络分析仪7(型号为Agilent E5071C 300kHz～20GHz)构成测试系统，微带线5一端端接50Ω匹配负载6，另一端通过同轴线8与矢量网络分析仪7端口71相接，SMA接头1经过同轴线8与矢量网络分析仪7端口72相接(矢量网络分析仪Agilent E5071C 300kHz～20GHz一共有4个端口，任意选择其中两个，本实发明中选择了端口1和端口2)。电场测试探头顶端距离微带线5中心为1mm。设置矢量网络分析仪7的平均功率为5mW。测试S21曲线。如图5所示，仿真的S21曲线与测试的S21曲线吻合得很好，在300kHz～20GHz频带内，S21曲线平稳、平滑，可以证明所研制的探头能在这个频带内较为准确的测试。
需要指出的是，本发明公开的技术手段、设计方法不仅限于本发明，同时也适用于结合本发明设计思想、方法、技术手段以及本发明所述的技术特征所衍生出的其他方案，因此这些所衍生出的其他方案都应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：它至少包括微型同轴连接器SMA接头以及电场探头本体；所述的电场探头本体的设计和制作是基于印刷电路板PCB工艺的四层电路板；所述的电场探头本体包括顶层屏蔽平面、底层屏蔽平面、中间1层平面、带状线、信号过孔、信号过孔周围的同轴过孔阵列、CB-CPW中心导体以及CB-CPW中心导体两侧的栅栏式过孔阵列；
所述CB-CPW中文含义为金属背面支撑共面波导；
所述的电场探头本体，呈凸字型结构，突出的一端为顶端，另一端为底端；顶端用于电场信号检测，底端用于手持和SMA接头的安装；
所述的顶层屏蔽平面在底端开长方形缝隙，防止CB-CPW中心导体在顶层布线时与顶层屏蔽平面连接；
所述的底层屏蔽平面底端开出一个圆形反焊盘，防止信号过孔与底层屏蔽平面连接；
所述的中间1层平面开一个半圆型的反焊盘，防止信号过孔与中间1层平面连接；
所述的CB-CPW中心导体位于顶层屏蔽平面开的长方形缝隙内，所述的顶层屏蔽平面作为CB-CPW的地平面，所述的中间1层平面作为CB-CPW的金属背面；所述的CB-CPW中心导体作为馈电线，一端与SMA接头连接，另一端通过信号过孔与带状线的另一端连接；所述的共面波导中心导体两侧对称分布的接地过孔连接顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面，构成栅栏式过孔阵列，抑制磁场探头的谐振；
所述的带状线位于中间2层，被顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面屏蔽，一端通过所述的信号过孔与CB-CPW中心导体连接，另一端一直延伸到比电场探头本体顶端多出部分，多出的部分称为尖端，用于接收外部电场信号；感应到的电流通过所述的带状线、信号过孔、CB-CPW中心导体及SMA接头传播，在顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面返回；
所述的信号过孔周围的接地过孔连接顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面，每一个接地过孔到信号过孔的距离相等，构成同轴过孔阵列，实现探头宽频带的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：SMA接头型号为美国西南微波公司研制的超级SMA(Super SMA)连接器，具体型号为292-04A-6。
3.根据权利要求1所述的一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：所述的带状线和CB-CPW的特性阻抗均为50Ω。
4.根据权利要求1所述的一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：所述的CB-CPW中心导体的长度5～8mm。
5.根据权利要求1所述的一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：所述的信号过孔直径为0.2mm～0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：所述接地过孔到信号过孔的距离0.9～1.3mm。
7.根据权利要求1所述的一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：所述的接地过孔直径为0.2mm～0.3mm。
8.根据权利要求1所述的一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：所述的尖端长度为4mm～6mm。
9.根据权利要求1所述的一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：所述的宽频带是300kHz～20GHz。
10.根据权利要求1所述的一种宽频带的微型近场电场测试磁探头，其特征在于：所述的微型是探头的尺寸为Ф50mm×10mm～Ф90mm×20mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yan Zhaowen Inventor after: Wang Jianwei Inventor after: Su Donglin Inventor after: Xie Shuguo Inventor before: Yan Zhaowen Inventor before: Wang Jianwei Inventor before: Xie Shuguo |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |