CN106707210A - 一种基于传输线的近场探头空间分辨率的行波校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于传输线的近场探头空间分辨率的行波校准方法，步骤1：近场探头空间分辨率校准标尺的设计；步骤2：近场探头空间分辨率的校准测量。本发明结合近场EMI测试系统中的接收机或频谱仪给定的幅度精度，基于传输线理论，以多导体平面传输线为构建平台，通过构建一个场分布特征可解析且校准精度在一定范围内可调的空间分辨率校准标尺。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于传输线的近场探头空间分辨率的行波校准方法，属于天线计量领域。
背景技术
在板级电磁干扰(EMI:Electromagnetic Interference)问题分析、整改时，常会利用近场探头对板上辐射源进行定位。而空间分辨率作为近场探头的一个重要技术参数对于定位的准确性有着十分重要的影响。
当前，可查阅到的近场探头空间分辨率的校准方法是对一条微带线激励，然后，在于微带线纵向延伸的方向相垂直的方向(即横向)从左至右移动近场探头，然后通过近场EMI测试系统中的接收机或频谱仪测量得到一条类似于正太分布的场分布曲线，并结合该曲线给出近场探头的空间分辨率。但是这种方法从测量学的角度并不科学，而且比较容易引入大的校准测量误差。首先，对于这种校准方法，以磁场探头为例，在探头移动的路径上场量的分布并不是处处与近场探头的感应线圈平面正交，且相应测试条件下，探头移动路径上的场分布本身也具有较高的复杂性，这就造成了用于对近场探头空间分辨率进行校准的电磁波场并不具有可塑性、可解析性。其次，在近场探头的移动路径上，场随探头移动距离的变化无论在对数域还是线性域，都不是线性的，这就造成了在探头移动过程中的每一点处，场量与探头的场-路耦合特性并不一致，同时，若将探头移动路径分割为很多距离大小相同的子段，那么不同子段所对应的场量变化是不同的，也就是说校准标尺本身对于校准参量的刻画并不是均匀且线性的，以这种标尺来刻画近场探头的空间分辨率是缺乏科学性的。此外，当前这种校准方法还会引起耦合比不统一而造成的校准误差。
基于上述原因，本发明提出了一种更为科学合理的近场探头空间分辨率校准方法，即一种基于传输线的近场探头空间分辨率行波校准方法。
发明内容
本发明的目的是：克服当前对近场探头空间分辨率的校准方法上存在的“场量空间分布特征不明确、不可塑且在线性域或对数域呈现非线性分布”、“近场探头空间分辨率的校准路径的选择具有随机性，且在探头的校准路径上场-路的耦合特性不一致”等缺陷。本发明克服了上述缺陷，结合近场EMI测试系统中的接收机或频谱仪给定的幅度精度，基于传输线理论，以多导体平面传输线为构建平台，通过构建一个场分布特征可解析且校准精度在一定范围内可调的空间分辨率校准标尺，给出了一种近场探头空间分辨率的校准方法。
本发明技术解决方案：
一种基于传输线的近场探头空间分辨率的行波校准方法，包括以下步骤：
步骤1：结合多导体均匀传输线在纯行波工作状态下，传输线上的电压波/电流波和传输线周围所激发出的横电磁波(TEM波：Transverse Electric and Magnetic Field)之间的关联关系，构建出用于校准近场探头空间分辨率，同时相应的电磁场分布具有可塑、可解析特征的校准标尺；
步骤2：以步骤1中构建出来的校准标尺为基础，结合近场EMI(ElectromagneticInterference)测量系统中的接收机或频谱仪，在校准标尺上所形成的特定的场分布区域上，完成对近场探头空间分辨率的校准测量。其中，特定场分布区域是指电壁或磁壁。
所述步骤1具体实现如下：
(1)选定用于构建校准标尺的多导体传输线的具体形式(比如：微带线、共面波导等)，由电磁学的相关理论公式可以推导出多导体均匀传输线在纯行波工作状态下，由于电磁信号在校准标尺中传输时会存在有传导损耗和介电损耗，沿传输线的信号传输方向，传输线上的电压波与电流波和传输线周围所激发的电磁波波场沿传输线信号传输方向会呈现出相同的指数衰减特性，这种衰减特征转化至对数域则会使场强变化量与空间位移变化量呈现出线性关联关系，这是利用传输线构建近场探头空间分辨率校准标尺的重要基础之一。其中决定指数衰减因子的衰减常数α以及传输线的特征阻抗Z0是与传输线的几何结构参数有关的，通过调整校准标尺的几何结构参数得到具有不同的衰减常数α和特征阻抗Z0；另外，结合三维全波电磁场仿真软件或已有的经验公式，通过对校准标尺的电磁仿真或计算，在阻抗匹配的条件下，获得校准标尺在不同的几何结构参数下的特征阻抗与衰减系数，进而通过多次的几何结构参数的调整，优化获得指定的衰减常数α与传输线的特征阻抗Z0，并记录下此时对应的几何结构参数作为后续校准标尺加工制作的参考输入信息；在不失一般性的前提下，后续将以共面波导为典型实例，对校准测量过程做详细说明。
(2)在实际加工制作完成的校准标尺的终端接匹配负载，输入端施加频率为f0的单音激励，使该校准标尺中的传输线工作在纯行波工作状态，通过调整激励源的大小使校准标尺周围激发的TEM波场的强度处在近场EMI测试系统中的接收机或频谱仪可测量的范围。从校准标尺几何结构参数的设计选择到调整校准标尺的输入激励强度，都可以根据实际校准测量的需要进行灵活的调整修正，同时，借助三维电磁场全波仿真软件或已有的经验公式，经过相应的仿真或计算还可以对相应传输线几何结构参数下的衰减常数α的大小进行预评估，进而做出必要的设计调整。因此，按此过程设计的校准标尺使得传输线周围所激发的电磁场分布具有很好的可解析性、可塑性。
所述步骤2具体实现如下：
(1)在校准标尺所形成的TEM波场的磁壁或电壁平面上沿着校准标尺的几何延伸方向匀速移动近场探头。校准标尺构建完成之后，相应的电磁波场的分布特性就确定下来了。接下来，需要考虑的一个重要问题就是在什么位置上对进场探头进行空间分辨率的校准。为了增强场路之间的耦合性，提高测量精度，本发明提出将测量位置选定在场分布中的磁壁或电壁上。近场探头分为电场探头和磁场探头，但由于磁场相对于空间位置的变化更为敏感，在近场EMI测试系统中，更多地会应用磁场探头。所以，在不失一般性的前提下，后续将以磁场探头为典型实例，对校准测量过程做详细说明。
(2)在探头移动过程中观察接收机或频谱仪的场强感应信号的最小变化量，并记录下该最小变化量所对应的探头沿校准标尺的移动距离。在磁壁平面上选定一条直线作为测量基准线，将磁场探头在测量基准线上匀速移动，在探头的移动过程中，标记相应测量系统中接收机或频谱仪的示数变化量。造成示数最小变化量所对应的探头移动距离即为该近场探头的空间分辨率。
(3)结合校准标尺的几何尺寸，衰减常数以及校准时所用的接收机或频谱仪的幅度精度和测量结果的置信度给出校准标尺本身的校准精度，另外由步骤(2)中所得测试结果给出相应近场探头经校准所得的空间分辨率的值。在本发明中，近场探头空间分辨率的表征方式应为“空间分辨率@幅度精度覆盖范围(置信度为xx％)”。以是德科技的PXIN9030A信号分析仪(所谓信号分析仪可以认为是对频谱仪的一种升级)为例，该信号分析仪在10Hz～3.6GHz范围内的幅度精度为±0.19dB，测量结果的置信度为95％，因此，如果在近场EMI测试系统使用此信号分析仪，按照前面所给出的近场探头空间分辨率的表征方式，对于某一近场探头，测得的空间分辨率可表示为：2mm@0.38dB(置信度为95％)。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)校准标尺的构建方法具有很好的通用性，并不局限于某一类特定的传输线，可以将该方法应用到不同的多导体均匀传输线上来构建校准标尺，比如：微带线、不带接地背板的带状线，带有接地背板的带状线等。对于能够传输TEM波且便于进行场分布测量空间的多导体均匀传输线都可以作为校准标尺的基本构建平台。同时，结合3维电磁场全波仿真软件，可以很方便地设计出针对某一类特定近场探头的空间分辨率校准标尺，具有很好的工程实用价值。
(2)由校准标尺产生的用于校准近场探头空间分辨率的电磁波场具有很好的可塑性、可控性，同时结合相应的近场EMI测量系统中的频谱仪或接收机的测量精度可以明确校准标尺本身的校准精度。因为对于典型的均匀多导体传输线(如微带线、共面波导等)，当其工作在纯行波状态时，传输线上的电压波/电流波是可塑的，可控的。这里所谓的“可塑性”或“可控性”主要体现在电压波/电流波在传输线上的传输常数，衰减常数等参数都是可解析(具有经验公式)或半解析的(无经验公式的条件下可以通过3维电磁场全波仿真软件仿真得到)，这些参数的数值基本都是与传输线的具体结构参数相关联的，即通过调整传输线的结构参数即可调整传输线上电压波/电流波的分布特性。此外，在纯行波工作状态下，结合麦克斯韦方程组还可以推导得到传输线上的电压波/电流波与其周围所激发的电磁波场具有紧密的关联关系，因而，从间接角度上看，通过调整传输线的结构参数即可实现对传输线周围电磁波场分布的调整。具体应用时，根据需要选择传输线的类型以及传输线的结构尺寸参数以构建最佳的校准标尺。同时，结合相应的近场EMI测试系统中的频谱仪或接收机的幅度精度参数，可进一步确定出所构建的校准标尺本身所对应的校准精度。综上所述，本发明给出了一种校准场分布特性可控、校准标尺精度可明确的校准标尺构建方法，具有重要的工程实用意义。
(3)由于选择特定的场分布平面(如磁壁、电壁)进行近场探头空间分辨率的校准，最大程度的增强了场-路间的耦合。这样可以排除校准路径选择的随机性，还可以保证在整个校准路径上场-路耦合特性的均匀一致性，排除由于场-路耦合关系的不一致性而造成的校准误差。另外，本发明所给出的这种校准方法，在校准过程中，使探头的感应线圈在磁壁或电壁平面上匀速移动且线圈平面与电壁或磁壁平面重合，这样可以使得在探头校准路径上的各点处保证场量是与探头的感应线圈平面是正交的，从而尽可能地提高场-路间的耦合度，提高校准精度。
(4)本发明中，在测量基准线(即校准路径)上移动近场探头时，在对数域(以dB表示)上，场量的变化量与位移的变化量之间呈现出线性关系，这对于探头空间分辨率的确定具有十分重要意义，实现了校准标尺针对校准参量的均匀线性刻画。这保证了测量结果具有很好的一致性，即从测量基准线上的任意一个位置作为校准的起始点，都不会影响最终的校准结果。
附图说明
图1为本发明的校准方法流程示意图；
图2共面波导中典型的TEM波场分布示意图；
图3终端匹配的均匀传输线电路结构示意图；
图4近场探头校准方法示意图；
图5近场探头在测量基准线上匀速移动过程示意图；
图6校准标尺精度说明示意图。
具体实施方式
对于共面波导，其典型的TEM波场空间分布形式如图2所示。以磁场探头为典型实例，用于探头空间分辨率校准的测量基准线位于共面波导的磁壁上，使磁场探头的感应线圈平行于磁壁平面，如图4所示，这里需要特别说明的是，为简化图示复杂度，图4中并未画出校准过程中所需的用于给校准标尺提供激励的激励源以及用于测量探头感应电压变化的接收机或频谱仪。此外，校准标尺终端匹配，处于纯行波工作状态。在此条件下，令探头沿着测量基准线匀速移动，移动过程的示意图如图5所示。在移动过程中记录，使接收机或频谱仪的感应示数出现最小变化量时探头的移动距离，该距离即为此近场探头的空间分辨率，用“空间分辨率@幅度精度覆盖范围(置信度为xx％)”进行表示。
如图1所示，本发明具体的实施方式如下：
步骤一：近场探头空间分辨率校准标尺的设计：
(1)多导体均匀传输线在TEM传输模式下形成的TEM波场
高频电磁波在多导体均匀传输线中传播时，由于在传播边界上存在传导损耗，在传输空间中存在介电损耗，随着传播距离的增大，场强的幅度会呈现指数规律衰减。可将其等效认为电磁波在均匀低耗媒质中进行传播，假定这里的电磁波是沿z轴正向传播的，因而有:
其中：表示电场波的复矢量，表示磁场波的复矢量，为TEM波中电场波的复振幅矢量，α为电磁波传播时的衰减因子，β表示该TEM电磁波的传播常数。和分别表示x轴方向与y轴方向的单位矢量。
(2)多导体均匀传输线上纯行波工作状态下的电压波与电流波：
如图3所示，多导体传输线的特征阻抗为Z0，传输线的纵向延伸方向设为z轴正向，传输线上的电压波和电流波分别用V(z)和I(z)进行表示，假定传输线上的电压波与电流波沿z轴正向传播，
其中，表示传输线上电压波的振幅，Z0表示该传输线的特性阻抗，γ表示该电压波和电流波的复传播常数，且：
γ＝α+jβ
上式中α对应的是衰减常数，β对应的是传输常数。
(3)传输线上的电压波/电流波和TEM波场的关联关系：
假定TEM波在多导体传输线中沿+z方向传播且传输线的终端端接匹配负载。相应的，在传输线的信号传播方向上任意一点P(x,y,z)所对应的平面Z＝z0处，有：
其中表示在低耗媒质中的波阻抗，fx(x，y)和fy(x，y)分别表示该TEM波的电场波在波阵面上+x轴方向上分量和+y轴方向上分量的分布函数。其余变量含义与前面一致。
进一步，有：
其中V(z)|P和I(z)|P分别表示传输线上P点处的电压波和电流波的幅度大小。M和N分别为与变量z无关的常数。C为环绕传输线的任一闭合路径，ref为参考零电势点。
综合上所述，可以明确多导体传输线上的电压波/电流波与电磁波沿波的传播方向上，波幅的变化特征是一致的。基于这种关联性，相应的场分布特征具有很好的可解析性、可控性。因此，可以将产生具有这种类似特征形式场分布的多导体传输线作为近场探头空间分辨率的校准标尺构建平台。对此，本发明实施例以共面波导为典型实例，如图4所示。
步骤二：近场探头空间分辨率的校准测量：
(1)对近场探头实现校准测量的基本过程：
如图4所示，假定共面波导的终端连接有匹配负载(在此没有画出)。在共面波导的输入端施加有一个单音激励f0，在该频率下，共面波导处于TEM模的传输模式(主模)，还未出现(显著的)高次模。在共面波导信号线的中线上方高度为h处划定一条与信号线中线相平行的直线，该直线位于磁壁面上，此条直线被定义为“测量基准线”。如图5所示，使近场探头的感应线圈处于磁壁面上，并沿着测量基准线匀速移动。
接收机/频谱仪对场量进行测量时，提取到的是场量的模值/有效值。在探头校准时，由于被测对象是正弦时变场，结合接收机/频谱仪的测量特性，对法拉第电磁感应定律进行广义应用，即将测量基准线上场量模值或有效值的变化规律等价认为是随距离按指数衰减规律变化的分区段匀强场。这里以圆形磁场探头为例，结合图5进行如下推导：
εind1表示在图5中，感应线圈的圆心从z1到z2的移动过程中，感应线圈上所产生的感应电动势，εind2表示在图5中，感应线圈的圆心从z2到z3的移动过程中，感应线圈上所产生的感应电动势。分别代表图5中区域1到区域7中的磁通密度矢量的有效值。S1～S7分别代表图5中区域1至区域7的面积。t1～t3分别代表线圈移动过程中的连续3个时刻点。
同时，注意到：
S1＝S3＝S5＝S7，S2＝S4＝S6＝S8
因此，有：
进一步，有：
Δεind＝-α·Δz(Np)＝-8.686α·Δz(dB)
其中，Δz表示在两个相邻的时刻点上，线圈位移的变化量，如图5所示；Δεind表示在两个相邻的时刻点上，探头感应线圈上的感应电动势的变化量。
因此，在测量基准线上，近场探头的感应电动势的变化量与探头的移动距离之间呈现线性变化关系。利用这种对数域的线性关系，即可完成对近场探头空间分辨率的校准。采用类似的方法，可以证明，对于任意形状的磁场探头，上述对数域内的线性变化关系都是成立的。因此本专利提出的方法具有很好的工程通用性。
(2)校准标尺的精度控制：
如图6所示，结合前面所讨论的近场探头空间分辨率的表示方法，可以得出校准标尺的精度可由下面的表达式给出：
(接收机或频谱仪的幅度精度覆盖范围)
＝-8.686α·(校准标尺的校准精度)(dB)
由于近场EMI测量系统中的接收机或频谱仪的幅度精度覆盖范围是确定的，所以，对于校准精度的主要影响因素即为校准标尺的衰减常数α。事实上：
α＝αc+αd
其中αc是指TEM波在相应的多导体传输线中传播时对应的介电损耗常数，αd是指TEM波在相应的多导体传输线中传播时对应的传导损耗常数，α是指指TEM波在相应的多导体传输线中传播时总的衰减常数。对于常规的共面波导(CPW：Coplanar Waveguide)以及微带线，它的衰减常数有具体的计算公式,对于带接地背板的共面波导(CBCPW：Conductor-backed Coplanar Waveguide)，其衰减常数的计算较为复杂，当前并没有较为明确的解析公式，但可以通过电磁场全波仿真软件仿真得到近似解。衰减常数本身是与多导体传输线的结构参数有关的，因此，这样可以通过调整结构尺寸参数来调整衰减常数的大小，进而实现对校准标尺校准精度的调整。
Claims (3)
1.一种基于传输线的近场探头空间分辨率的行波校准方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：结合多导体均匀传输线在纯行波工作状态下，传输线上的电压波/电流波和传输线周围所激发出的横电磁波(TEM波：Transverse Electric and Magnetic Field)之间的关联关系，构建出用于校准近场探头空间分辨率，同时相应的电磁场分布具有可塑、可解析特征的校准标尺；
步骤2：以步骤1中构建出来的校准标尺为基础，结合近场EMI(ElectromagneticInterference)测量系统中的接收机或频谱仪，在校准标尺上所形成的特定的场分布区域上，完成对近场探头空间分辨率的校准测量；其中，特定场分布区域是指电壁或磁壁。
2.根据权利要求1所述的基于传输线的近场探头空间分辨率的行波校准方法，其特征在于：所述步骤1具体实现如下：
(1)选定用于构建校准标尺的多导体传输线的具体形式，具体形式包括微带线、共面波导；传输线上的电压波与电流波和由传输线激发的电磁波场沿信号传输方向会呈现出相同的指数衰减特性，其中决定指数衰减因子的衰减常数α以及传输线的特征阻抗Z0是与传输线的几何结构参数有关的，通过调整校准标尺的几何结构参数得到具有不同的衰减常数α和特征阻抗Z0；另外，结合三维全波电磁场仿真软件或已有的经验公式，通过对校准标尺的电磁仿真或计算，在阻抗匹配的条件下，获得校准标尺在不同的几何结构参数下的特征阻抗与衰减系数，进而通过多次的几何结构参数的调整，优化获得指定的衰减常数α与传输线的特征阻抗Z0，并记录下此时对应的几何结构参数作为后续校准标尺加工制作的参考输入信息；
(2)在实际加工制作完成的校准标尺的终端接匹配负载，输入端施加频率为f0的单音激励，使该校准标尺中的传输线工作在纯行波工作状态，通过调整激励源的大小使校准标尺周围激发的TEM波场的强度处在近场EMI测试系统中的接收机或频谱仪可测量的范围，从校准标尺几何结构参数的设计选择到调整校准标尺的输入激励强度，都可以根据实际校准测量的需要进行灵活的调整修正，同时，借助三维电磁场全波仿真软件或已有的经验公式，经过相应的仿真或计算对相应传输线几何结构参数下的衰减常数α的大小进行预评估，进而做出必要的设计调整，按此过程设计的校准标尺使得传输线周围所激发的电磁场分布具有很好的可解析性、可塑性。
3.根据权利要求1所述的基于传输线的近场探头空间分辨率的行波校准方法，其特征在于：所述步骤2具体实现如下：
(1)在校准标尺所形成的TEM波场的磁壁或电壁平面上沿着校准标尺的几何延伸方向匀速移动近场探头；
(2)在探头移动过程中观察接收机或频谱仪的场强感应信号的示数最小变化量，并记录下该最小变化量所对应的探头沿校准标尺的移动距离；
(3)结合校准标尺的几何尺寸，衰减常数以及校准时所用的接收机或频谱仪的幅度精度和测量结果的置信度给出校准标尺本身的校准精度，另外由步骤(2)中所得测试结果给出相应近场探头经校准所得的空间分辨率的值。
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