CN109521374B - 嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头 - Google Patents

嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头 Download PDF

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Abstract

一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，电场探头至少由改进型的偶极子、谐振器及集成巴伦组成；改进型偶极子有2个偶极子臂，每一个偶极子臂包含3个矩形方片，每一个偶极子臂是由折叠的偶极子臂、3个矩形方片和通孔过孔构成；3个矩形方片分别位于顶层、中间1层和底层；折叠偶极子臂位于中间2层；折叠偶极子臂与3个矩形方片通过通孔过孔相连接；谐振器由短路、开路的短截线构成；短路短截线位于中间1层，起到电感的作用；开路短截线位于中间2层，起到电容的作用；集成巴伦被嵌入到印刷电路板内，不是外接的巴伦；集成巴伦是由2段四分之一波长短路传输线和1段折叠的二分之一波长开路传输线构成；集成巴伦位于中间2层。

Description

嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头
【技术领域】
本发明涉及一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，用于工作在窄带的微波射频电路表面切向微弱电场的提取，射频干扰路径的追踪，属于电磁泄露和电磁场近场测试领域。
【背景技术】
现在射频系统正朝着紧凑化和高集成度发展，性能也逐渐趋于完善，布线密度也比以往的电子电路要很高多。来自射频系统的辐射会耦合到敏感电路元件(部件)、天线、射频系统中的接收机中，使得射频干扰故障的诊断对于射频工作者来说，已经成为日趋严重的挑战。要想进一步提高射频系统的可靠性和稳定性，首先需要准确定位和跟踪射频干扰源。近场测试探头，作为近场测试的关键传感器，已在电磁干扰和电磁兼容测试中得到了广泛应用。近些年，一些专利和论文围绕如何延展近场测试探头的工作带宽，提高近场测试探头的空间分辨率以及提升近场测试探头的灵敏度介绍了一些专家学者的工作。对于窄带电磁兼容辐射测试中，特定频点的辐射才是测试人员的关注重点，此时由于谐振探头良好的阻抗匹配而表现出的高灵敏度，使得谐振探头更适合于窄带弱辐射环境的测试。
电小尺寸的环可以用来设计磁场探头，捕获磁场信号；电小尺寸的单偶极子可以用来设计法向电场探头，检测与电路表面垂直的电场分量；电小尺寸的偶极子可以用来设计切向电场探头，检测与电路表面平行的电场分量。相关的技术文档已经对磁场探头和法向电场探头做了很详细的介绍，但是谐振的切向电场探头还没有相应的技术资料。基于偶极子建模构建干扰源需要测试平行的电场分量，研究磁场探头的环带来的偶极子效应也需要准确测试电场的平行分量。为了解决上述技术难题，满足电子行业的发展需求，针对工作在GPS频带内的射频电路，测试平行于电路表面的水平电场分量，本发明研制了一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头。
【发明内容】
本发明设计了一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，目的是提取工作于GPS频带内的射频电路表面切向的电场分量，协助射频工程师完成对射频电路故障的诊断，为提升电子系统性能提供有利的测试手段。
为了满足上述目的，本发明的方案如下：
一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，它至少由改进型的偶极子、谐振器及集成巴伦组成。
该电场探头的设计和加工是基于四层印刷电路板结构；所述的四层印刷电路板结构从上至下依次是顶层，中间1层，中间2层和底层。
所述的改进型偶极子、谐振器和集成巴伦级联；
所述的改进型偶极子有2个偶极子臂，每一个偶极子臂包含3个矩形方片，每一个偶极子臂是由折叠的偶极子臂、3个矩形方片和通孔过孔构成。所述的3个矩形方片分别位于顶层、中间1层和底层。所述的折叠偶极子臂位于中间2层。折叠偶极子臂与3个矩形方片通过通孔过孔相连接。所述的改进型偶极子实现的有益效果是，增加谐振切向电场探头的灵敏度而不使谐振切向电场头的空间分辨率恶化。
所述的谐振器由短路、开路的短截线构成；所述的短路短截线位于中间1层，起到电感的作用；所述的开路短截线位于中间2层，起到电容的作用；所述的谐振器实现的有益效果是，通过调节短路、开路的短截线的长度，调谐频率，达到特定的谐振频点。
所述的集成巴伦被嵌入到印刷电路板内，不是外接的巴伦；所述的集成巴伦是由2段四分之一波长短路传输线和1段折叠的二分之一波长开路传输线构成；所述的集成巴伦位于中间2层；所述的集成巴伦实现的有益效果是，将改进型的偶极子输出的差模电压转换为共模电压，并将改进型的偶极子的输入阻抗转换为与仪器的输入阻抗相匹配的阻抗。
本发明的优点及有益效果是：一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头具有很高的灵敏度，采用嵌入集成巴伦的结构省去了外接巴伦，实现的测试设备的便携性和测试效率的高效性；改进型的偶极子提高了灵敏度而又保持了空间分辨率不恶化；有效地解决了GPS频带内，弱辐射情况下，电路表面切向电场分量难提取的技术难题；本发明充分公开了切向谐振探头的设计方法，工程、设计人员可以根据测试需求和工程项目需要，灵活地改变组成谐振器的短路、开路短截线的长度获得不同的谐振频点，进而完成不同的窄频带内的电路切向电场分量的提取；本发明采用的设计工艺是成熟的印刷电路板工艺，对于批量生产需求，具有可移植性、可复制性、低成本、短开发周期等优点。
本发明所提供的一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，为工作在窄频带内的电路表面切向电场分量提取提供了有效的测试器件。具有高灵敏度，可以有效提取到弱辐射环境中的切向电场分量，为基于偶极子建模的实验验证提供了测试手段，为研究磁场探头环的“偶极子效应”提供了辅助验证手段。同时也为其他窄带射频电子系统(WIFI系统、GSM系统、蓝牙系统)电路表面切向电量的提取而研制高性能的近场磁场和电场测试探头提供了设计方法论思想和研制方法。
【附图说明】
图1为嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的印刷电路板叠层结构图。
图2为嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的整体结构俯视图。
图3(a)为嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的顶层平面展开图。
图3(b)为嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的中间1层平面展开图。
图3(c)为嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的中间2层平面展开图。
图3(d)为嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的底层平面展开图。
图4为嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的谐振特性测试装置图。
图5为嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头测试和仿真的|S12|曲线。
附图标号说明：
1-1：SMA接头，1-2：带有金属背板的共面波导中心金属导体，
1-3：信号过孔，1-4：带状线，1-5：集成巴伦，1-6：谐振器，
1-7：改进型偶极子，1-8：通孔过孔，
2-1：反焊盘，2-2：矩形方片，2-3：折叠偶极子，2-4：开路短截线，
2-5：短路短截线，2-6：短路接地过孔，2-7：四分之一波长短路传输线，
2-8：折叠的二分之一波长开路传输线，
3-1：矢量网络分析仪，3-2：同轴线缆，3-3：50Ω校准微带线，
3-4:50Ω匹配负载。
【具体实施方式】
结合附图，进一步阐明一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头各组成部分的具体结构、各组成部分的功能以及各组成部分结构的位置关系。
图1展示了本发明涉及的一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的印刷电路板的叠层结构图。采用四层印刷电路是为了满足叠层结构的对称性。实现加工工艺基于高性能、低损耗的罗杰斯材料4350B和4450F，原因是由于罗杰斯材料能适用于射频的频段。0.2mm厚度的罗杰斯4450F板材作为四层印刷电路板的叠层结构中的半固化片。两块0.254mm厚度的覆铜罗杰斯4350B板材分别位于叠层结构中的顶端和底端。一块0.254mm的非覆铜罗杰斯4350B板材位于叠层结构中的正中心。图1中所展示的本发明涉及的一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的印刷电路板的叠层结构，是一个“假六层的叠层结构”，对于罗杰斯板材而言，相比于传统四层印刷电路板的叠层结构具有更优的机械性能。顶层和底层的铜的厚度为0.05mm，中间1层和中间2层的铜的厚度为0.017mm。
图2展示了本发明涉及的一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的整体结构俯视图。从上至下，SMA接头1-1，带有金属背板的共面波导中心金属导体1-2，信号过孔1-3，带状线1-4，集成巴伦1-5，谐振器1-6与改进型偶极子1-7依次连接。SMA接头1-1与带有金属背板的共面波导中心金属导体1-2通过压合的方式连接。
图3依次展示了本发明涉及的一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头顶层展开平面图，中间1层展开平面图(图3(b))，中间2层展开平面图(图3(c))和底层展开平面图(图3(d))。
本实施例子中，反焊盘2-1位于中间1层，2个矩形方片2-2位于中间1层；2段短路短截线2-5位于中间2层，在中间2层上又设置2个矩形方片2-2；折叠偶极子2-3位于中间2层，2段开路短截线2-4位于中间2层；位于中间1层的短路短截线2-5和位于中间2层的开路短截线2-4组成谐振器；2段四分之一波长短路传输线2-7和1段折叠的二分之一波长开路传输线2-8位于中间2层，两者构成集成巴伦；在底层又放置反焊盘2-1和2个矩形方片2-2。
改进型的偶极子1-7由1个折叠偶极子2-3、6个矩形方片2-2、和12个通孔过孔1-8构成。改进型的偶极子1-7关于中心呈轴对称结构。每一个矩形方片2-2的物理尺寸为0.3mm×3mm。通孔过孔1-8的直径为0.25mm。
谐振器1-6由短路短截线2-5和开路短截线2-4构成。短路短截线2-5和开路短截线2-4在本质上都是带状线1-4，两者的长度都小于调谐频率对应的四分之一波长。开路短截线2-4位于中间2层，开路短截线2-4的物理长度为7mm，短路短截线2-5位于中间1层，短路短截线2-4的物理长度为7.6mm.
顶层和底层分别开2个反焊盘2-1，防止短路短截线2-5和开路短截线2-4通过通孔过孔连接而造成短路。反焊盘2-1的直径为0.6mm。
集成巴伦1-5由2段四分之一波长短路传输线2-7和1段折叠的二分之一波长开路传输线2-8构成。集成巴伦1-5位于中间2层。
对本发明所设计的一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头的谐振特性进行测试，参考图4。50Ω校准微带线3-3端接宽带50Ω匹配负载3-4，保证行波沿着x轴传播。所设计的谐振切向电场探头按照图4的要求放置在50Ω校准微带线3-3上方2mm的高度并沿y轴偏离3.3mm。在同一高度处，沿着y轴偏离3.3mm位置是50Ω校准微带线3-3y轴方向电场强度的最大值。矢量网络分析仪3-1的型号为Keysight E5071C 9kHz～20GHz，设置测试频带为1.1GHz到1.9GHz。矢量网络分析仪3-1的端口2通过同轴线缆3-2连接50Ω校准微带线3-3，端口1通过同轴线缆3-2连接到谐振切向电场探头的SMA接头1-1。
所测试得到的S12幅度如图5所示，仿真的|S12|曲线与测试得到|S12|曲线吻合得很好，测试测得到的谐振频点为1.581GHz，仿真得到的谐振频点为1.576GHz。从S12的幅度角度看，对本发明所设计的一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头在特定的窄带范围内由跟高的灵敏度。
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、发明方法、技术手段以及本发明所述的技术特征所衍生出的其它方案、发明方法、发明产品，因此这些所衍生出的其它方案、发明方法、发明产品都应视为本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，该电场探头的设计和加工是基于四层印刷电路板结构；所述的四层印刷电路板结构从上至下依次是顶层，中间1层，中间2层和底层；
其特征在于：电场探头至少由改进型的偶极子、谐振器及集成巴伦组成；
所述的改进型偶极子、谐振器和集成巴伦级联；
所述的改进型偶极子有2个偶极子臂，每一个偶极子臂是由折叠偶极子臂、3个矩形方片和通孔过孔构成；所述的3个矩形方片分别位于顶层、中间1层和底层；所述的折叠偶极子臂位于中间2层；折叠偶极子臂与3个矩形方片通过通孔过孔相连接；
所述的谐振器由短路、开路的短截线构成；所述的短路短截线位于中间1层，起到电感的作用；所述的开路短截线位于中间2层，起到电容的作用；
所述的集成巴伦被嵌入到印刷电路板内，不是外接的巴伦；所述的集成巴伦是由2段四分之一波长短路传输线和1段折叠的二分之一波长开路传输线构成；所述的集成巴伦位于中间2层。
2.根据权利要求1所述的嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，其特征在于：改进型的偶极子关于中心呈轴对称结构；每一个矩形方片的尺寸为0.3mm×3mm；通孔过孔的直径为0.25mm。
3.根据权利要求1所述的嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，其特征在于：短路短截线和开路短截线都是带状线，两者的长度都小于调谐频率对应的四分之一波长；开路短截线的长度为7mm，短路短截线的长度为7.6mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，其特征在于：顶层和底层分别开2个反焊盘，防止短路短截线和开路短截线通过通孔过孔连接而造成短路；反焊盘的直径为0.6mm；反焊盘位于中间1层。
5.根据权利要求1所述的嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，其特征在于：采用四层印刷电路板结构是为了满足叠层结构的对称性；材料选用罗杰斯材料4350B和4450F。
6.根据权利要求5所述的嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，其特征在于：选用0.2mm厚度的罗杰斯4450F板材作为四层印刷电路板的叠层结构中的半固化片。
7.根据权利要求5所述的嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，其特征在于：选用两块0.254mm厚度的覆铜罗杰斯4350B板材分别位于叠层结构中的顶层和底层；选用一块0.254mm的非覆铜罗杰斯4350B板材位于叠层结构中的正中心。
8.根据权利要求1所述的嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，其特征在于：通过调节短路、开路的短截线的长度，调谐频率，达到谐振频点。
9.根据权利要求1所述的嵌入集成巴伦和加载改进型偶极子的谐振切向电场探头，其特征在于：集成巴伦将改进型的偶极子输出的差模电压转换为共模电压，并将改进型的偶极子的输入阻抗转换为与仪器的输入阻抗相匹配的阻抗。
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