CN109596897A - 电磁场复合无源探头 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电磁场复合无源探头，包括：设有若干屏蔽接地通孔的PCB板；PCB板包括磁场探测部、电场探测部以及信号传输部；信号传输部通过磁场探测部连接电场探测部；磁场探测部包括在相应布线层布线的磁场线圈；电场探测部包括在相应布线层布线的电场探针；信号传输部包括转换通孔，以及在相应布线层布线的带状线和CB‑CPW传输线；带状线的第一端通过磁场线圈连接电场探针，第二端依次通过转换通孔和CB‑CPW传输线连接外部信号分析接口。基于上述结构，探头具有较高的带宽，较高的隔离度，能够在较大动态范围内将被测物的近电场和近磁场分离出来，从而实现电场和磁场的探测。

Description

电磁场复合无源探头

技术领域

本申请涉及电磁检测技术领域，特别是涉及一种电磁场复合无源探头。

背景技术

随着科技的发展，电子设备变得更加小型化、高频化和高密度，技术的进步导致产品的电磁可靠性问题变得更加严重。基于近场测量的干扰图像重构是现今处理EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)设计问题最有效的方法。在电子产品工作时，辐射源发出的电磁干扰一般具有较宽的频谱范围，因此宽带近场复合探头是近场扫描的关键，同时也是解决电磁可靠性问题必不可少的工具之一。

传统复合探头用于探测垂直的电场和水平的磁场，但其在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统的复合探头存在电场和磁场隔离度低的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统的复合探头存在电场和磁场隔离度低的问题，提供一种电磁场复合无源探头。

为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种电磁场复合无源探头，包括：设有若干屏蔽接地通孔的PCB板；PCB板包括磁场探测部、电场探测部以及信号传输部；信号传输部通过磁场探测部连接电场探测部。

磁场探测部包括在相应布线层布线的磁场线圈；电场探测部包括在相应布线层布线的电场探针；信号传输部包括第一转换通孔、第二转换通孔，以及在相应布线层布线的第一带状线、第一CB-CPW传输线、第二带状线和第二CB-CPW传输线。

第一带状线的第一端、第二带状线的第一端通过磁场线圈连接电场探针；第一带状线的第二端通过第一转换通孔的导电孔壁连接第一CB-CPW传输线的第一端；第一CB-CPW传输线的第二端用于连接第一外部信号分析接口；第二带状线的第二端通过第二转换通孔的导电孔壁连接第二CB-CPW传输线的第一端；第二CB-CPW传输线的第二端用于连接第二外部信号分析接口。

在其中一个实施例中，信号传输部通过磁场探测部连接电场探测部的第一侧边。电场探测部的第二侧边的长度小于第一侧边的长度；第二侧边为电场探测部远离磁场探测部的侧边。

在其中一个实施例中，布线层为依次堆叠的第一接地层、附加层、信号层以及第二接地层。

在其中一个实施例中，第一接地层在磁场线圈于第一接地层形成的第一磁场感应区域外布线，并设有连通第一磁场感应区域的第一开口。第二接地层在磁场线圈于第二接地层形成的第二磁场感应区域外布线，并设有连通第二磁场感应区域的第二开口。第一开口和第二开口沿屏蔽接地通孔的轴向对齐排列。

磁场线圈布线在信号层；磁场线圈包括沿磁场线圈于信号层形成的第三磁场感应区域的边界、非闭合式布线的磁场感应线。磁场感应线的第一端连接第一带状线的第一端，磁场感应线的第二端连接第二带状线的第一端。

在其中一个实施例中，电场探针布线在信号层。

在其中一个实施例中，磁场感应线的第一端与磁场感应线的第二端配合、形成连通第三磁场感应区域的第三开口。第一开口和第二开口朝向电场探针；第三开口背向电场探针。

在其中一个实施例中，第一转换通孔包括第一信号通孔，以及若干个以预设距离环绕第一信号通孔的第一环绕接地通孔；第一带状线的第二端通过第一信号通孔的导电孔壁连接第一CB-CPW传输线的第一端。

第二转换通孔包括第二信号通孔，以及若干个以预设距离环绕第二信号通孔的第二环绕接地通孔；第二带状线的第二端通过第二信号通孔的导电孔壁连接第二CB-CPW传输线的第一端。

在其中一个实施例中，第一带状线的导体带、第二带状线的导体带布线在信号层。第一带状线的第一接地金属带、第二带状线的第一接地金属带布线在第一接地层。第一带状线的第二接地金属带、第二带状线的第一接地金属带布线在第二接地层。

在其中一个实施例中，第一CB-CPW传输线的中心导体带、第一CB-CPW传输线的接地导带布线在第一接地层；第一CB-CPW传输线的金属接地层布线在附加层。第二CB-CPW传输线的中心导体带、第二CB-CPW传输线的接地导带布线在第一接地层；第二CB-CPW传输线的金属接地层布线在附加层。

在其中一个实施例中，PCB板为FR4基板材料的电路板；或，

PCB板为罗杰斯(如RO4350B)材料的电路板；或，

PCB板为碳氢化合物陶瓷基板材料的电路板。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

电磁场复合无源探头，包括：设有若干屏蔽接地通孔的PCB板；PCB板包括磁场探测部、电场探测部以及信号传输部；信号传输部通过磁场探测部连接电场探测部；磁场探测部包括在相应布线层布线的磁场线圈；电场探测部包括在相应布线层布线的电场探针；信号传输部包括转换通孔，以及在相应布线层布线的带状线和CB-CPW传输线；带状线的第一端通过磁场线圈连接电场探针，第二端依次通过转换通孔和CB-CPW传输线连接外部信号分析接口。基于上述结构，探头具有较高的带宽，较高的隔离度，能够在较大动态范围内将被测物的近电场和近磁场分离出来，从而实现电场和磁场的探测。

附图说明

通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1为一个实施例中电磁场复合无源探头的第一示意性结构图；

图2为一个实施例中电磁场复合无源探头的校准示意图；

图3为一个实施例中电磁场复合无源探头的频率响应特性曲线图；

图4为一个实施例中电磁场复合无源探头的电场和磁场隔离度曲线图；

图5为一个实施例中电磁场复合无源探头的分辨率曲线图；

图6为一个实施例中电磁场复合无源探头在不同频率下的隔离度曲线图；

图7为一个实施例中电磁场复合无源探头的带状线的结构示意图；

图8为一个实施例中电磁场复合无源探头的CB-CPW传输线的结构示意图；

图9为一个实施例中电磁场复合无源探头的第一接地层的结构示意图；

图10为一个实施例中电磁场复合无源探头的附加层的结构示意图；

图11为一个实施例中电磁场复合无源探头的信号层的结构示意图；

图12为一个实施例中电磁场复合无源探头的第二接地层的结构示意图；

图13为一个实施例中电磁场复合无源探头的转换通孔结构示意图；

图14为一个实施例中电磁场复合无源探头的第二示意性结构图；

图15为一个实施例中电磁场复合无源探头的厚度方向结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“布线”、“第一端”、“第二端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

目前，针对电磁场复合探头的设计主要存在四个关键问题：第一个问题是电场和磁场的隔离度问题；第二个是空间分辨率的问题；第三个是如何提高传输效率的问题。对于高隔离度的设计问题，任何一个阻抗不匹配都会引起探头的探测能力下降，良好的传输和接口设计是解决此类问题的关键。当前，针对宽带近场复合探头的设计鲜有报道，即，传统技术的复合探头存在带宽低，灵敏度差，电场探测分辨率低以及电场和磁场的隔离度低的问题。

为此，本申请实施例提出一种高隔离度的电磁场复合无源探头，该探头具有较高的带宽以及较高的隔离度，能够在较大动态范围内将被测物的近电场和近磁场分离出来，从而实现电场和磁场的探测。

在一个实施例中，提供了一种电磁场复合无源探头，如图1所示，图1为一个实施例中电磁场复合无源探头的第一示意性结构图，包括：设有若干屏蔽接地通孔的PCB板；PCB板包括磁场探测部、电场探测部以及信号传输部；信号传输部通过磁场探测部连接电场探测部；

磁场探测部包括在相应布线层布线的磁场线圈；电场探测部包括在相应布线层布线的电场探针；信号传输部包括第一转换通孔、第二转换通孔，以及在相应布线层布线的第一带状线、第一CB-CPW传输线、第二带状线和第二CB-CPW传输线；

第一带状线的第一端、第二带状线的第一端通过磁场线圈连接电场探针；第一带状线的第二端通过第一转换通孔的导电孔壁连接第一CB-CPW传输线的第一端；第一CB-CPW传输线的第二端用于连接第一外部信号分析接口；第二带状线的第二端通过第二转换通孔的导电孔壁连接第二CB-CPW传输线的第一端；第二CB-CPW传输线的第二端用于连接第二外部信号分析接口。

具体而言，电磁场复合无源探头可包括磁场探测部、电场探测部以及信号传输部。磁场探测部的第一侧边连接电场探测部的第一侧边；磁场探测部的第二侧边连接信号传输部。

磁场探测部可包括用于检测磁场分布的磁场线圈。电场探测部可包括用于检测电场分布的电场探针。信号传输部可包括带状线、CB-CPW传输线以及转换通孔。电场探针通过磁场线圈分别连接第一带状线的第一端和第二带状线的第一端。第一带状线的第二端依次通过第一转换通孔、第一CB-CPW传输线连接第一外部信号分析接口。第二带状线的第二端依次通过第二转换通孔、第二CB-CPW传输线连接第二外部信号分析接口。

磁场线圈可根据磁通量形成磁场射频信号；电场探针可根据电场的变化形成电场射频信号；磁场射频信号和电场射频信号可通过带状线、转换通孔以及CB-CPW传输线构成的传输结构，以50欧阻抗的形式传输出去，保证信号的低损耗，低反射。应该注意的是，电场射频信号可通过磁场线圈传输给信号传输部；第一带状线可用于传输电场射频信号或磁场射频信号；第二带状线也可用于传输电场射频信号或磁场射频信号。根据实际测试需求，外部信号分析设备可通过第一CB-CPW传输线获取电场射频信号或磁场射频信号；还可通过第二CB-CPW传输线获取电场射频信号或磁场射频信号。

磁场线圈和电场探针可在布线在同一布线层；第一带状线和第二带状线可布线在同一布线层。进一步地，磁场线圈、电场探针、第一带状线和第二带状线可在同一布线层进行信号的传输。

本申请实施例中，第一带状线和第二带状线均通过磁场线圈连接电场探针；磁场线圈可用于感应磁通量，并将感应到的磁通量以电压的形式进行传输。通过磁场探测部、电场探测部以及信号传输部的结构设计，能够将电磁场探测的隔离度提高。电磁场无源复合探头可同时探测磁场与电场，通过外部信号分析接口(如微波高频连接器)连接到频谱分析仪的输入端，进行射频信号的测量，可对待测电路板(包括板上的集成电路)局部的高带宽、高精度的电磁场分布进行测量。

本申请实施例的提供的探头的结构可采用不同的尺寸，其外接连接器可采用不同的类型；通过该探头可得到磁场强度Hx(或Hy)、电场强度Ez，通过计算和校准可以得到磁场信号大小和电场信号大小；通过扫描已知微带线的宽度，可标定该探头的空间分辨率。

具体地，可用网络分析仪和微带线搭建电磁场复合无源探头校准系统；校准用的微带线可被认为是一个可用来发射标准场的外部标准件；该标准件可产生一定的准TEM(Transverse Electric and Magnetic Field，电磁场)射频电场，探头对该标准件进行Y方向的扫描(垂直于微带线走线方向)，可以得到空间分辨率。具体的扫描方法包括：用探头在不同的位置进行探测，探测出场强大小，绘制不同位置场强大小随位置的关系图，进而得出空间分辨率；通过该校准系统及扫描方法，可对电磁场复合无源探头的测量结果进行探测校准。

在一个示例中，如图2至6所示，图2为一个实施例中电磁场复合无源探头的校准示意图，其中，θ为从图示X轴水平逆时针旋转的角度(如图2所示)。图3为一个实施例中电磁场复合无源探头的频率响应特性曲线图，其中，Sds曲线代表磁场信号，Scs曲线代表电场信号，两个曲线是探头校准系统输出的结果。

图4为一个实施例中电磁场复合无源探头的电场和磁场隔离度曲线图，其中，在10GHz下，探头保持角度90度，沿着Y轴记录电场和磁场的大小；θ为90度，此时的线圈与校准件的磁感线平行，磁场理想情况下没有被捕获。因此，在图4中，电场曲线在上磁场曲线在下，用电场曲线的dB值减去磁场曲线的dB值，可表示电场和磁场的隔离度；从图4中可得出，隔离度在0mm处(微带线正上方1mm)可以达到30dB，在±4mm以内均可以达到15dB以上。

图5为一个实施例中电磁场复合无源探头的分辨率曲线图，其中，θ为0度。图6为一个实施例中电磁场复合无源探头在不同频率下的隔离度曲线图。

在一个示例中，第一外部信号分析接口依次通过第一CB-CPW传输线、第一转换通孔、第一带状线以及磁场线圈获取磁场射频信号；第二外部信号分析接口依次通过第二CB-CPW传输线、第二转换通孔、第二带状线、磁场线圈以及电场探针获取电场射频信号。

需要说明的是，在磁场探测部中，磁场线圈会在PCB板上形成磁场感应区域；磁场感应区域不被金属层屏蔽，可用于通过磁场线，感应磁通量的变化；本发明实施例提及的磁场感应区域的形状可为矩形、多边形、圆形等，具体可根据实际探测需求与加工要求进行调节；磁场线圈可包括沿磁场感应区域边界布线的磁场感应线；磁场感应线可根据磁场感应区域中的磁通量变化生成磁场射频信号，再通过磁场射频信号传输结构将信号传输至外部分析仪器。

在电场探测部中，电场探针的探测结构不受金属接地层的覆盖屏蔽，可提高对电场的探测效率，根据电场线的变化形成射频信号，再通过信号传输结构将信号传输至外部分析仪器。

磁场线圈与电场探针可位于PCB板中的同一布线层上。电场探针可在磁场线圈形成的磁场感应区域外布线，不会干扰磁场线圈对磁通量的接收；磁场线圈与电场探头可同时对待测电路板的局部电磁场分布进行测量。

参见图7，图7为一个实施例中电磁场复合无源探头的带状线的结构示意图，带状线可由两块接地金属带与中间一块宽度ω、厚度t的矩形截面导体带构成；由于两边都有接地金属带，因此，其阻抗容易控制，同时屏蔽较好；磁场带状线与电场带状线可位于不同布线层，通过各自的接地金属带屏蔽干扰，保证各自信号传输的低损耗、低反射。

CB-CPW传输线可由介质基片、介质基片上表面的三条导带和介质基片下表面的金属接地层组成；其结构可如图8所示，图8为一个实施例中电磁场复合无源探头的CB-CPW传输线的结构示意图，中间为薄的中心导体带，两侧平行中心导体带且与中心导体带距离很近的为接地导带；中心导体带与接地导带之间的小间距可实现电路的低阻抗，且通过调节该间距可以改变CB-CPW的传输特性阻抗；接地导带的金属面是半无限的，但在实际加工中其面积都是有限的；介质基片上表面的接地导带通过金属填充过孔和介质基片下表面的金属接地层相连接，实现一致的接地性能；由于增强的接地结构，可以降低接地平面的阻抗，有助于CB-CPW的阻抗设计和射频信号的传输，可将将射频信号以50欧阻抗的形式传输出去。

外部信号分析接口可用于连接外部信号分析仪器；优选的，可焊接SMA(Small AType，微波高频连接器)连接器。具体地，信号分析仪器可包括网络分析仪、示波器或频谱分析仪器等。采集的信号经过数据处理后，可进行干扰图像重构。

本申请实施例提及的通孔是穿过整个印制电路板的孔，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔；其孔壁圆柱面上可用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，可以起到电气连接、固定或定位器件的作用；屏蔽接地通孔连接接地层，可用于抑制干扰。具体地，可连接PCB板顶层与底层的接地层。转换通孔，可用于将带状线传输结构转换为CB-CPW传输线结构，通过导电孔壁实现带状线的导体带与CB-CPW传输线的中心导体带之间的导通，并保证传输特性阻抗匹配，抑制信号衰减、降低传输谐振。

本申请实施例提供的电磁场复合无源探头的设计包含了射频磁场的近场探测部分、射频电场的探测部分以及信号传输部分。近场探测部分通过线圈(Loop)和探针(Tip)对磁场和电场进行探测，根据磁通量和电场的变化形成射频信号；通过合理的设计，能够将电磁探测的隔离度提高。信号传输部分包括传输线，转换通孔、带状线、通过合理的设计将射频信号以50欧阻抗的形式传输出去，传输过程保证信号的低损耗，低反射。实现PCB板(包括板上的集成电路)局部的高带宽、高精度的电磁场分布测量。

在一个实施例中，信号传输部通过磁场探测部连接电场探测部的第一侧边；电场探测部的第二侧边的长度小于第一侧边的长度；第二侧边为电场探测部远离磁场探测部的侧边。

具体而言，电场探测部的远离磁场探测部的侧边为第二侧边；该第二侧边的长度小于电场探测部的第一侧边的长度。

需要说明的是，电场探测部中相对的两个侧边的长度不同，配合形成一个尖头状的探测部。具体地，电场探测部可为梯形部件，相互平行的长边可为第一侧边，短边则为第二侧边。

基于该结构，本申请实施例中磁场探测部连接电场探测部的第一侧边，能够进一步提高磁场探测与电场探测的隔离度。

在一个实施例中，布线层为依次堆叠的第一接地层、附加层、信号层以及第二接地层。

参见图9至12，图9为一个实施例中电磁场复合无源探头的第一接地层的结构示意图；图10为一个实施例中电磁场复合无源探头的附加层的结构示意图；图11为一个实施例中电磁场复合无源探头的信号层的结构示意图；图12为一个实施例中电磁场复合无源探头的第二接地层的结构示意图。

具体而言，PCB板可包括依次堆叠的第一布线层、第二布线层、第三布线层以及第四布线层。第一布线层(可在图9中的阴影部分布设接地金属)和第四布线层(可在图12中的阴影部分布设接地金属)为接地层，第二布线层为附加层(可在图10中的阴影部分布设接地金属)，第三布线层为信号层。

需要说明的是，接地层可用于屏蔽干扰；附加层可用于组成CPW-G结构；信号层可用于信号传输。

具体地，本申请实施例可采用四层PCB板或多层PCB板。

由于待测件的电场干扰会导致高频时的磁场和电场难以分清，进而影响探头的探测数据的准确性。

为此，在一个实施例中，第一接地层在磁场线圈于第一接地层形成的第一磁场感应区域外布线，并设有连通第一磁场感应区域的第一开口。第二接地层在磁场线圈于第二接地层形成的第二磁场感应区域外布线，并设有连通第二磁场感应区域的第二开口。第一开口和第二开口沿屏蔽接地通孔的轴向对齐排列。

磁场线圈布线在信号层；磁场线圈包括沿磁场线圈于信号层形成的第三磁场感应区域的边界、非闭合式布线的磁场感应线。磁场感应线的第一端连接第一带状线的第一端，磁场感应线的第二端连接第二带状线的第一端。

具体而言，磁场线圈在各布线层形成磁场感应区域；各接地层设有连接对应层的磁场感应区域的开口。磁场线圈在信号层形成磁场感应区域，磁场感应线为沿磁场感应区域、非闭合式的布线金属。磁场感应线的一端连接第一带状线，另一端连接第二带状线，可形成一个闭合的测试环路。

需要说明的是，磁场感应区域不被金属层屏蔽，可用于通过磁场线，感应磁通量的变化；磁场感应线沿磁场感应区域布线，可根据磁场感应区域中的磁通量变化生成射频信号。进一步地，各开口沿屏蔽接地通孔的轴向对齐排列，即，在垂直于PCB板面的方向设有连接磁场感应区域的开口，可用于通过电场线。磁场感应线可通过开口通过的电场线，生成互感电场信号，从而抑制信号干扰，提高电场抑制比以及探头探测数据的准确性。

通过对磁场感应区域以及磁场感应线的合理设计，可提高电场抑制比，避免电场分布对磁场探测的干扰，进而实现对磁场和电场的同时探测。

在一个实施例中，电场探针布线在信号层。

具体而言，电场探针和磁场线圈均布线在信号层，两者可直接相连，提高电场和磁场的近场测量的精度。

需要说明的是，电场探针不受金属结构屏蔽，也不受磁场信号采集的影响，可高效探测电场分布信息。

在一个实施例中，磁场感应线的第一端与磁场感应线的第二端配合、形成连通第三磁场感应区域的第三开口。第一开口和第二开口朝向电场探针；第三开口背向电场探针。

具体而言，磁场感应线设有连通第三磁场感应区域的第三开口，磁场感应线的两端分别连接带状线。磁场感应线远离第三开口的一侧边连接电场探针，并且，第一开口和第二开口朝向电场探针。

在一个具体的示例中，第一开口、第二开口、第三开口以及电场探针可设于PCB板的中轴线的方向上。

在一个实施例中，如图13所示，图13为一个实施例中电磁场复合无源探头的转换通孔结构示意图，第一转换通孔包括第一信号通孔，以及若干个以预设距离环绕第一信号通孔的第一环绕接地通孔；第一带状线的第二端通过第一信号通孔的导电孔壁连接第一CB-CPW传输线的第一端。

第二转换通孔包括第二信号通孔，以及若干个以预设距离环绕第二信号通孔的第二环绕接地通孔；第二带状线的第二端通过第二信号通孔的导电孔壁连接第二CB-CPW传输线的第一端。

具体而言，信号通孔可用于将带状线传输结构转换为CB-CPW传输线结构、保证传输反射最小、阻抗匹配，同时，可抑制传输谐振；而环绕接地通孔可用于保证传输阻抗同时抑制信号的反射并保证信号的传输效率。

需要说明的是，信号通孔通过导电孔壁实现带状线的导体带与CB-CPW传输线的中心导体带之间的导通。

环绕接地通孔环绕中心通孔，位于中心通孔的预设距离内，连接PCB板的接地层，可保证传输特性阻抗匹配，抑制传输谐振。环绕接地通孔的个数以及中心通孔的预设距离可根据探头的结构、传输结构的尺寸、基板的介质基片厚度等参数进行调整。

通过转换通孔的合理结构设计，本发明实施例的电磁场复合探头可将射频信号以50欧阻抗的形式传输出去，传输过程保证信号的低损耗，低反射；该转换通孔的结构保证探头的传输特性阻抗匹配、并抑制信号衰减以及传输谐振，提高电场探测效率。

在一个具体的实施例中，如图13所示，第一环绕接地通孔的数量为六个；第二环绕接地通孔的数量为六个。

具体而言，环绕接地通孔的数量可为六个；六个环绕接地通孔位于中心通孔的预设距离内，可补偿中心通孔引起的阻抗失配，保证传输特性阻抗是50欧，提高探头的传输效率。具体地，环绕接地通孔可为Coax-thru-hole。

在一个实施例中，第一带状线的导体带、第二带状线的导体带布线在信号层。第一带状线的第一接地金属带、第二带状线的第一接地金属带布线在第一接地层。第一带状线的第二接地金属带、第二带状线的第一接地金属带布线在第二接地层。

具体而言，带状线可由两块接地金属带与中间一块导体带构成。具体地，第一带状线的导体带以及第二带状线的导体带均布线在PCB板的信号层上，可用于传输信号。第一带状线的接地金属带可分别位于PCB板的第一接地层、第二接地层；第二带状线的接地金属带分别位于PCB板的第一接地层、第二接地层；接地金属带可用于屏蔽干扰、控制带状线导体带的传输特性阻抗。

需要说明的是，第一带状线的第一端连接磁场线圈，第二端可通过第一转换通孔连接第一CB-CPW传输线，该传输结构可保证传输特性阻抗匹配、并抑制信号衰减以及传输谐振。第二带状线的第一端连接磁场线圈，第二端可通过第二转换通孔连接第二CB-CPW传输线，该传输结构可保证传输特性阻抗匹配、并抑制信号衰减以及传输谐振。

在一个实施例中，第一CB-CPW传输线的中心导体带、第一CB-CPW传输线的接地导带布线在第一接地层；第一CB-CPW传输线的金属接地层布线在附加层。第二CB-CPW传输线的中心导体带、第二CB-CPW传输线的接地导带布线在第一接地层；第二CB-CPW传输线的金属接地层布线在附加层。

具体而言，CB-CPW传输线可由介质基片、介质基片上表面的三条导带和介质基片下表面的金属接地层组成。具体地，CB-CPW传输线的中心导体带及位于该中心导体带两侧的接地导带可布线在第一接地层，金属接地层可布线在与第一接地层相邻的附加层，用于增强的接地结构，使CB-CPW传输线可具有更宽的有效带宽、更好地传输特性和更接近50Ω传输特性阻抗。

在一个具体的实施例中，如图14所示，图14为一个实施例中电磁场复合无源探头的第二示意性结构图，PCB板还包括用于连接外部三维联动探测设备的安装孔。

具体而言，电磁场复合探头的PCB板还设有安装孔，可用于将探头安装在外部三维联动探测设备上；电磁场复合探头可通过三维联动探测设备的控制，对待测电路板进行高效地测量。

在一个实施例中，PCB板为FR4基板材料的电路板；或，

PCB板为罗杰斯(如RO4350B)材料的电路板；或，

PCB板为碳氢化合物陶瓷基板材料的电路板。

具体地，该探头的PCB板的介质基片可采用高频基板材料；优选的，介质基片可采用FR4材料、碳氢化合物陶瓷材料(如Rogers 4350B)等，或采用LTCC工艺制备该PCB板；通过合理的结构设计以及PCB板介质层材料的选择，该电磁场复合无源探头的应用频率范围可为1MHz(兆赫)至20GHz(吉赫)。

在一个具体的实施例中，PCB板为LTCC工艺制备的电路板。

具体而言，电磁场复合探头可采用LTCC工艺制备的电路板。

需要说明的是，LTCC的特点包括：陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性；根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动，配合使用高电导率的金属材料作为导体材料，可提高电路系统的品质因数，增加了电路设计的灵活性；比普通PCB电路基板更优良的热传导性，极大地优化了电子设备的散热设计，可靠性高；与其他多层布线技术具有良好的兼容性，例如将LTCC与薄膜布线技术结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板。

采用LTCC工艺制备的电路板，可保证传输特性阻抗匹配、并抑制信号衰减以及传输谐振，保证电场探测效率。

为便于理解本发明电场无源探头的结构设计，下面以Rogers 4350B基板材料制备的一个探头作为示例进行说明，如图14、15所示，图15为一个实施例中电磁场复合无源探头的厚度方向结构示意图，其中，其中第一层铜(对应上述第一布线层、第一接地层)的厚度可为35μm(微米)；第一介质基片厚度可为16.6mil(毫英寸)；第二层铜(对应上述第二布线层、附加层)的厚度可为35μm；绝缘薄片厚度为4mil；第三层铜(对应上述第三布线层、信号层)的厚度可为35μm；第二介质基片厚度可为16.6mil；第四铜层(对应上述第四布线层、第二接地层)厚度可为35μm；处于第二铜层的第一层带状线的导体带长度可为79.9mm(毫米)，宽度可为12.5mil，厚度可为35μm；处于第三铜层的第二层带状线的导体带长度可为79.9mm(毫米)，宽度可为12.5mil，厚度可为35μm；处于第一铜层的CB-CPW传输线的中心导体带的长度可为6.35mm，宽度可为0.72mm，厚度可为35μm；处于第二铜层的CB-CPW传输线的金属接地层的厚度可为35μm；CB-CPW传输线的介质基片可为第一介质基片，厚度可为16.6mil。

第一层主要由两个SMA接头、两个CB-CPW走线，Coax-thru-hole，地平面通孔、金属地平面以及信号通孔组成。第二层主要由金属地平面、信号通孔、地平面通孔以及Coax-thru-hole组成。第三层主要由Strip-line(带状线)、探测结构(包括磁场感应线和电场探针)和地平面通孔组成。第四层由金属地平面和地平面通孔组成。

探头的头部可由两个SMA连接器组成，SMA连接器的芯线连接PCB板的CB-CPW传输线结构，另一端通过螺纹连接四端口网络分析仪(VNA，N5224A)。导线的阻抗决定在接出端所测到的射频电流或者射频电压数值的大小；在本申请实施例中可采用50欧。层间的间隔以及导线的尺寸和材料等因素决定导线的阻抗，可通过一些成熟的商业软件，计算一定阻抗下层间间隔、导线尺寸以及材料等因素所需要的设计。

利用该高隔离度的宽带电磁场复合无源探头进行射频电磁近场测量时，可把该探头的两个SMA输出端接到网络分析仪的输入端，进行射频信号的测量。可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电磁场探头的测量结果进行探测校准。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。可应用一定的方法标定其频率应用范围。通过该探头可得到Hx(或Hy)以及Ez，通过计算和校准可以得到磁场信号大小。通过扫描已知宽度的微带线来标定该探头的空间分辨率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电磁场复合无源探头，其特征在于，包括：设有若干屏蔽接地通孔的PCB板；所述PCB板包括磁场探测部、电场探测部以及信号传输部；所述信号传输部通过所述磁场探测部连接所述电场探测部；

所述磁场探测部包括在相应布线层布线的磁场线圈；所述电场探测部包括在相应布线层布线的电场探针；所述信号传输部包括第一转换通孔、第二转换通孔，以及在相应布线层布线的第一带状线、第一CB-CPW传输线、第二带状线和第二CB-CPW传输线；

所述第一带状线的第一端、所述第二带状线的第一端通过所述磁场线圈连接所述电场探针；所述第一带状线的第二端通过所述第一转换通孔的导电孔壁连接所述第一CB-CPW传输线的第一端；所述第一CB-CPW传输线的第二端用于连接第一外部信号分析接口；所述第二带状线的第二端通过所述第二转换通孔的导电孔壁连接所述第二CB-CPW传输线的第一端；所述第二CB-CPW传输线的第二端用于连接第二外部信号分析接口。

2.根据权利要求1所述的电磁场复合无源探头，其特征在于，所述信号传输部通过所述磁场探测部连接所述电场探测部的第一侧边；

所述电场探测部的第二侧边的长度小于所述第一侧边的长度；所述第二侧边为所述电场探测部远离所述磁场探测部的侧边。

3.根据权利要求1所述的电磁场复合无源探头，其特征在于，所述布线层为依次堆叠的第一接地层、附加层、信号层以及第二接地层。

4.根据权利要求3所述的电磁场复合无源探头，其特征在于，所述第一接地层在所述磁场线圈于所述第一接地层形成的第一磁场感应区域外布线，并设有连通所述第一磁场感应区域的第一开口；

所述第二接地层在所述磁场线圈于所述第二接地层形成的第二磁场感应区域外布线，并设有连通所述第二磁场感应区域的第二开口；

所述第一开口和所述第二开口沿所述屏蔽接地通孔的轴向对齐排列；

所述磁场线圈布线在所述信号层；所述磁场线圈包括沿所述磁场线圈于所述信号层形成的第三磁场感应区域的边界、非闭合式布线的磁场感应线；

所述磁场感应线的第一端连接所述第一带状线的第一端，所述磁场感应线的第二端连接所述第二带状线的第一端。

5.根据权利要求4所述的电磁场复合无源探头，其特征在于，所述电场探针布线在所述信号层。

6.根据权利要求5所述的电磁场复合无源探头，其特征在于，所述磁场感应线的第一端与所述磁场感应线的第二端配合、形成连通所述第三磁场感应区域的第三开口；

所述第一开口和所述第二开口朝向所述电场探针；所述第三开口背向所述电场探针。

7.根据权利要求3至6任意一项所述的电磁场复合无源探头，其特征在于，

所述第一转换通孔包括第一信号通孔，以及若干个以预设距离环绕所述第一信号通孔的第一环绕接地通孔；所述第一带状线的第二端通过所述第一信号通孔的导电孔壁连接所述第一CB-CPW传输线的第一端；

所述第二转换通孔包括第二信号通孔，以及若干个以所述预设距离环绕所述第二信号通孔的第二环绕接地通孔；所述第二带状线的第二端通过所述第二信号通孔的导电孔壁连接所述第二CB-CPW传输线的第一端。

8.根据权利要求3至6任意一项所述的电磁场复合无源探头，其特征在于，

所述第一带状线的导体带、所述第二带状线的导体带布线在所述信号层；

所述第一带状线的第一接地金属带、所述第二带状线的第一接地金属带布线在所述第一接地层；

所述第一带状线的第二接地金属带、所述第二带状线的第一接地金属带布线在所述第二接地层。

9.根据权利要求3至6任意一项所述的电磁场复合无源探头，其特征在于，

所述第一CB-CPW传输线的中心导体带、所述第一CB-CPW传输线的接地导带布线在所述第一接地层；所述第一CB-CPW传输线的金属接地层布线在所述附加层；

所述第二CB-CPW传输线的中心导体带、所述第二CB-CPW传输线的接地导带布线在所述第一接地层；所述第二CB-CPW传输线的金属接地层布线在所述附加层。

10.根据权利要求1至6任意一项所述的电磁场复合无源探头，其特征在于，所述PCB板为FR4基板材料的电路板；或，

所述PCB板为罗杰斯材料的电路板；或，

所述PCB板为碳氢化合物陶瓷基板材料的电路板。