CN109884561A - 磁场检测模块及磁场探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁场检测模块及磁场探头，磁场检测模块包括设有带状线、第一共面波导传输线、第二共面波导传输线以及探测孔缝的PCB板。带状线的导体带包括感应部、第一连接部和第二连接部。第一共面波导传输线包括第一中心导带和第一接地导带；第二共面波导传输线包括第二中心导带和第二接地导带。感应部在PCB板上的正投影半包围探测孔缝在PCB板上的正投影；感应部的第一端连接第一连接部的第一端，感应部的第二端连接第二连接部的第一端。第一中心导带的第一端连接第一连接部的第二端，第一中心导带的第二端用于连接外部信号分析设备。第二中心导带的第一端连接第二连接部的第二端，第二中心导带的第二端用于连接外部信号分析设备。

Description

磁场检测模块及磁场探头

技术领域

本发明涉及电磁探测领域，尤其涉及一种磁场检测模块及磁场探头。

背景技术

随着科技的发展，电子设备变得更加小型化、高频化和高密度化，与此同时技术的进步也使得电子设备的电磁可靠性问题变成亟待解决的问题。目前，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。在电子设备工作时，辐射源发出的电磁干扰一般具有较宽的频谱范围，因此宽带近场磁场探头是近场扫描的关键，同时也是解决电子设备的电磁可靠性问题必不可少的工具之一。

在实际检测磁场的过程中，发明人发现传统的磁场探头电场抑制比低，磁场探头往往会受到电场干扰而影响磁场检测结果的准确性。

发明内容

基于此，有必要针对上述传统磁场探头电场抑制比低的问题，提供一种磁场检测模块及磁场探头。

本发明实施例提供一种磁场检测模块，包括设有带状线、第一共面波导传输线、第二共面波导传输线以及探测孔缝的PCB板；

带状线的导体带包括感应部、第一连接部和第二连接部；

第一共面波导传输线包括第一中心导带和第一接地导带；第二共面波导传输线包括第二中心导带和第二接地导带；

感应部在PCB板上的正投影半包围探测孔缝在PCB板上的正投影；感应部的第一端连接第一连接部的第一端，感应部的第二端连接第二连接部的第一端；

第一中心导带的第一端连接第一连接部的第二端，第一中心导带的第二端用于连接外部信号分析设备；

第二中心导带的第一端连接第二连接部的第二端，第二中心导带的第二端用于连接外部信号分析设备。

在其中一个实施例中，带状线的导体带轴对称布线。

在其中一个实施例中，感应部为圆形感应部或者多边形感应部。

在其中一个实施例中，PCB板设有多层布线层，包括依次堆叠的第一接地层、第一信号层、第二信号层以及第二接地层；

第一中心导带、第一接地导带、第二中心导带和第二接地导带均设置在第一接地层；

带状线的导体带设置在第一信号层或者第二信号层，带状线的第一金属带设置在第一接地层，带状线的第二金属带设置在第二接地层；

探测孔缝设置在第一接地层和第二接地层。

在其中一个实施例中，PCB板还设有第一信号通孔和第二信号通孔；

第一连接部的第二端通过第一信号通孔连接第一中心导带的第一端；第二连接部的第二端通过第二信号通孔连接第二中心导带的第一端。

在其中一个实施例中，PCB板还设有若干个第一屏蔽通孔和若干个第二屏蔽通孔；

若干个第一屏蔽通孔设置在第一信号通孔四周，并且与第一信号通孔的距离均相等；

若干个第二屏蔽通孔设置在第二信号通孔四周，并且与第二信号通孔的距离均相等。

在其中一个实施例中，第一共面波导传输线还设有第一背敷金属带，第二共面波导传输线还设有第二背敷金属带；

第一背敷金属带和第二背敷金属带均设置在第一信号层。

在其中一个实施例中，PCB板还设有若干接地通孔，接地通孔连接第一接地层和第二接地层。

在其中一个实施例中，PCB板为玻璃纤维板。

本发明还提供一种磁场探头，包括探头外壳，探头外壳封装有上述任一项实施例提供的磁场检测模块。

上述磁场检测模块的带状线设有感应部、第一连接部和第二连接部，感应部用于感应磁场，感应部的第一端连接第一连接部的第一端，感应部的第二端里连接第二感应部的第一端。带状线感应到的磁场信息通过第一连接部和第二连接部以一对差分信号的形式向外部信号分析设备传输。这样，在检测磁场的时候，由于感应部感应到的电场干扰是相同的，由第一连接部和第二连接部传输后，可以通过差分运算消除电场干扰，因此本实施例提供的差分磁场探头具有高电场抑制比。

附图说明

图1为本发明一个实施例磁场检测模块的示意图；

图2为本发明一个实施例磁场检测模块第一接地层的俯视示意图；

图3为本发明一个实施例磁场检测模块第一信号层的俯视示意图；

图4为本发明一个实施例磁场检测模块第二信号层的俯视示意图；

图5为本发明一个实施例磁场检测模块第二接地层的俯视示意图；

图6为本发明实一个实施例磁场检测模块频率响应和校准因子的曲线图；

图7为本发明一个实施例磁场检测模块的圆极化特性曲线图；

图8为本发明一个实施例磁场检测模块的电场抑制比曲线图；

图9为本发明一个实施例磁场检测模块的空间分辨率曲线图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种磁场检测模块，包括设有带状线、第一共面波导传输线、第二共面波导传输线以及探测孔缝4的PCB板1。

其中，带状线可由两块金属带与中间一块具有一定宽度和厚度的矩形截面的导体带2构成；由于两边都有金属带，因此，其阻抗容易控制，同时屏蔽较好，可保证高空间分辨率、高精度的磁场分布测量。

共面波导传输线(Coplanar Waveguide，CPW)是在介质基片的一个面上制作出中心导体带2，并在紧邻中心导体带2的两侧制作出导体平面而形成的传输线。

探测孔缝4是由孔和缝组成的开口，探测孔缝4的孔是为了能让磁感线穿过，从而使布设在孔周围的带状线产生电信号；探测孔缝4的缝是为了打破屏蔽层的封闭环路，防止感生电流引起的抵抗待测磁场的感生磁场。因此，只要探测孔缝4的设置能够使待测磁场穿过PCB板1，从而使得带状线感应磁场变化对磁场进行检测即可。可选的，探测孔缝4设置在PCB板1的一端，探测孔缝4的缝沿PCB板1的长度方向延伸到PCB板1的末端。

带状线的导体带2包括感应部23、第一连接部21和第二连接部22三部分。第一共面波导传输线包括第一中心导带31和第一接地导带；第二共面波导传输线包括第二中心导带32和第二接地导带。

带状线的感应部23在PCB板1上的正投影半包围探测孔缝4在PCB板1上的正投影。感应部23的第一端连接第一连接部21的第一端，感应部23的第二端连接第二连接部22的第一端。其中，感应部23在PCB板1上的正投影，可以理解为将PCB板1看作是一个没有厚度的薄板时，感应部23在PCB板1上的投影；同样地，探测孔缝4在PCB板1上的投影也做相同的理解。感应部23的正投影半包围探测孔缝4的正投影，指感应部23的正投影绕过探测孔缝4的正投影即可。

第一中心导带31的第一端连接第一连接部21的第二端，第一中心导带31的第二端用于连接外部信号分析设备。第二中心导带32的第一端连接第二连接部22的第二端，第二中心导带32的第二端用于连接外部信号分析设备。感应部23对待测磁场感应产生感生电信号，沿第一连接部21和第一中心导带31向外输出的为第一电信号，沿第二连接部22和第二中心导带32向外输出的为第二电信号。由于第一电信号和第二电信号都由感应部23产生，因此受到的电场干扰是相同的，当外部信号分析设备通过对第一电信号和第二电信号进行分析时，只要进行差分运算即可消除电场干扰，实现高电场抑制比。

可选地，PCB板1可以采用单层或者多层板，这里带状线、第一共面波导传输线、第二共面波导传输线以及探测孔缝4可以设置在不同层上。第一中心导带31的第一端连接第一连接部21的第二端，可以是直接接触的电连接，也可以通过设置在PCB板1上的盲孔、埋孔或者通孔进行电连接。同样地，第二中心导带32的第一端连接第二连接部22的第二端，连接方式也可以类似设置。

可选地，外部信号分析设备可以是矢量网络分析仪，也可以是频谱分析仪，还可以是示波器。外部信号分析设备采集的信号经过数据处理后，可进行电磁图像重构。

本发明实施例的磁场检测模块，以带状线作为探测线，通过耦合方式感应磁场的变化，从而向外部信号分析设备反馈检测信息。由于带状线的以两端作为输出端，两端受到的电场干扰相同，因此对带状线两端的输出信号进行差分运算，可以消除电场干扰的影响，从而提高电场抑制比。

在其中一个实施例中，带状线的导体带2轴对称布线。带状线的导体带2轴对称设置，能够使感生电信号在第一连接部21和第二连接部22的传输路径对称，从而使得第一电信号和第二电信号在传输过程中受到的干扰相同，当外部信号分析设备接收到两端电信号后，便于对电场干扰进行处理，从而得到高电场抑制比的检测信息。

在其中一个实施例中，感应部23为圆形感应部23或者多边形感应部23。为了使感应部23能够得到较佳的检测效果，实现灵敏度和空间分辨率的优化，可以根据实际需求设计不同的感应部23形状和尺寸，比如，可以将感应部23设置为圆形，也可以设置为多边形，只要感应部23的图形是轴对称图形，并且其对称轴与第一连接部21和第二连接部22的对称轴重合即可。

在其中一个实施例中，PCB板1设有多层布线层，包括依次堆叠的第一接地层、第一信号层、第二信号层以及第二接地层。参考图2至图5所示，图2为第一接地层的布线示意图，图3为第一信号层的布线示意图，图4为第二信号层的布线示意图，图5为第二接地层的布线示意图，其中，图2至图5中的斜线阴影部分为涂覆导电材料的区域，可选地，斜线阴影部分为覆铜区。

其中，第一中心导带31、第一接地导带、第二中心导带32和第二接地导带均设置在第一接地层。带状线的导体带2设置在第一信号层或者第二信号层，带状线的第一金属带设置在第一接地层，带状线的第二金属带设置在第二接地层。第一接地层和第二接地层均开设有探测孔缝4。

PCB设置多层，可以得到更好的电磁兼容性，使得印制板在正常工作时能满足电磁兼容和敏感度需求，有助于屏蔽和抑制EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)。在本实施例中，PCB的第一层和第四层为接地层，即外层接地，能够更好地屏蔽电磁干扰，保证内层的第一信号层和第二信号层的信号无干扰传输。可选地，第一接地层和第二接地层配合设置在第一信号层或者第二信号层中的导体带2，可以形成带状线的结构。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有第一信号通孔61和第二信号通孔62。第一连接部21的第二端通过第一信号通孔61连接第一中心导带31的第一端；第二连接部22的第二端通过第二信号通孔62连接第二中心导带32的第一端。

其中，第一信号通孔61和第二信号通孔62是内壁镀有导电层的通孔，贯穿PCB板1各层。第一信号通孔61使第一连接部21和第一中心导带31电连接，第二信号通孔62使第二连接部22和第二中心导带32电连接，从而使得电信号在第一连接部21和第二连接部22所述的带状线上的传输转换为中心导带所在的共面波导传输线的传输。第一信号通孔61和第二信号通孔62的设置，除了可使设置在不同层上的第一连接部21、第一中心导带31、第二连接部22和第二中心导带32与各自对应的布线实现电连接外，还能够实现阻抗匹配。由于在高速电路中要想把信号能量从源端全部有效的传送到负载端，必须使传输线特征阻抗与信号的源端阻抗和负载阻抗匹配，否则信号会发生反射，导致信号波形的畸变等一系列问题。可以通过合理设计第一信号通孔61，使第一连接部21和第一中心导带31以合适的阻抗传输信号；合理设计第二信号通孔62，使第二连接部22和第二中心导带32以合适的阻抗传输信号。可选地，信号传输的合适阻抗为50欧姆。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有若干个第一屏蔽通孔71和若干个第二屏蔽通孔72。若干个第一屏蔽通孔71设置在第一信号通孔61四周，并且与第一信号通孔61的距离均相等。若干个第二屏蔽通孔72设置在第二信号通孔62四周，并且与第二信号通孔62的距离均相等。

其中，第一屏蔽通孔71和第二屏蔽通孔72均贯穿PCB板1各层，都是内壁镀有导电层的通孔。第一屏蔽通孔71和第二屏蔽通孔72均将第一接地层和第二接地层连接。

第一屏蔽通孔71沿第一信号通孔61的四周呈离散分布，第二屏蔽通孔72沿第二信号通孔62的四周离散分布，能够屏蔽干扰，同时能够抑制信号的衰减，补偿信号通孔的阻抗失配。第一屏蔽通孔71的数量根据PCB板1的实际尺寸确定，相邻的两个第一屏蔽通孔71之间的间隔和距离根据实际检测模块的结构、传输布线的尺寸以及PCB板1各布线层厚度进行调整确定，只要间隔距离的设置能够实现屏蔽干扰、抑制信号衰减或补偿阻抗的需求即可。同样地，第二屏蔽通孔72的设置与第一屏蔽通孔71的设置相似，第二屏蔽通孔72的数量、相邻两个第二屏蔽通孔72的间隔距离的设置，也是根据磁场检测模块的结构、传输布线的尺寸、PCB板1各布线层的厚度等参数进行调整，只要能够实现预设需求即可。可选地，第一屏蔽通孔71的数量与第二屏蔽通孔72的数量相同。相邻两个第一屏蔽通孔71的间隔距离与相邻两个第二屏蔽通孔72的间隔距离相同。每个第一屏蔽通孔71到第一信号通孔61的距离，与每个第二屏蔽通孔72到第二信号通孔62的距离相同。

在其中一个实施例中，第一共面波导传输线为第一背敷金属共面波导传输线，第二共面波导传输线为第二背敷金属共面波导传输线。第一背敷金属共面波导传输线的背敷金属层和第二背敷金属共面波导传输线的背敷金属层均设置在第一信号层。

共面波导传输线可由介质基片、介质基片上表面的中心导带和接地导带组成。其结构可如图所示，中间为薄的中心导体带2，两侧平行中心导体带2且与中心导体带2距离很近的为接地导带；中心导体带2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共面波导传输线的传输阻抗。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。共面波导传输线能够保证高空间分辨率、高精度的磁场分布测量。进一步地，共面波导传输线还可以是背敷金属共面波导传输线(Conductor BackedCoplanar Waveguide,CB-CPW),背敷金属共面波导传输线的结构是在上述常规的共面波导传输线的结构基础上，在介质基片的背面，即介质基片的下表面设置背敷金属层。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，有助于背敷金属共面波导传输线的阻抗设计和射频信号的传输，通过合理的设置，可与带状线、信号通孔以及屏蔽通孔合理搭配，形成合适的传输阻抗，将检测电信号传输出去，能够保证高空间分辨率、高精度的磁场分布测量。

可选地，第一背敷金属共面波导传输线和第二背敷金属共面波导传输线的背敷金属层也可以均设置在第二信号层，当然，也可以分设在不同层，比如一个设置在第一信号层，另一个设置在第二信号层，只要各自能够对应组成背敷金属共面波导传输结构即可。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有若干接地通孔8，接地通孔8电连接第一接地层和第二接地层。接地通孔8连接第一接地层和第二接地层，使得第一接地层和第二接地层的接地电位一致，从而实现一致的接地性能，可以降低接地层的阻抗，有助于屏蔽干扰，实现信号层中的信号传输，保证高空间分辨率、高精确的磁场测量。接地通孔8的数量、分布方式可以根据PCB板1的形状、传输布线的尺寸以及PCB板1各布线层的厚度等参数进行调整，只要能够实现接地和屏蔽即可。

在其中一个实施例中，PCB板1为玻璃纤维板，即环氧树脂板。可选地，PCB板1为FR4耐燃等级的电路板；

具体而言，对于高频电场探测，可采用具备FR4防火等级(如，玻璃纤维环氧树脂覆铜板)的电路板；FR4基板材料其耐热可到300℃左右，工作频率可达到数千兆赫兹，介电常数可为4.3左右。

可选的，高带宽的磁场检测模块的PCB板1还可以采用碳氢化合物陶瓷基板材料的电路板。比如，Rogers4系列的基板材料，其介电常数可为3.5左右，耗散因数可小于0.004。可选地，可以采用型号为Rogers4350B的板材。

需要说明的是，高频基板材料的基板特性可包括：介电常数必须小而且相对稳定；其介质损耗必须小，由于介质损耗影响到信号传输的品质，介质损耗越小，信号损耗也越小；吸水性要低、吸水性高就会在受潮时影响介电常数与介质损耗；耐热性、抗化学性、冲击强度、剥离强度等亦必须良好；使用高频基板材料的PCB板1，可保证传输阻抗匹配、并抑制信号衰减以及传输谐振，使具探头有较高的探测带宽并保证高空间分辨率、高精度的磁场分布测量。

在其中一个实施例中，外部分析设备可以分别通过连接器与第一中心导带31的第二端连接、第二中心导带32的第二端连接。比如，可以焊接SMA连接器(Subminiature AType connector，微波高频连接器)，通过SMA连接器连接外部信号分析设备磁场检测模块的中心导带。

在其中一个实施例中，探测孔缝4轴对称设置，其对称轴在PCB板1上的投影与感应部23的对称轴在PCB板1上的投影重合。探测孔缝4的大小影响探测灵敏度和空间分辨率。在本实施例中，探测孔缝4设置在PCB板1的一端，探测孔缝4的孔为边长为0.6mm的正方形；探测孔缝4的缝宽0.1mm，长0.4mm。

利用微带线可以产生预设的射频电磁场，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。经测量，磁场检测模块的频率响应和校准因子如图6所示。图中可以看出本发明实施例提供的磁场检测模块与商用磁场探头在频率响应和校准因子上基本保持不变。

如图7所示为本发明实施例提供的磁场检测模块的圆极化特性曲线。采用磁场检测模块沿着在微带线上方沿着Z轴旋转，此时通过感应部23环路的有效面积随着角度而变化，每间隔5°记录磁场检测模块的输出电压，并将记录的电压和角度数据绘制在极坐标下就得到了圆极化特性。该特性说明磁场检测模块在旋转过程中满足Hcos(θ)的规律。0°时为磁场最大值H，90°时为磁场最小值接近于0验证了本发明实施例磁场检测模块的可用性。

如图8所示为电场抑制比曲线。从图中提供了本发明磁场检测模块的电场抑制比在低频段(0.1-10GHz)可以达到40dB以上，同时整个频段(0.1-20GHz)可以达到26dB。与传统探头比较低频段可以高出15dB以上，具有超高的电场抑制比。

如9图所示为本发明实施例提供的磁场检测模块的空间分辨率曲线。通过扫描已知宽度的微带线可以来标定磁场检测模块的空间分辨率。从图中可得出本发明实施例提供的磁场检测模块的空间分辨率约为1.2mm。

本发明实施例还提供一种磁场探头，包括探头外壳，探头外壳封装有上述任一项磁场检测模块实施例提供的磁场检测模块。

可选地，磁场检测模块的PCB板1还开设有安装孔，用于安装探头外壳，或者固定于外部信号分析设备上。

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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种磁场检测模块，其特征在于，包括设有带状线、第一共面波导传输线、第二共面波导传输线以及探测孔缝的PCB板；

所述带状线的导体带包括感应部、第一连接部和第二连接部；

所述第一共面波导传输线包括第一中心导带和第一接地导带；所述第二共面波导传输线包括第二中心导带和第二接地导带；

所述感应部在所述PCB板上的正投影半包围所述探测孔缝在所述PCB板上的正投影；所述感应部的第一端连接所述第一连接部的第一端，所述感应部的第二端连接所述第二连接部的第一端；

所述第一中心导带的第一端连接所述第一连接部的第二端，所述第一中心导带的第二端用于连接外部信号分析设备；

所述第二中心导带的第一端连接所述第二连接部的第二端，所述第二中心导带的第二端用于连接外部信号分析设备。

2.根据权利要求1所述的磁场检测模块，其特征在于，所述带状线的导体带轴对称布线。

3.根据权利要求2所述的磁场检测模块，其特征在于，所述感应部为圆形感应部或者多边形感应部。

4.根据权利要求3所述的磁场检测模块，其特征在于，所述PCB板设有多层布线层，包括依次堆叠的第一接地层、第一信号层、第二信号层以及第二接地层；

所述第一中心导带、所述第一接地导带、所述第二中心导带和所述第二接地导带均设置在所述第一接地层；

所述带状线的导体带设置在所述第一信号层或者所述第二信号层，所述带状线的第一金属带设置在所述第一接地层，所述带状线的第二金属带设置在所述第二接地层；

所述第一接地层和所述第二接地层均开设有所述探测孔缝。

5.根据权利要求4所述的磁场检测模块，其特征在于，所述PCB板还设有第一信号通孔和第二信号通孔；

所述第一连接部的第二端通过所述第一信号通孔连接所述第一中心导带的第一端；所述第二连接部的第二端通过所述第二信号通孔连接所述第二中心导带的第一端。

6.根据权利要求5所述的磁场检测模块，其特征在于，所述PCB板还设有若干个第一屏蔽通孔和若干个第二屏蔽通孔；

若干个所述第一屏蔽通孔设置在所述第一信号通孔四周，并且与所述第一信号通孔的距离均相等；

若干个所述第二屏蔽通孔设置在所述第二信号通孔四周，并且与所述第二信号通孔的距离均相等。

7.根据权利要求6所述的磁场检测模块，其特征在于，所述第一共面波导传输线为第一背敷金属共面波导传输线，所述第二共面波导传输线为第二背敷金属共面波导传输线；

所述第一背敷金属共面波导传输线的背敷金属层和所述第二背敷金属共面波导传输线的背敷金属层均设置在所述第一信号层。

8.根据权利要求1-7任一项所述的磁场检测模块，其特征在于，所述PCB板还设有若干接地通孔，所述接地通孔电连接所述第一接地层和所述第二接地层。

9.根据权利要求1-7任一项所述的磁场检测模块，其特征在于，所述PCB板为玻璃纤维板。

10.一种磁场探头，包括探头外壳，其特征在于，所述探头外壳封装有权利要求1-9任一项所述的磁场检测模块。