CN110095656A - 探测模块及探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测模块，其特征在于，包括：依次堆叠设有第一信号层、第一接地层、第二信号层、第二接地层的PCB板。第一信号层设有第一共面波导传输线和信号放大电路；信号放大电路的输入端连接第一共面波导传输线的中心导带的第一端，所信号放大电路的输出端用于连接外部信号分析设备。PCB板还设有带状线，带状线的导体带设置在第二信号层；导体带的第一端用于探测电场或磁场信号；导体带的第二端连接第一共面波导传输线的中心导带的第二端，用于向第一共面波导传输线传输电场或磁场信号。

Description

探测模块及探头

技术领域

本发明涉及电场探测领域，尤其涉及一种探测模块及探头。

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。

在实际检测电磁场的过程中，发明人发现传统的电磁场探头灵敏度低，很难检测出微弱信号，影响检测效果。

发明内容

基于此，有必要针对上述电磁场探头灵敏度低的技术问题，提供一种探测模块及探头。

本发明实施例提供一种探测模块，包括：依次堆叠设有第一信号层、第一接地层、第二信号层、第二接地层的PCB板；

第一信号层设有第一共面波导传输线和信号放大电路；信号放大电路的输入端连接第一共面波导传输线的中心导带的第一端，所信号放大电路的输出端用于连接外部信号分析设备；

PCB板还设有带状线，带状线的导体带设置在第二信号层；导体带的第一端用于探测电场或磁场信号；导体带的第二端连接第一共面波导传输线的中心导带的第二端，用于向第一共面波导传输线传输电场或磁场信号。

在其中一个实施例中，PCB板还设有第二共面波导传输线和三通微波偏置器；

第二共面波导传输线的中心导带的第一端连接信号放大电路的输出端，第二共面波导传输线的中心导带的第二端连接三通微波偏置器的射频混合输入端；

三通微波偏置器的第一偏置端用于接入第一偏置电压，三通微波偏置器的射频输出端用于连接外部信号分析设备；三通微波偏置器用于向信号放大电路供电以及分离信号放大电路输出信号的直流成分。

在其中一个实施例中，信号放大电路为宽带功率放大器；

宽带功率放大器的输入端连接第一共面波导传输线的中心导带的第一端，宽带功率放大器的输出端连接第二共面波导传输线的中心导带的第一端；

宽带功率放大器还包括第二偏置端和第三偏置端，第二偏置端用于接入第二偏置电压，第三偏置端用于接入第三偏置电压；第二偏置电压和第三偏置电压均用于为宽带功率放大器提供工作电压。

在其中一个实施例中，PCB板还设有偏置电源电路、第一电阻和第二电阻；

偏置电源电路的第一输出端用于向宽带功率放大器提供第二偏置电压，偏置电源电路的第二输出端用于向三通微波偏置器提供第一偏置电压；

第一电阻的第一端连接第一偏置端，第一电阻的第二端分别连接第二电阻的第一端和第三偏置端；第二电阻的第二端接地；第一电阻和第二电阻对第一偏置电压进行分压以向宽带功率放大器提供第三偏置电压。

在其中一个实施例中，第一共面波导传输线和第二共面波导传输线均为背敷金属共面波导传输线,且第一共面波导传输线和第二共面波导传输线的背敷金属层均设置在第一接地层。

在其中一个实施例中，第二信号层设有第一信号线和第二信号线；

第一信号线的第一端连接偏置电源电路的第一输出端，第一信号线的第二端连接宽带功率放大器的第二偏置端；

第二信号线的第一端连接偏置电源电路的第二输出端，第二信号线的第二端连接三通微波偏置器的第一偏置端。

在其中一个实施例中，PCB板设有若干个第一接地通孔，第一信号层设有若干个第一旁路电容，偏置电源电路为电源控制芯片；

电源控制芯片包括若干个第一接地端，每个第一旁路电容的第一端对应连接一个第一接地端，每个第一旁路电容的第二端对应连接一个第一接地通孔。

在其中一个实施例中，PCB板还设有若干个第二接地通孔，宽带功率放大器包括若干个第二接地端，第一信号层设有若干个第二旁路电容；

每个第二旁路电容的第一端对应连接一个第二接地端，每个第二旁路电容的第二端对应连接一个第二接地通孔。

在其中一个实施例中，PCB板设有信号通孔，导体带的第二端通过信号通孔连接第一共面波导传输线的中心导带的第二端。

本发明实施例还提供一种探头，包括探头外壳，探头外壳封装有上述任一项实施例提供的探测模块。

上述探测模块，通过设置信号放大电路，提高探测模块的灵敏度，并通过第一共面波导传输线与带状线连接，从而使得信号放大电路能够对带状线探测的电场或磁场信号进行放大，信号放大电路输出放大后的电场或磁场信号，以使外部信号分析设备能够分析微弱的电场或者磁场信号，实现对微弱电磁场信号的探测。

附图说明

图1为本发明一个实施例中探测模块的功能框图；

图2为本发明一个实施例中带状线的示意图；

图3为本发明一个实施例共面波导传输线的截面示意图；

图4A为本发明一个实施例中探测电场的带状线示意图；

图4B为本发明一个实施例中探测磁场的带状线示意图；

图5为本发明一个实施例三通微波偏置器的电路示意图；

图6为本发明一个实施例探测模块的电路示意图；

图7为本发明一个实施例第一信号层的布线示意图；

图8为本发明一个实施例第一接地层的布线示意图；

图9为本发明一个实施例第二信号层的布线示意图；

图10为本发明一个实施例第二接地层的布线示意图；

图11为本发明一个实施例电源控制芯片的电路图；

图12为本发明一个实施例宽带功率放大器的电路图。

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探测模块，包括依次堆叠设有第一信号层、第一接地层、第二信号层和第二接地层的PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)板。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)。PCB板1上还设有带状线3，第一信号层设有第一共面波导传输线11(Coplanar Waveguide，CPW)和信号放大器。

其中，如图2所示，是带状线3的截面图，带状线3是由两块接地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构成。如图3所示，是共面波导传输线的截面图，共面波导传输线是在介质基片的一个面上制作出中心导带，并在紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面而形成的传输线，其中导体平面用于接地。信号放大器是能够将信号进行放大的任意装置。

信号放大电路2的输入端连接第一共面波导传输线11的中心导带的第一端，信号放大电路2的输出端用于连接外部信号分析设备4。带状线3的导体带的第一端用于探测电场信号或者磁场信号，由于带状线3设有两个接地金属带，因此，其带状线3的阻抗容易控制，同时屏蔽较好，可保证高空间分辨率、高精度的电磁场分布测量。带状线3的导体带的第二端连接第一共面波导传输线11的第二端，带状线3将探测到的电场信号或者磁场信号传至第一共面波导传输线11。信号放大电路2接收由第一共面波导传输线11传输的电场或者磁场信号，并对电场或者磁场信号进行放大，将放大后的电场或者磁场信号输出至外部信号分析设备4。

外部信号分析设备4用于对采集的信号进行数据处理后，确定待测磁场的相关信息。外部信号分析设备4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。

其中，如图4A所示，带状线3可以是探针形，用于探测电场强度。如图4B所示，带状线3也可以是半环形，配合PCB半开设探测孔缝10，用于探测磁场强度。其中，探测孔缝10是由孔和缝组成的开口，探测孔缝10的孔是为了能让磁感线穿过，从而使布设在孔周围的探测线产生电信号；探测孔缝10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10的设置能够使待测磁场穿过PCB板1，从而使得探测线感应磁场变化对磁场进行检测即可。

本发明实施例的探测模块，带状线3探测的电场或者磁场信号，通过第一共面波导传输线11输送至信号放大电路2，信号放大电路2对探测的电场或者磁场信号进行放大后输出，使得外部信号分析设备4能够分析微弱的电场或者磁场信号，实现对微弱电场或者磁场信号的测量。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有第二共面波导传输线12和三通微波偏置器5。其中，参考图5所示，三通微波偏置器5(Bias Tee)是一个三端口元件，包括一个电感和一个电容，其中，电感的第一端与电容的第一端连接，电感的第二端作为第一偏置端，即DC端，用于接入直流偏置信号。电感的第一端还作为射频混合输入端，即DC+RF端，用于接入射频混合信号，电容的第二端作为射频输出端，即RF端，用于输出隔离直流成分后的射频信号。参考图6所示，在本实施例中，信号放大电路2通过三通微波偏置器5输出放大后的电场或者磁场信号，即第二共面波导传输线12的中心导带的第一端连接信号放大电路2的输出端，第二共面波导传输线12的中心导带的第二端连接三通微波偏置器5的射频混合输入端。三通微波偏置器5的第一偏置端用于接入第一偏置电压，可以向信号放大电路供电，三通微波偏置器5还将信号放大电路2输出信号的直流成分分离后，从其射频输出端输出放大并经分离直流成分的电场或者磁场探测信号输出至外部信号分析设备4，能够得到稳定的放大输出信号，便于对探测的电场或磁场进行分析。

在其中一个实施例中，信号放大电路2为宽带功率放大器。其中，宽带功率放大器的输入端连接第一共面波导传输线11的中心导带的第一端，宽带功率放大器的输出端连接第二共面波导传输线12的中心导带的第一端。带状线3探测得到的电场或者磁场信号，经第一共面波导传输线11传输至宽带功率放大器，宽带功率放大器将电场或者磁场信号放大后输出。其中，宽带功率放大器还包括第二偏置端和第三偏置端，第二偏置端用于接入第二偏置电压，第三偏置端用于接入第三偏置电压，第二偏置电压和第三偏置电压用于为宽带功率放大器提供工作电压，以使宽带功率放大器能够对信号进行放大。可选地，第二偏置端可以连接第一外部电源，以接收第二偏置电压。可选地，第三偏置端也可以连接第二外部电源，以接收第三偏置电压。可选地，还可以通过电源芯片分别对第二偏置端输入第二偏置电压、对第三偏置端输入第三偏置电压。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有偏置电源电路6、第一电阻R1和第二电阻R2，以向三通微波偏置器5提供第一偏置电压，对宽带功率放大器提供第二偏置电压和第三偏置电压。可选地，第一偏置电压大于第三偏置电压，偏置电源电路6的第一输出端与宽带功率放大器的第二偏置端连接，以向宽带功率放大器提供第二偏置电压。偏置电源电路6的第二输出端与三通微波偏置器5的第一偏置端连接，以向三通微波偏置器5提供第一偏置电压。同时，偏置电源电路6的第二输出端通过电阻分压向宽带功率放大器提供第三偏置电压，即第一电阻R1的第一端连接三通微波偏置器5的第一偏置端，第一电阻R1的第二端分别连接第二电阻R2的第一端和宽带功率放大器的第三偏置端，第二电阻R2的第二端接地。这样，通过设置第一电阻R1和第二电阻R2的合理阻值，可以对第一偏置电压进行分压，并将所得分压作为第三偏置电压输出至宽带功率放大器的第三偏置端，从而实现在探测模块设置内部电源电路对三个偏置电压进行供电，简化探测模块与外部的连接，提高探测效率。

在其中一个实施例中，第一共面波导传输线11为第一背敷金属共面波导传输线(Conductor Backed Coplanar Waveguide,CB-CPW)，第二共面波导传输线12为第二背敷金属共面波导传输线。背敷金属共面波导传输线的结构是在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均设置在第一接地层。

参考图9所示，为本发明一个实施例中第二信号层的布线示意图在其中一个实施例中，第二信号层设有第一信号线61和第二信号线62。第一信号线61的第一端连接偏置电源电路6的第一输出端，第一信号线61的第二端连接宽带功率放大器的第二偏置端，即偏置电源电路6通过第第一信号线61向宽带功率放大器提供第二偏置电压。

第二信号线62的第一端连接偏置电源电路6的第二输出端，第二信号线62的第二端连接三通微波偏置器5的第一偏置端，即偏置电源电路6通过第二信号线62向三通微波偏置器5提供第一偏置电压。由于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设置，如果第一信号线61和第二信号线62设置在第一接地层，则会破坏第一背敷金属传输线和第二背敷金属传输线的背敷金属层，影响两个背敷金属共面波导传输线的射频传输性能，同样的，如果将第一信号线61和第二信号线62设置在第二接地层，将影响接地层的接地效果，同时也会干扰第一信号线61和第二信号线62的传输性能。因此，通过将第一信号线61和第二信号线62设置在第二信号层，能够保持第一接地层和第二接地层的完整，保证接地和屏蔽效果。可选地，偏置电源电路6设置在第一信号层，偏置电源电路6的第一输出端通过第一导电通孔与第一信号线61的第一端连接，偏置电源电路6的第二输出端通过第二导电通孔与第二信号线62的第一端连接；宽带功率放大器的第二偏置端通过第三导电通孔与第一信号线61的第二端连接，三通微波偏置器5的第一偏置端通过第四导电通孔与第二信号线62的第二端连接。

在其中一个实施例中，PCB板1设有若干个第一接地通孔111，第一信号层设有若干个第一旁路电容，偏置电源电路6为电源控制芯片。

其中第一接地通孔111为贯穿PCB板1的通孔，同时其内壁设置有导电层，以使第一接地层和第二接地层能够导电连接，共同接地。

其中，电源控制芯片为了保证输入输出性能的稳定，设有若干个第一接地端。每个第一旁路电容的第一端对应连接一个第一接地端，每个第一旁路电容的第二端对应连接一个地接通孔。第一旁路电容用于对电源控制芯片的输入输出进行滤波和去耦。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有若干个第二接地通孔112，第一信号层设有若干个第二旁路电容。

其中，第二接地通孔112与第一接地通孔111为同样的设置。宽带功率放大器为了保证输入输出性能的稳定，设有若干个第二接地端。每个第二旁路电容的第一端对应连接一个第二接地端，每个第二旁路电容的第二端对应连接一个第二接地通孔112。第二旁路电容与第一旁路电容的作用类似，用于对宽带功率放大器的输入输出进行滤波和去耦。

在其中一个实施例中，PCB板1上还设有信号通孔113。信号通孔113贯穿PCB板1，其内壁设有导电材料，以使PCB板1各层的电路能够通过信号通孔113进行信号传输。其中，带状线3的导体带的第二端通过信号通孔113与第一共面波导传输线11的中心导带的第二端连接，使得带状线3探测的电场或者磁场信号能够传输到第一共面波导传输线11上。可选地，PCB板1还设有同轴通孔114(Coax-thru-hole)，同轴通孔114贯穿PCB板1各层，为内壁设有导电层的通孔。同轴通孔114有若干个，沿信号通孔113的四周离散分布，并且与信号通孔113的距离均相等，能够屏蔽干扰，同时能够抑制信号的衰减，补偿信号通孔113的阻抗失配。同轴通孔114的数量根据PCB板1的实际尺寸确定，相邻的两个同轴通孔114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、抑制信号衰减以及补偿阻抗的需求即可。可选地，本实施例中，根据PCB板1材的间隔、相对介电常数、带状线3的结构尺寸、共面波导传输线的结构尺寸等因素，对探测到的电场或磁场信号传输的合适阻抗进行设置，本实施例中，合适的阻抗为50欧姆，以提高信号传输质量。

在其中一个实施例中，PCB板上还设有若干个地平面通孔115，地平面通孔与第一接地通孔相同设置，贯穿PCB板且内部设有导电层，地平面通孔115分布在PCB边缘多处，用于将第一接地层和第二接地层导电连接，减少分布电容的多探测信号以及芯片的影响。

在其中一个实施例中，PCB还设有SMA连接器(Subminiature A Type connector，微波高频连接器)，第一信号层上还设有第三共面波导传输线13。第三共面波导传输线13的中心导带的第一端连接三通微波偏置器5的射频输出端，第三共面波导传输线13的中心导带的第二端连接SMA连接器的输入端，SMA连接器的输出端用于连接外部信号分析设备4，即三通微波偏置器5的射频输出端通过SMA连接器与外部信号分析设备4连接，进行电场或者磁场探测信号的传输。

在其中一个实施例中，电源控制芯片采用HMC920芯片。参考图11所示，为HMC920芯片的电路图。宽带功率放大器采用HMC994芯片。参考图12所示，为HMC994芯片的电路图。其中，HMC920芯片的第21脚作为第一输出端连接HMC994芯片的第二偏置端，即HMC994芯片的第13脚。HMC920芯片的第22脚和第23脚作为第二输出端连接三通微波偏置器5的第一偏置端，即DC端。HMC994芯片的第5脚作为输入端连接第一共面波导线的中心导带的第一端，HMC994芯片的第21脚作为输出端连接三通微波偏置器5的射频混合输入端，即DC+RF端。可选地，带状线3探测的电场或者磁场信号经宽带功率放大器HMC994芯片放大可得到增益15dB的放大信号，并且在2GHz-20GHz带宽内均可得到15dB增益。可选地，HMC920芯片的第一输出端输出-0.5V，即第二偏置电压为-0.5V。HMC920芯片的第二输出端输出10V，即第一偏置电压为10V。HMC994芯片的第三偏置电压为3.5V，可选地，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值之比为13比7，以对第一偏置电压进行分压得到3.5V的第三偏置电压。可选地，第一电阻R1采用13KΩ电阻，第二电阻R2采用7KΩ电阻。

本发明实施例还提供一种探头，包括探头外壳，探头外壳封装有上述任一项探测模块实施例提供的探测模块。

可选地，探测模块的PCB板1还开设有安装孔，用于安装探头外壳，或者用于将探测模块固定于外部信号分析设备4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)

1.一种探测模块，其特征在于，包括：依次堆叠设有第一信号层、第一接地层、第二信号层、第二接地层的PCB板；

所述第一信号层设有第一共面波导传输线和信号放大电路；所述信号放大电路的输入端连接所述第一共面波导传输线的中心导带的第一端，所信号放大电路的输出端用于连接外部信号分析设备；

所述PCB板还设有带状线，所述带状线的导体带设置在所述第二信号层；所述导体带的第一端用于探测电场或磁场信号；所述导体带的第二端连接所述第一共面波导传输线的中心导带的第二端，用于向所述第一共面波导传输线传输所述电场或磁场信号。

2.根据权利要求1所述的探测模块，其特征在于，所述PCB板还设有第二共面波导传输线和三通微波偏置器；

所述第二共面波导传输线的中心导带的第一端连接所述信号放大电路的输出端，所述第二共面波导传输线的中心导带的第二端连接所述三通微波偏置器的射频混合输入端；

所述三通微波偏置器的第一偏置端用于接入第一偏置电压，所述三通微波偏置器的射频输出端用于连接所述外部信号分析设备；所述三通微波偏置器用于向所述信号放大电路供电以及分离所述信号放大电路输出信号的直流成分。

3.根据权利要求2所述的探测模块，其特征在于，所述信号放大电路为宽带功率放大器；

所述宽带功率放大器的输入端连接所述第一共面波导传输线的中心导带的第一端，所述宽带功率放大器的输出端连接所述第二共面波导传输线的中心导带的第一端；

所述宽带功率放大器还包括第二偏置端和第三偏置端，所述第二偏置端用于接入第二偏置电压，所述第三偏置端用于接入第三偏置电压；所述第二偏置电压和所述第三偏置电压均用于为所述宽带功率放大器提供工作电压。

4.根据权利要求3所述的探测模块，其特征在于，所述PCB板还设有偏置电源电路、第一电阻和第二电阻；

所述偏置电源电路的第一输出端用于向所述宽带功率放大器提供所述第二偏置电压，所述偏置电源电路的第二输出端用于向所述三通微波偏置器提供所述第一偏置电压；

所述第一电阻的第一端连接所述第一偏置端，所述第一电阻的第二端分别连接所述第二电阻的第一端和所述第三偏置端；所述第二电阻的第二端接地；所述第一电阻和所述第二电阻对所述第一偏置电压进行分压以向所述宽带功率放大器提供所述第三偏置电压。

5.根据权利要求4所述的探测模块，其特征在于，所述第一共面波导传输线和所述第二共面波导传输线均为背敷金属共面波导传输线,且所述第一共面波导传输线和所述第二共面波导传输线的背敷金属层均设置在所述第一接地层。

6.根据权利要求5所述的探测模块，其特征在于，所述第二信号层设有第一信号线和第二信号线；

所述第一信号线的第一端连接所述偏置电源电路的第一输出端，所述第一信号线的第二端连接所述宽带功率放大器的第二偏置端；

所述第二信号线的第一端连接所述偏置电源电路的第二输出端，所述第二信号线的第二端连接所述三通微波偏置器的第一偏置端。

7.根据权利要求6所述的探测模块，其特征在于，所述PCB板设有若干个第一接地通孔，所述第一信号层设有若干个第一旁路电容，所述偏置电源电路为电源控制芯片；

所述电源控制芯片包括若干个第一接地端，每个所述第一旁路电容的第一端对应连接一个所述第一接地端，每个所述第一旁路电容的第二端对应连接一个所述第一接地通孔。

8.根据权利要求7所述的探测模块，其特征在于，所述PCB板还设有若干个第二接地通孔，所述宽带功率放大器包括若干个第二接地端，所述第一信号层设有若干个第二旁路电容；

每个所述第二旁路电容的第一端对应连接一个所述第二接地端，每个所述第二旁路电容的第二端对应连接一个所述第二接地通孔。

9.根据权利要求1-8所述的探测模块，其特征在于，所述PCB板设有信号通孔，所述导体带的第二端通过所述信号通孔连接所述第一共面波导传输线的中心导带的第二端。

10.一种探头，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任一项所述的探测模块。