CN110261798A - 非对称式差分磁场探头结构 - Google Patents

非对称式差分磁场探头结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种非对称式差分磁场探头结构，包括：第一探测部：感应外界磁场产生并输出第一电磁信号；第二探测部：感应外界磁场产生并输出第二电磁信号；所述第一探测部与所述第二探测部存在面积差，所述第一电磁信号和所述第二电磁信号组成差分信号。面积差形成的输出信号差为磁场探头提供了高的空间分辨率，同时，利用差分结构进行共模抑制设计，提高了磁场探头的电场抑制比。

Description

非对称式差分磁场探头结构
技术领域
本发明涉及近场扫描设备领域，具体地，涉及一种非对称式差分磁场探头结构。
背景技术
随着电子技术的发展，芯片体积变得越来越小，集成度越来越高，布线越来越来密，这导致电磁干扰问题变得越来越严重。因此，精确测量电路板、芯片、天线等器件辐射出来的电磁场强度可以帮助我们优化产品设计，解决电磁干扰问题。
磁场探头可以用来测量电路板等器件辐射出来的磁场强度，其主要性能包括灵敏度，空间分辨率和电场抑制比。灵敏度是指磁场探头耦合磁场能量的能力，空间分辨率是指磁场探头识别电磁干扰源位置的能力，而电场抑制比是指磁场探头抑制电场噪声干扰的能力。
根据结构划分，磁场探头可分为两种类型，即单磁场探头和差分磁场探头。专利文献(CN204389661U)中公开了一种单磁场探头结构，但是，对于单磁场探头来说，要想获得高的空间分辨率性能，就得减小探头的尺寸，但是减小尺寸又会恶化探头的灵敏度性能。差分磁场探头结构的提出能有效地解决上述问题。专利文献(CN109655770A)提出了一种叠加放置型差分磁场探头结构，此探头由四层金属层组成，从上往下依次为上层地平面、第一探测部信号层、第二探测部信号层、下层地平面。在这种叠加放置型差分磁场探头结构中，第一探测部的信号层和第二探测部的信号层垂直摆放，因此，随着频率的升高，第一探测部和第二探测部间的能量耦合会增大，从而使其发生谐振，带来误差。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非对称式差分磁场探头结构。
根据本发明提供的一种非对称式差分磁场探头结构，包括：
第一探测部：感应外界磁场产生并输出第一电磁信号；
第二探测部：感应外界磁场产生并输出第二电磁信号；
所述第一探测部与所述第二探测部存在面积差，所述第一电磁信号和所述第二电磁信号组成差分信号。
优选地，所述第一探测部和所述第二探测部均包括：开口环部分、传输部分和转接部分；
每个部分分别包括介质基板，所述介质基板包括：
至少两层介质，每层介质上设置有金属导体；
外导体，所述外导体包括上下两层，跨接在所述介质基板上，与所述介质基板形成一个置物空间；
内导体，所述内导体放置在所述置物空间内。
优选地，所述第一探测部的介质基板和所述第二探测部的介质基板相连，所述第一探测部的外导体和所述第二探测部的外导体相连，所述第一探测部的内导体和所述第二探测部的内导体平行。
优选地，所述第一探测部的开口环部分的上下两层外导体都有开孔，开孔面积相同；
所述第二探测部的开口环部分的上下两层外导体都有开孔，开孔面积相同；
所述第一探测部的开口环部分的外导体开孔面积和所述第二探测部的开口环部分的外导体开孔面积不同。
优选地，在所述开口环部分设置有共模抑制，所述共模抑制包括：在所述开口环部分的外导体开孔面积较大的探测部，其介质基板和外导体的长度长于所述开口环部分的外导体开孔面积较小的探测部的介质基板和外导体的长度。
优选地，所述第一探测部的开口环部分的内导体在垂直方向上位于所述第一探测部的开口环部分的外导体开孔的外侧，所围面积等于所述第一探测部的开口环部分的外导体的开孔面积；
所述第二探测部的开口环部分的内导体在垂直方向上位于所述第二探测部的开口环部分的外导体开孔的外侧，所围面积等于所述第二探测部的开口环部分的外导体的开孔面积。
优选地，在所述第一探测部的开口环部分和所述第二探测部的开口环部分各设置有一个短接通孔；
所述所述第一探测部的短接通孔位于所述第一探测部的开孔外侧，从下往上依次通过所述第一探测部开口环部分的下层外导体、所述第一探测部开口环部分的内导体末端和所述第一探测部开口环部分的上层外导体。
所述第二探测部的短接通孔位于所述第二探测部的开孔外侧，从下往上依次通过所述第一探测部开口环部分的下层外导体、所述第二探测部开口环部分的内导体末端和所述第二探测部开口环部分的上层外导体。
优选地，所述第一探测部和所述第二探测部均为带状线传输结构。
优选地，在所述第一探测部的传输部分和所述第二探测部的传输部分设置有多个屏蔽通孔，所述屏蔽通孔设置于所述第一探测部和所述第二探测部的外侧，或所述第一探测部和所述第二探测部之间；
所述屏蔽通孔连接上下层外导体，不与内导体接触。
优选地，所述第一探测部的转接部分和所述第二探测部的转接部分位于所述非对称式差分磁场探头结构的末端，所述第一探测部的转接部分的上层外导体和所述第二探测部的转接部分的上层外导体均设置有开孔，开孔面积相同；
在所述第一探测部的转接部分和所述第二探测部的转接部分各设置有一个转接通孔；
所述第一探测部的转接通孔一端连接所述第一探测部的转接部分的内导体末端，另一端通过所述第一探测部的转接部分的上层外导体开孔，连接至所述介质基板表面，不与所述外导体接触；
所述第二探测部的转接通孔一端连接所述第二探测部的转接部分的内导体末端，另一端通过所述第二探测部的转接部分的上层外导体开孔，连接至所述介质基板表面，不与所述外导体接触。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
所述第一探测部和所述第二探测部水平放置，并设计有屏蔽通孔，这减弱了差分结构带来的谐振干扰，扩宽了磁场探头的工作带宽；所述第一探测部和第二探测部的面积差形成一定的输出电压差，这提高了磁场探头的空间分辨率；所述磁场探头在差分结构基础上加入了共模抑制设计，这提高了磁场探头的电场抑制比。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一个实施例中非对称式差分磁场探头的结构示意图；
图2为一个实施例中非对称式差分磁场探头介质基板、外导体、内导体的相对位置示意图；
图3为一个实施例中非对称式差分磁场探头的导体分层示意图，从左至右分别为上层外导体，内导体层，下层外导体；
图4为一个实施例中非对称式差分磁场探头的空间分辨率的性能测试图；
图5为一个实施例中非对称式差分磁场探头的电场抑制比的性能测试图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所示，本案例中非对称式差分磁场探头结构，包括左探测部和右探测部两部分，第一探测部与第二探测部存在面积差。所述左探测部用于感应外界磁场产生电磁信号A，并将电磁信号A输出；所述右探测部用于感应外界磁场产生电磁信号B，并将电磁信号B输出；所述电磁信号A和所述电磁信号B组成差分信号，其面积差形成的输出信号差为磁场探头提供了高的空间分辨率。同时，本发明利用差分结构进行共模抑制设计，提高了磁场探头的电场抑制比。
左探测部和右探测部又可分为开口环部分、传输部分、转接部分三部分，每部分均包括：介质基板，介质基板包括至少两层介质，每层介质基板上可以覆盖金属导体；外导体，外导体包括上下两层，跨接在介质基板上，与介质基板形成一个置物空间；内导体，内导体放置在置物空间内。左探测部和右探测部的介质基板1相连；左探测部和右探测部的上层外导体2a相连；左探测部和右探测部的下层外导体2b相连；左探测部的内导体和右探测部的内导体平行放置，左探测部的内导体用标号3a表示，右探测部的内导体用标号3b表示。
在本案例的非对称式差分磁场探头结构中，左探测部开口环部分的上下两层外导体都有开孔，开孔面积相同；左探测部开口环部分的内导体位于左探测部外导体开孔外侧，其围成的面积等于左探测部外导体开孔面积。右探测部的开口环部分的上下两层外导体都有开孔，开孔面积相同；右探测部开口环部分的内导体位于右探测部外导体开孔外侧，其围成的面积等于右探测部外导体开孔面积。左探测部开口环部分外导体开孔面积略大于右探测部开口环部分外导体开孔面积，其开孔面积差形成的感应电压差使得本案例中的非对称式差分磁场探头具有高的空间分辨率性能。另外，左探测部开口环部的介质基板和外导体的长度略长于右探测部开口环部的介质基板和外导体的长度，其长度差给本案例中的非对称式差分磁场探头提供了高的电场抑制比性能。最后，在左探测部的开口环部分和右探测部的开口环部分各设计有一个短接通孔。左侧短接通孔4a位于左探测部外导体开孔外侧，从下往上依次通过左探测部开口环部分的下层外导体，左探测部开口环部分的内导体末端，左探测部开口环部分的上层外导体，在左探测部开口环部分形成闭合环路。右侧短接通孔4b位于右探测部开孔外侧，从下往上依次通过右探测部开口环部分的下层外导体，右探测部开口环部分的内导体末端，右探测部开口环部分的上层外导体，在右探测部开口环部分形成闭合环路。
在本案例的非对称式差分磁场探头结构中，左探测部的传输部分的介质基板和上下层外导体和右探测部的传输部分的介质基板和上下层外导体均采用阶梯型设计，左探测部的传输部分的内导体和右探测部的传输部分的内导体均采用折线形拐弯设计，这便于转接头的安装和焊接。另外，在左探测部的传输部分和右探测部的传输部分设计有多个屏蔽通孔，屏蔽通孔5均匀放置在左探测部传输部分的左侧、左探测部传输部分和右探测部传输部分之间、右探测部传输部分的右侧；屏蔽通孔5连接上下层外导体2a和2b，不与内导体3a和3b接触。屏蔽通孔5的作用为减弱信号传输时的互相干扰。
在本案例的非对称式差分磁场探头结构中，左探测部转接部分上层外导体的尾部和右探测部转接部分上层外导体的尾部各设计有一个开孔，开孔面积相同。另外，在左探测部的转接部分和右探测部的转接部分各设计有一个转接通孔。左侧转接通孔6a的一端连接左探测部转接部分的内导体末端，另一端通过左探测部转接部分的上层外导体开孔，连接至介质基板表面，左侧转接通孔6a不与外导体接触；右侧转接通孔6b的一端连接右探测部转接部分的内导体末端，另一端通过右探测部转接部分的上层外导体开孔，连接至介质基板表面，右侧转接通孔6b不与外导体接触。转接通孔6a和6b的作用是将信号从介质基板1内部引出至上表面，便于通过接收机接收信号。
图2为本案例非对称式差分磁场探头介质基板1、外导体2a和2b、内导体3a和3b的相对位置示意图。在本案例的非对称式差分磁场探头结构中，位于内导体上方的介质基板总厚度为h1，位于内导体下方的介质基板总厚度为h2，外导体和内导体的金属层厚度均为t。
图3为本案例非对称式差分磁场探头的导体分层示意图，从左至右分别为上层外导体，内导体层，下层外导体。在本案例的非对称式差分磁场探头结构中，左探测部开口环部分外导体开孔与右探测部开口环部分外导体开孔等宽，其大小为a；左探测部开口环部分外导体开孔高度为b1，右探测部开口环部分外导体开孔高度为b2，b1略大于b2，其差值为d1。左探测部开孔的最左端与右探测部开孔的最右端的距离为m，其在工艺条件下应设计得尽可能小以便减小误差。另外，在本案例设计中，左探测部开口环部分的介质基板和外导体长度略长于右探测部开口环部分的介质基板和外导体长度，长度差为d2，这一设计使得左探测部和右探测部受到的电场干扰强度接近，在差分处理后可以减弱总电场噪声干扰。
本案例中采用微带线作为待测件来测试磁场探头的性能，采用网络分析仪作为接收设备来接收输出信号。微带线的一端连接网络分析仪的Port 1端口，另一端连接匹配负载；磁场探头左探测部的输出端接网络分析仪的Port 2端口，磁场探头右探测部的输出端接网络分析仪的Port 3端口。S21和S31分别对应的是左探测部和右探测部探测到的磁场强度，|Sdiff|＝|S21|-|S31|对应的是差分探头探测到的磁场强度。
图4为本案例中非对称式差分磁场探头空间分辨率的性能测试图。空间分辨率定义如下：当磁场探头位于微带线上方并垂直于微带线导带水平移动时，磁场强度从峰值开始下降6dB时对应的移动距离。图示结果显示，左探测部，右探测部，差分探头的空间分辨率分别为0.54mm，0.56mm，0.47mm；和左探测部和右探测部相比，差分探头的空间分辨率提高13.0％和16.1％。
图5为本案例中非对称式差分磁场探头电场抑制比的性能测试图。电场抑制比定义为当磁场探头位于微带线正上方时，其耦合到的磁场能量和电场能量的比值。图示结果显示，左探测部、右探测部、差分探头(有共模抑制设计)和差分探头(无共模抑制设计)的电场抑制比分别约为22dB、24dB、40dB和18dB，和左探测部、右探测部和差分探头(无共模抑制设计)相比，差分探头(有共模抑制设计)的电场抑制比提高81.8％、66.7％和122.2％。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，包括：
第一探测部：感应外界磁场产生并输出第一电磁信号；
第二探测部：感应外界磁场产生并输出第二电磁信号；
所述第一探测部与所述第二探测部存在面积差，所述第一电磁信号和所述第二电磁信号组成差分信号。
2.根据权利要求1所述的非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，所述第一探测部和所述第二探测部均包括：开口环部分、传输部分和转接部分；
每个部分分别包括介质基板，所述介质基板包括：
至少两层介质，每层介质上设置有金属导体；
外导体，所述外导体包括上下两层，跨接在所述介质基板上，与所述介质基板形成一个置物空间；
内导体，所述内导体放置在所述置物空间内。
3.根据权利要求2所述的非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，所述第一探测部的介质基板和所述第二探测部的介质基板相连，所述第一探测部的外导体和所述第二探测部的外导体相连，所述第一探测部的内导体和所述第二探测部的内导体平行。
4.根据权利要求2或3所述的非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，
所述第一探测部的开口环部分的上下两层外导体都有开孔，开孔面积相同；
所述第二探测部的开口环部分的上下两层外导体都有开孔，开孔面积相同；
所述第一探测部的开口环部分的外导体开孔面积和所述第二探测部的开口环部分的外导体开孔面积不同。
5.根据权利要求4所述的非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，在所述开口环部分设置有共模抑制，所述共模抑制包括：在所述开口环部分的外导体开孔面积较大的探测部，其介质基板和外导体的长度长于所述开口环部分的外导体开孔面积较小的探测部的介质基板和外导体的长度。
6.根据权利要求4所述的非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，
所述第一探测部的开口环部分的内导体在垂直方向上位于所述第一探测部的开口环部分的外导体开孔的外侧，所围面积等于所述第一探测部的开口环部分的外导体的开孔面积；
所述第二探测部的开口环部分的内导体在垂直方向上位于所述第二探测部的开口环部分的外导体开孔的外侧，所围面积等于所述第二探测部的开口环部分的外导体的开孔面积。
7.根据权利要求4所述的非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，在所述第一探测部的开口环部分和所述第二探测部的开口环部分各设置有一个短接通孔；
所述所述第一探测部的短接通孔位于所述第一探测部的开孔外侧，从下往上依次通过所述第一探测部开口环部分的下层外导体、所述第一探测部开口环部分的内导体末端和所述第一探测部开口环部分的上层外导体。
所述第二探测部的短接通孔位于所述第二探测部的开孔外侧，从下往上依次通过所述第一探测部开口环部分的下层外导体、所述第二探测部开口环部分的内导体末端和所述第二探测部开口环部分的上层外导体。
8.根据权利要求1所述的非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，所述第一探测部和所述第二探测部均为带状线传输结构。
9.根据权利要求2所述的非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，在所述第一探测部的传输部分和所述第二探测部的传输部分设置有多个屏蔽通孔，所述屏蔽通孔设置于所述第一探测部和所述第二探测部的外侧，或所述第一探测部和所述第二探测部之间；
所述屏蔽通孔连接上下层外导体，不与内导体接触。
10.根据权利要求2所述的非对称式差分磁场探头结构，其特征在于，所述第一探测部的转接部分和所述第二探测部的转接部分位于所述非对称式差分磁场探头结构的末端，所述第一探测部的转接部分的上层外导体和所述第二探测部的转接部分的上层外导体均设置有开孔，开孔面积相同；
在所述第一探测部的转接部分和所述第二探测部的转接部分各设置有一个转接通孔；
所述第一探测部的转接通孔一端连接所述第一探测部的转接部分的内导体末端，另一端通过所述第一探测部的转接部分的上层外导体开孔，连接至所述介质基板表面，不与所述外导体接触；
所述第二探测部的转接通孔一端连接所述第二探测部的转接部分的内导体末端，另一端通过所述第二探测部的转接部分的上层外导体开孔，连接至所述介质基板表面，不与所述外导体接触。
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