CN110824261B - 一种采用混合偏置滤波网络的有源磁场探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用混合偏置滤波网络的有源磁场探头，为四层印制电路板结构，该四层为：顶层、中间一层、中间二层及底层，中间一层为地层，中间二层为电源层，顶层与底层为屏蔽地层；探头分为耦合部分、传输放大部分和连接部分，顶层为连续设置在耦合部分、传输放大部分和连接部分；底层，设置在耦合部分，并延伸至传输放大部分一小段；有源磁场探头进一步包括有：信号传输线、混合偏置滤波网络、放大电路；本发明能够有效地增大探头与受测线路之间的耦合强度，解决了国内现有磁场探头在吉赫兹以下频段进行测试时灵敏度差的缺点。本发明同时具备带宽高和高灵敏度，有效改善了有源磁场探头设计领域存在带宽低或者灵敏度差的情况。

Description

一种采用混合偏置滤波网络的有源磁场探头

【技术领域】

本发明一种采用混合偏置滤波网络的有源磁场探头，属于电磁场近场测试领域，特别涉及到一种高性能混合偏置滤波网络的应用以及将有源放大电路与传统闭合金属环结构进行一体化设计的有源磁场探头，即通过本有源磁场探头进行近场测试可以获得受测设备的高灵敏度近场磁场分布参数。

【背景技术】

小型化近场测试技术越来越被广泛关注，其中对微弱信号探测的技术研究也在不断的发展。电子科学技术的高速发展对各种电子电气设备带来了更高性能的改善，同时也带来了潜在的电磁兼容性问题。高新科技的广泛应用，可能会对电子系统形成不可避免的传导干扰和辐射干扰，导致系统性能发生降级甚至严重电磁事故的发生。在工程电磁兼容测试过程中，磁场信号尤其是低频磁场信号往往能够反映受测试设备大电流的分布情况，实现对噪声源的准确定位以便后续的排故和整改。传统的无源磁场探头的传输系数较低，不适合微弱信号的探测。因此一种采用放大电路的有源磁场探头的研究迫在眉睫，通过将有源放大器集成在传统磁场探头上进行一体化设计，实现了小型化，高增益，无反射连接和易于使用维护等优点。

近场探头按照探测的场强形式可分为磁场探头、电场探头这两大类，按照工作带宽可分为谐振探头和宽带探头，按照测试形式又可分为接触式探头和非接触式探头。其中属宽带非接触式电磁场探头的应用较为广泛，目前在国内，北京航空航天大学的EMC团队已经可以将宽带非接触式电场探头设计到50吉赫兹，宽带非接触式磁场探头可达20吉赫兹。而将放大电路与探头结构进行一体化设计在国内尚属起步阶段，台湾清华大学设计了一种接触式的有源磁场探头，其带宽可达吉赫兹，在有效探测带宽内传输增益为-18dB，而接触式有源磁场探头的设计尚无先例。

有源磁场探头能够有效改善低频探测的灵敏度，其有效程度基本上取决于放大电路的性能。对于有源器的设计难点主要集中在偏置滤波网络的设计上。传统滤波结构由于只采用一个电感，为了使得低频有较好的滤波效果往往采用较大的电感(数百uH甚至mH)。但是较大的电感同时导致了较小的自谐振频率，实际可用带宽被大打折扣。而采用混合偏置滤波网络则能够兼顾高频和低频滤波性能。因此一种频带宽带可达吉赫兹的采用混合偏置滤波网络的有源磁场探头设计可以有效解决当下电磁环境监测的需要。

【发明内容】

为了克服现有无源磁场探头的不足，并解决现有有源探头带宽窄、灵敏度低等难题，本发明的目的在于提供一种采用混合偏置滤波网络的有源磁场探头，其带宽可达吉赫兹，同时将有源放大电路与磁场探头的金属环结构进行一体化设计能有效解决在电磁环境监测过程中对弱小信号的空间场强分布的测试难题。

本发明采用以下技术方案实现：

一种采用混合偏置滤波网络的有源磁场探头是一个四层印制电路板结构，所述的四层可以分为：顶层、中间一层、中间二层及底层，其中中间一层为地层，中间二层为电源层，顶层与底层为屏蔽地层；该探头分为耦合部分、传输放大部分和连接部分，所述的顶层为连续设置在耦合部分、传输放大部分和连接部分；所述的底层，设置在耦合部分，并延伸至传输放大部分一小段。所述的有源磁场探头进一步包括有：信号传输线、混合偏置滤波网络、放大电路。

所述的信号传输线在耦合部分位于中间二层，在传输放大部分和连接部分位于顶层。由于磁场探头的探针结构是一个闭合的金属环，因此较容易拾取电磁环境中分布的干扰信号，从而影响探头对受测设备进行测量。因此在探头耦合部分将闭合金属环结构设计在中间二层，而将屏蔽地层设计在有源磁场探头耦合部分的顶层和底层，这样可以有效地屏蔽干扰从而使探头对干扰源进行精准定位。而在传输放大部分和连接部分由于器件必须放置在表层，因此信号传输线的设计直接位于顶层。

所述的混合偏置滤波网络设计在探头传输放大部分的底层，该滤波网络的电源端与四个并联的滤波电容相连，再经过电感与电阻构成的并联支路，最终通过过孔与电源层相连。其中，所述的电感为两个，大小分别为1mH和560nH，对高频信号和低频信号进行滤波；所述的电阻为两个，大小分别为560欧姆和330欧姆，对目标滤波信号进行控制，使得目标信号更少的流向电源。

所述的放大电路位于探头传输放大部分的顶层，该放大电路采用半导体公司TI的LTC6433-15放大芯片，采用+5V供电。本放大电路采用了两级放大电路，信号从输入端到输出端可获得30dB的高增益。同时该放大电路的电源端通过过孔与电源层连接，信号输出端也通过过孔和底层的混合偏置滤波网络相连接。

所述的中间一层即地层位于探头的传输放大部分和连接部分，是信号传输线在传输放大部分和连接部分的参考平面，其与信号传输线之间的阻抗设计与探头连接部分的SMA连接器阻抗保持一致。

所述的中间二层即电源层，指探头在中间二层中较粗的PCB走线，供有+5V的直流电压，如附图4c所示。该电源层通过过孔与顶层的放大电路电源端以及底层混合偏置滤波网络的电源端相连接，从而为整个放大电路提供能量来源。将该电源层也设计在中间层是为了防止环境中的电磁信号耦合对探头的性能产生影响。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的混合偏置滤波网络以及将有源放大电路与探头结构进行一体化设计的方法能够有效地增大探头与受测线路之间的耦合强度，解决了国内现有磁场探头在吉赫兹以下频段进行测试时灵敏度差的缺点。本发明同时具备带宽高和高灵敏度的特点，有效改善了有源磁场探头设计领域存在带宽低或者灵敏度差的情况。

【附图说明】

图1是本发明的有源磁场探头结构示意图。

图2是本发明的有源磁场探头近场测试示意图。

图3是本发明的有源磁场探头混合偏置滤波网络电路结构示意图。

图4a、4b、4c、4d是本发明的有源磁场探头结构叠层分解图，其中图4a为顶层，图4b为中间一层，图4c为中间二层，图4d为底层。

图5是本发明的有源磁场探头传输增益测试结果。

附图标记：1、耦合部分；2、传输放大部分；3、连接部分；4、信号传输线；5、混合偏置滤波网络；6、放大电路；7、地层；8、电源层；9、顶层屏蔽地层；10、底层屏蔽地层；11、闭合金属环结构；12、电源过孔；13、SMA连接器；14、直流电压源；15、供电线缆；16、受测平台；17、有源磁场探头；18、同轴线缆；19、接收机。

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本实例提供一种应用于近场测试的高灵敏度有源磁场探头，是一个四层印制电路板结构，所述的四层可以分为：顶层、中间一层、中间二层及底层(如图4a—4d)，该探头分为耦合部分1、传输放大部分2和连接部分3，具体包括信号传输线4、混合偏置滤波网络5、放大电路6、地层7和电源层8。所述的信号传输线4在耦合部分位于中间层，在传输放大部分和连接部分位于顶层。混合偏置滤波网络5位于传输放大部分的底层。放大电路6位于传输放大部分的顶层。闭合金属环结构11设计在耦合部分的中间层，闭合金属环结构的上下分别分布有顶层屏蔽地层9和底层屏蔽地层10，可以屏蔽外界干扰，对受测设备进行精准测试。在传输放大部分2和连接部分3的中间层主要有地层7和电源层8，其中地层7与顶层信号传输线之间的阻抗设计为50欧姆，电源层8通过电源过孔12给放大电路6和混合偏置滤波网络5进行供电，供电电压为+5V。在连接部分3主要是通过SMA连接器13对外输出信号，提供测试结果。

所述的混合偏置滤波网络设计在探头传输放大部分的底层，如图3所示，该滤波网络采用了四个大小分别为1000pF，0.1uF，1uF和10uF的电容，该滤波网络的电源端与这四个并联的滤波电容直接相连，再经过电感与电阻构成的并联支路，最终通过过孔与电源层相连。该网络采用两个大小分别为1mH和560nH的电感对高频信号和低频信号进行滤波，还采用了两个大小分别为560欧姆和330欧姆的电阻对目标滤波信号进行控制，使得目标信号更少的流向电源。两个电阻所组成的支路与两电感组成的支路是并联的，对于直流信号而言，其会选择电感支路对放大器进行供电，不会因为滤波网络中的电阻存在而产生额外的电阻损耗。

本实例中被有源磁场探头测试的设备可以包括集成电路、电路板、线缆，机壳等，这些仅仅是作为示例性说明，并非罗列出所有的被测试电子设备。

如图2所示，为应用本发明的有源磁场探头结构进行近场测试的实施例，具体测试设备包括直流电压源14、供电线缆15、受测平台16、有源磁场探头17、同轴线缆18和接收机19。

本发明的有源磁场探头17放置在受测平台16的一个近场平面上，有源磁场探头17的输出端与同轴线缆18的一端相连接，同轴线缆18的另一端与接收机19相连接。供电线缆15的一端与有源磁场探头相连，另一端与直流电压源14连接。当直流电压源14提供+5V的直流电压时，将该有源磁场探头17放置在近场平面某一固定点，通过测量1吉赫兹内不同频点的传输增益，读取接收机19上的结果，经统计后可得到受测平台16的近场平面上的测试结果如图5所示，可知该有源磁场探头17在1吉赫兹的传输增益可高达0dB，极大地改善了有源磁场探头的性能。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上描述的技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种采用混合偏置滤波网络的有源磁场探头，为四层印制电路板结构，所述的四层可以分为：顶层、中间一层、中间二层及底层，其中中间一层为地层，中间二层为电源层，顶层与底层为屏蔽地层；其特征在于：该探头分为耦合部分、传输放大部分和连接部分，所述的顶层为连续设置在耦合部分、传输放大部分和连接部分；所述的底层，设置在耦合部分，并延伸至传输放大部分一小段；所述的有源磁场探头进一步包括有：信号传输线、混合偏置滤波网络、放大电路；

所述的信号传输线在耦合部分位于中间二层，在传输放大部分和连接部分位于顶层；磁场探头的探针结构为一个闭合金属环，在探头耦合部分将闭合金属环设计在中间二层，将屏蔽地层设计在有源磁场探头耦合部分的顶层和底层；

所述的混合偏置滤波网络设计在探头传输放大部分的底层，该滤波网络采用了四个大小分别为1000pF，0.1uF，1uF和10uF的电容，该滤波网络的电源端与这四个并联的滤波电容直接相连，再经过电感与电阻构成的并联支路，最终通过过孔与电源层相连；该网络采用两个大小分别为1mH和560nH的电感对高频信号和低频信号进行滤波，还采用了两个大小分别为560欧姆和330欧姆的电阻对目标滤波信号进行控制，使得目标信号更少的流向电源；两个电阻所组成的支路与两电感组成的支路是并联的，对于直流信号而言，其会选择电感支路对放大器进行供电，不会因为滤波网络中的电阻存在而产生额外的电阻损耗；

所述的放大电路位于探头传输放大部分的顶层，该放大电路的电源端通过过孔与电源层连接，信号输出端也通过过孔和底层的混合偏置滤波网络相连接；

所述的中间一层即地层位于探头的传输放大部分和连接部分，是信号传输线在传输放大部分和连接部分的参考平面，其与信号传输线之间的阻抗设计与探头连接部分的SMA连接器阻抗保持一致；

所述的中间二层即电源层，指探头在中间二层中较粗的PCB走线，供有直流电压，该电源层通过过孔与顶层的放大电路电源端以及底层混合偏置滤波网络的电源端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用混合偏置滤波网络的有源磁场探头，其特征在于：所述的放大电路采用两级放大电路，信号从输入端到输出端可获得30dB的高增益。

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