CN113238098B - 可同时测量双分量电场的宽频电场探头 - Google Patents

可同时测量双分量电场的宽频电场探头 Download PDF

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Abstract

可同时测量双分量电场的宽频电场探头。包括宽频电场探头本体、电场感应部分、传输线部分、SMA接头和探头固定夹具；宽频电场探头本体基于四层印制电路板结构，探头电场感应部分设于中间一层并延伸出参考地平面，中间二层与底层作为参考地平面；传输线部分包括位于中间一层的带状传输线、连接顶层与中间一层的信号过孔以及顶层的共面波导传输线；探头固定夹具用于将宽频电场探头本体连接固定到机械臂上进行扫描操作；带状传输线将捕捉到的电场信息传输到信号过孔位置，信号过孔将信号传输到顶层带有金属背板的共面波导传输线上，经SMA接头并通过同轴线传输到矢量网络分析仪进行数据处理与显示。基于PCB，结构简单，易于加工，成本低廉。

Description

可同时测量双分量电场的宽频电场探头
技术领域
本发明涉及一种适用于100MHz-6GHz的宽频带双分量电场探头，用于采集射频电路表面的切向与法向电场，属于电磁兼容和电磁场近场测试领域。
背景技术
芯片市场的发展是朝着小型化、低成本的方向发展，在有限的面积内部集成更多的元器件，对于控制加工成本至关重要。与此同时，随着各行各业对频带资源的需求越来越高，人们不得不将各类产品的工作频段不断提高，这样虽然带来很多的好处，但是缺点也是十分明显：芯片及电路的高度集成化，使得不同元器件之间容易产生意想不到的耦合，这种耦合难以预测且严重影响着信号的传输质量以及电路的性能稳定。此外，随着芯片电路的工作频率不断提高，电路整体由电大尺寸转变为电小尺寸，各类电路辐射出去的电磁波更容易被周围电路所捕捉，对原有电路产生干扰。这些干扰从理论层面进行分析十分困难，而通过仿真软件建立模型进行仿真，对于简单的结构可行性高，但对于系统级的结构，即使投入大量算力支持，其结果也可能出现较大偏差；因此，采用一种简单有效的方式快速定位干扰源的方位及干扰大小对于芯片设计以及集成电路至关重要。
在现有的近场测量系统中，对于电场与磁场各个分量的测量技术已经有很多，但是这些测量探头大多为单一分量的测量。单一分量测量一次扫描只能测量电场或者磁场的一个分量，若需要测量其他分量，则需要更换探头，重新定位进行扫描，这样做不仅极大的浪费时间，同时由于更换探头以及重复测量，不可避免的会产生空间误差，对于微波射频电路而言，极小的空间误差也是十分致命的；因此，本发明涉及的双分量电场探头，可以同时测量射频电路表面的切向与法向电场，极大地降低测量所需的时间成本，同时，由于测量时无需更换探头，空间误差对测量结果带来的影响也大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供可克服现有近场电场探头频带窄、测量电场分量单一等缺点，适用于100MHz-6GHz的宽带切向与法向近场电场，可同时测量双分量电场的宽频电场探头。
本发明包括宽频电场探头本体、电场感应部分、传输线部分、SMA接头和探头固定夹具；所述宽频电场探头本体呈T字形结构，所述宽频电场探头本体的设计和制作基于PCB四层印制电路板结构，该四层印制电路板结构包括四层金属板，自上而下依次是顶层、中间一层、中间二层和底层；所述探头电场感应部分设于中间一层并延伸出参考地平面，中间二层与底层作为参考地平面，底层与中间二层结构一致；所述传输线部分包括位于中间一层的带状传输线、连接顶层与中间一层的信号过孔以及顶层的共面波导传输线；所述SMA接头设在宽频电场探头本体两个T字形尖端；所述探头固定夹具固定在宽频电场探头本体的顶部，用于将宽频电场探头本体连接固定到机械臂上进行扫描操作；中间一层的带状传输线将探头探测部分捕捉到的电场信息传输到信号过孔位置，信号过孔将信号传输到顶层带有金属背板的共面波导传输线上，再经SMA接头并通过同轴线传输到矢量网络分析仪进行数据处理与显示，实现同时测量宽频带切向电场与法向电场。
进一步的，所述电场感应部分由电偶极子结构与两个尖端检测结构组合而成，电偶极子结构用于测量切向电场信息，尖端检测结构用于测量法向电场信息，切向电场信息为差模信号，法向电场信息为共模信号；电场感应部分位于中间一层，并延伸出参考地平面。
所述偶极子探测部分在基础的电偶极子结构上进行改进，增加额外的偶极子臂；用于来增加探头对切向电场的敏感度，提高切向电场的测量增益；宽频电场探头本体底部延伸出参考地平面；
所述电场探头探测部分偶极子长为0.7mm，偶极子之间间距为0.3mm，额外用于提高切向电场感应的偶极子臂长为1mm；探测部分延伸出参考地平面1.2mm，即法向电场探测部分长为1.2mm。
所述顶层与中间一层、底层与中间二层之间分别设有PP7628的层压板，厚度为0.2mm，中间一层与中间二层之间设有厚度为0.665mm的芯板，各层介质板的材料均采用介电常数为4.2的fr4材料；各层的走线均采用的是铺铜蚀刻技术，顶层与底层铺1盎司的铜，中间两层铺0.5盎司的铜，顶层与底层铜厚为0.035mm，中间两层铜厚为0.0175mm。
信号在中间一层传输依赖于带状传输线，带状传输线的特征阻抗为50Ω，带状传输线的线宽为0.3mm，相邻两带状线之间间距为0.3mm。
信号由中间一层传输至顶层，采用钻孔过渡，由1个信号过孔和6个地过孔组成，信号孔连接顶层共面波导的信号线和中间一层的带状线，信号孔周围分布一圈地过孔用作屏蔽，孔的特征阻抗匹配到50Ω，信号过孔的孔径为0.3mm，地过孔孔径为0.2mm，所有地过孔均分布在以信号过孔轴心为圆心，半径为1.3mm的圆上。
顶层采用带有金属背板的共面波导作为信号传输载体，共面波导的特征阻抗为50Ω，所述金属背板位于中间一层，共面波导中心导体带线宽为0.36mm，缝隙宽度为0.31mm。
所述宽频带是100MHz～6GHz。
本发明探测部分指探头底部延伸出参考地平面的部分，这部分对法向电场同样具有很好的捕捉能力。为保证电场法向分量的测量分辨率，提高测量准确性，本发明从减小偶极子探头前端探测部分尺寸入手，将偶极子间距缩小的同时增加一对折叠的偶极子臂，既减小偶极子的横向尺寸，同时提高探头的增益。相较于其他电场探头，本发明除具备同时测量两个分量电场的功能，还具有较宽的频带特性，实用性强。
本发明电场探头捕捉到的切向电场信息为差模信号，捕捉到的法向电场信息为共模信号，通过传输线将电场信息传输到探头外的矢量网络分析仪中，经过运算将差模信号与共模信号分离，得到独立的切向场与法向场信息。
本发明为一种适用于100MHz～6GHz的宽频带切向电场与法向电场测量探头，其结构基于PCB加工工艺，结构简单，易于加工，成本低廉。
本发明能够同时测量射频电路表面的切向电场与法向电场，避免普通单一分量探头在测量不同分量电场时更换探头带来的空间误差；能够节省大量的时间成本，提高射频工程师诊断射频电路故障的效率与准确性，是在现有近场扫描技术基础上的创新与发展，实用性好，具有很高的工业价值。
附图说明
图1为本发明实施例的印制电路板叠层结构图。
图2为本发明实施例的整体结构图。
图3为本发明实施例的校准测试装置图。
图4为本发明实施例的等效电路原理图。
图5为顶层结构示意图。
图6为中间一层结构示意图。
图7为中间二层以及底层结构示意图。
图8为探头前端电偶极子结构示意图。
图9为本发明实施例的切向电场校准特性仿真与测试|S21|曲线。
图10为本发明实施例的法向电场校准特性仿真与测试|S21|曲线。
图11为用于校准测试的微带线的切向电场横向空间分布测量结果图。
图12为用于校准测试的微带线的法向电场横向空间分布测量结果图。
图中各标号为：
1-1：探头固定夹具，1-2：顶层带有金属背板的共面波导传输线，1-3：SMA接头，1-4：中间一层带状传输线，1-5：电场感应部分；
2-1：同轴传输线，2-2：四端口矢量网络分析仪，2-3：50Ω匹配负载，2-4：50Ω校准微带线；
3-1：探头传输部分等效传输线，3-2：法向电场等效源，3-3：切向电场等效源；
4-1：顶层共面波导传输线，4-2：中间一层带状传输线，4-3：顶层共面波导传输线的参考地平面，4-4：铺铜切除部分(为实现信号过孔阻抗匹配中间二层与底层铺铜切去的2个孔)，4-5：探头前端偶极子及其变形偶极子臂。
具体实施方式
本发明由偶极子探测部分与传输线部分组成；
所述探头的设计与加工基于四层印制电路板结构；所述印制电路板结构自上而下依次是顶层、中间一层、中间二层和底层。其中，顶层与中间一层、底层与中间二层之间采用的是PP7628的层压板，厚度为0.2mm，中间一层与中间二层之间采用的是厚度为0.665mm的芯板，所有介质板的材料均采用介电常数为4.2的fr4材料。所有层的走线均采用的是铺铜蚀刻技术，但是各层之间所铺铜的量略有差异：顶层与底层铺1盎司的铜，中间两层所铺铜为0.5盎司，即：顶层与底层铜厚0.035mm，中间两层铜厚为0.0175mm。
所述偶极子探测部分在基础的电偶极子结构上进行改进，增加额外的偶极子臂，以此来增加探头对切向电场的敏感度，提高切向电场的测量增益。所述探测部分指探头底部延伸出参考地平面的部分，这部分对法向电场同样具有很好的捕捉能力。为保证电场法向分量的测量分辨率，提高测量准确性，本发明从减小偶极子探头前端探测部分尺寸入手，将偶极子间距缩小的同时增加一对折叠的偶极子臂，既减小偶极子的横向尺寸，同时提高探头的增益。相较于其他电场探头，本发明除具备同时测量两个分量电场的功能，还具有较宽的频带特性，实用性强。
所述电场探头探测部分偶极子长为0.7mm，偶极子之间间距为0.3mm，额外用于提高切向电场感应的偶极子臂长为1mm；探测部分延伸出参考地平面1.2mm，即法向电场探测部分长为1.2mm。
所述电场探头的探测部分位于中间一层，中间二层是其参考地平面，底层与中间二层结构完全一致，考虑到PCB加工工艺中通常采用对称压合的方式，为防止电路板曲翘，电路板层数通常为偶数层。故增加额外一层与中间二层结构完全一致的底层作为参考地平面，对探头的测量特性产生的影响可忽略不计。所述电场探头捕捉到的切向电场信息为差模信号，捕捉到的法向电场信息为共模信号，通过传输线将电场信息传输到探头外的矢量网络分析仪中，经过运算将差模信号与共模信号分离，得到独立的切向场与法向场信息。
所述传输线由三个部分组成：位于中间一层的带状线、连接顶层与中间一层的信号过孔以及顶层的共面波导。带状线线宽为0.3mm；信号过孔半径为0.15mm。共面波导为带有金属背板的共面波导，其金属背板位于中间一层，中心导体带线宽为0.36mm，缝隙宽度为0.31mm。
以下具体实施例将结合附图进一步阐明适用于100MHz-6GHz的宽频切向与法向近场电场测试探头的具体结构、各组成部分的功能以及各组成部分结构的位置关系。
图1为本发明涉及的适用于100MHz-6GHz的宽频切向与法向近场电场测试探头印刷电路板的叠层结构图。两块厚度为0.2mm带有单面金属的PP7628板材作为四层印制电路板的半固化片，中间的芯板采用的材料是FR-4，其厚度为0.665mm。
本发明所涉及的印制电路板叠层结构，顶层与底层的铺铜厚度为0.035mm，中间一层与中间二层所铺铜厚为0.0175mm。
图2为本发明涉及的适用于100MHz-6GHz的宽频切向与法向近场电场测试探头印刷电路板的整体结构示意图。各部分依次为：1-1：探头固定夹具，1-2：顶层带有金属背板的共面波导传输线，1-3：SMA接头，1-4：中间一层带状传输线，1-5：电场感应部分。探头固定夹具1-1是通过3D打印技术设计出来用于将探头固定到机械臂上进行扫描操作的连接结构。特征阻抗为50Ω的中间一层带状传输线1-4将探头电场感应部分1-5捕捉到的电场信息传输到阻抗同样设计为50Ω的信号过孔的位置，信号过孔将信号传输到顶层带有金属背板的共面波导传输线1-2上，再经过SMA接头1-3并通过同轴线传输到矢量网络分析仪进行数据处理与显示。
图3的装置测试适用于100MHz-6GHz的宽频切向与法向近场电场测试探头的频率特性，50Ω校准微带线2-4一端接50Ω匹配负载，另一端接50Ω同轴线到矢量网络分析仪的一端口，保证电磁波行波沿着y方向传播。所设计的探头按图3所展示的方式摆放在校准微带线上方1mm的高度，在保证高度不变的情况下沿着x方向平移进行扫描。在同一高度，从微带线正中心沿x方向偏移1mm处所测为切向电场强度的最大值，位置结果如图11所示。微带线正中心位置处所测为法向电场强度的最大值，其结果如图12所示。电场探头的两个端口通过50Ω同轴线接到矢量网络分析仪2-2的端口二与端口三上。矢量网络分析仪2-2，设置测试频带为100MHz到6GHz。在矢量网络分析仪2-2中对测得的S21与S31数据进行求和操作，结果为反映法向电场强度的频率特性曲线，对S21与S31数据进行作差操作，结果为反映切向电场强度的频率特性曲线。在实际情况下，由于电场的切向分量与法向分量同时存在，故在测量时切向分量变现为差模信号输出到两个端口，法向电场作为共模信号输出到两个端口，如图4中所示，共模信号I1与差模信号I2同时存在时，port1处信号记为IP1,port2处信号记为IP2,所以IP1＝(I1+I2)/2,IP2＝(I1-I2)/2。通过求和与作差操作，将探头终端输出的电场的两个分量信息分离出来，所得频率特性曲线仿真与实测结果如图9和10所示，仿真与实测曲线趋势基本一致，量级相差也较小。
图5为电场探头顶层示意图，其中4-1表示用作信号传输的共面波导传输线结构。共面波导的末端焊接SMA接头，将信号通过同轴线传输到读数显示装置(频谱仪或者矢量网络分析仪)。
图6为中间一层结构示意图，4-2表示中间一层带状传输线，其末端连接用作电场感应的偶极子部分(如图8所示)，4-3表示顶层共面波导传输线的参考地平面。
图7为中间二层与底层结构示意图，这两层都由铜箔铺满，4-4所示的两个圆形区域为铜箔切除的部分。
本发明提供一种具有宽频带测量特性的双分量电场探头的设计结构。该探头可以用来测量从100MHz～6GHz宽频带范围的切向与法向电场强度信息。探头由前端探测部分、中端传输线部分以及末端转换结构组成。前端探测部分可以视作由电偶极子与两个尖端检测结构组合而成，电偶极子结构用于测量切向电场信息，尖端检测结构用于测量法向电场信息。信号传输过程中，由电偶极子结构测得的切向电场，作为差模信号向两终端传输，法向电场信息由尖端检测结构捕捉，作为共模信号向两个终端传输。终端连接有共面波导-同轴线转换结构，能够实现平面传输线向矢量网络分析仪传送信号。两个端口接收到的信号分别是由差模信号与共模信号组合而成，需要经过运算将其分离出来。使用本发明可以同时提取100MHz～6GHz宽频带的射频电路表面的切向与法向电场信息，在无法通过理论判断干扰源位置的情况下，准确定位出辐射干扰源，极大降低电磁兼容诊断的成本，为改进电路结构，优化电路性能提供一个强有力的侦测手段。
需要指出的是，本发明公开的技术手段、设计方法不仅限于本发明，同时也适用于结合本发明设计思想、发明方法、技术手段以及本发明所述技术特征所衍生出的其它方案、发明方法、发明产品，因此这些所衍生出的其它方案、发明方法、发明产品都应视为本发明保护的范围。

Claims (8)

1.可同时测量双分量电场的宽频电场探头，其特征在于包括宽频电场探头本体、电场感应部分、传输线部分、SMA接头和探头固定夹具；所述宽频电场探头本体呈T字形结构，所述宽频电场探头本体的设计和制作基于PCB四层印制电路板结构，该四层印制电路板结构包括四层金属板，自上而下依次是顶层、中间一层、中间二层和底层；所述电场感应部分设于中间一层并延伸出参考地平面，中间二层与底层作为参考地平面，底层与中间二层结构一致；所述传输线部分包括位于中间一层的带状传输线、连接顶层与中间一层的信号过孔以及顶层的共面波导传输线；所述SMA接头设在宽频电场探头本体两个T字形尖端；所述探头固定夹具固定在宽频电场探头本体的顶部，用于将宽频电场探头本体连接固定到机械臂上进行扫描操作；中间一层的带状传输线将电场感应部分捕捉到的电场信息传输到信号过孔位置，信号过孔将信号传输到顶层带有金属背板的共面波导传输线上，再经SMA接头并通过同轴线传输到矢量网络分析仪进行数据处理与显示，实现同时测量宽频带切向电场与法向电场；
所述电场感应部分由电偶极子结构与两个尖端检测结构组合而成，电偶极子结构用于测量切向电场信息，尖端检测结构用于测量法向电场信息，电场探头捕捉到的切向电场信息为差模信号，捕捉到的法向电场信息为共模信号，通过传输线将电场信息传输到探头外的矢量网络分析仪中，经过运算将差模信号与共模信号分离，得到独立的切向场与法向场信息。
2.如权利要求1所述可同时测量双分量电场的宽频电场探头，其特征在于所述电场感应部分在基础的电偶极子结构上增加额外的偶极子臂；用于来增加探头对切向电场的敏感度，提高切向电场的测量增益；宽频电场探头本体底部延伸出参考地平面。
3.如权利要求1或2所述可同时测量双分量电场的宽频电场探头，其特征在于所述电场感应部分的电偶极子长为0.7mm，电偶极子之间间距为0.3mm，额外用于提高切向电场感应的偶极子臂长为1mm；电场感应部分延伸出参考地平面1.2mm，即法向电场探测部分长为1.2mm。
4.如权利要求1所述可同时测量双分量电场的宽频电场探头，其特征在于所述顶层与中间一层之间、底层与中间二层之间分别设有PP7628的层压板，厚度为0.2mm，中间一层与中间二层之间设有厚度为0.665mm的芯板，各层介质板的材料均采用介电常数为4.2的fr4材料；各层的走线均采用的是铺铜蚀刻技术，顶层与底层铺1盎司的铜，中间两层铺0.5盎司的铜，顶层与底层铜厚为0.035mm，中间两层铜厚为0.0175mm。
5.如权利要求1所述可同时测量双分量电场的宽频电场探头，其特征在于所述电场信息在中间一层传输依赖于带状传输线，带状传输线的特征阻抗为50Ω，带状传输线的线宽为0.3mm，相邻两带状线之间间距为0.3mm。
6.如权利要求1所述可同时测量双分量电场的宽频电场探头，其特征在于电场信息由中间一层传输至顶层，采用钻孔过渡，由1个信号过孔和6个地过孔组成，信号过 孔连接顶层共面波导的信号线和中间一层的带状线，信号过 孔周围分布一圈地过孔用作屏蔽，钻孔的特征阻抗匹配到50Ω，信号过孔的孔径为0.3mm，地过孔孔径为0.2mm，所有地过孔均分布在以信号过孔轴心为圆心，半径为1.3mm的圆上。
7.如权利要求1所述可同时测量双分量电场的宽频电场探头，其特征在于所述顶层采用带有金属背板的共面波导作为信号传输载体，共面波导的特征阻抗为50Ω，所述金属背板位于中间一层，共面波导中心导体带线宽为0.36mm，缝隙宽度为0.31mm。
8.如权利要求1所述可同时测量双分量电场的宽频电场探头，其特征在于所述宽频带是100MHz～6GHz。
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