CN115856742A - 一种电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统及方法，包括上位机、机械臂、矢量网格分析仪、微带线校准器，通过机械臂控制磁场探头精确定位，利用微带线校准器产生标准TEM电磁场，使用上位计算机软件通过仪器接口总线来控制矢量网络分析仪，进行操作实现控制机械臂运动，本发明能够对近区磁场探头进行精确定位、快速校准，同时能对探头性能进行客观评价。

Description

一种电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统及方法，属于近场探头校准技术领域。

背景技术

近些年来，印刷线路板(PCB)或集成电路(IC)正在向高密度和集成化的趋势发展，由于空间小、工作频率高，导致了严重的电磁兼容问题。在这种背景下，电磁干扰(EMI)成为评价印刷线路板或集成电路性能的一个关键参数。近场检测及扫描是检测印刷线路板或集成电路电磁辐射发射的有效测试技术。

近场探头是一种常见的用于电磁兼容预测试及故障整改的电磁传感设备。用来测量近区磁场的称为磁场探头，一般前端为环状，用于接收穿过圆环的磁力线。在电磁兼容预测试及故障整改现场，工程师一般手工使用近场探头，无法准确定位及保证方向性，这会带来位置和探头方向误差，其对测量结果影响非常大。而且一般探头的性能参数无法客观评价，不同型号探头的测试结果无法相互比较，带来工程应用上的难题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统及方法，使用机械臂夹取近场探头，对探头位置进行精确定位，使用微带线校准电路产生标准电磁场，对参数进行自动化快速校准。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统，包括上位机、机械臂、矢量网格分析仪、微带线校准器，所述上位机分别与机械臂、矢量网格分析仪通信连接，所述微带线校准器与矢量网格分析仪通信连接，所述机械臂在上位机的控制下将待校准的近场探头放在微带线校准器上。

优选的：所述机械臂为四自由度机械臂。

优选的：所述机械臂包括旋转底座、主臂、副臂和手臂末端，所述主臂与旋转底座通过轴承转动连接，且所述主臂转动平面与旋转底座底面所在平面垂直。所述副臂与主臂通过轴承转动连接，手臂末端与副臂通过轴承转动连接，且所述主臂转动平面、副臂转动平面、手臂末端转动平面相互平行。

优选的：所述手臂末端设置有探头抓手。

一种基电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准方法，包括以下步骤：

步骤1，通过机械臂夹持将待校准的近场探头。

步骤2，启动上位机、矢量网格分析仪、微带线校准器。向上位机输入检测信息。

步骤3，上位机根据检测信息将待校准的近场探头定位到微带线校准器上方预定位置。

步骤4，微带线校准器在矢量网格分析仪控制下建立激励磁场，同时获取待校准的近场探头在激励磁场中的磁通量。

步骤5，矢量网格分析仪获取微带线校准器得到的磁通量进而得到探头的回波损耗S11和插入损耗S12。

步骤6，根据步骤4得到的待校准的近场探头在激励磁场中的磁通量、步骤5得到的插入损耗S12得到探头校准因子，根据探头校准因子对待校准的近场探头进行评估。

优选的：探头校准因子如下：

其中，CF表示探头校准因子，h为微带线衬底厚度，d为微带线金属表面到环孔中心的距离，S₁₂表示插入损耗，θ表示磁场探头与微带线之间的角度，C为传递常数。

优选的：步骤3中预定位置为待校准的近场探头底部距离微带线1mm处。

优选的：微带线校准器开机前，使用50Ω标准匹配电阻连接微带线校准器中的微带线。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明使用机械臂夹取近场探头，对探头位置进行精确定位，使用微带线校准电路产生标准电磁场，对参数进行自动化快速校准。本方法能够对近区磁场探头进行精确定位、快速校准，获取若干有用的探头校准参数，对探头性能进行客观评价。

附图说明

图1为本发明的系统架构图。

图2为本发明的流程图。

图3为仿真的探头的频率响应性能示意图。

图4为仿真的探头的探头校准因子示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统，如图1所示，包括上位机1、机械臂2、矢量网格分析仪3、微带线校准器4，所述上位机1分别与机械臂2、矢量网格分析仪3通信连接，所述微带线校准器4与矢量网格分析仪3通信连接，所述机械臂2在上位机的控制下将待校准的近场探头5放在微带线校准器4上。

所述机械臂2为四自由度机械臂。所述机械臂2包括旋转底座21、主臂22、副臂23和手臂末端24，所述主臂22与旋转底座21通过轴承转动连接，且所述主臂22转动平面与旋转底座21底面所在平面垂直。所述副臂23与主臂22通过轴承转动连接，手臂末端24与副臂23通过轴承转动连接，且所述主臂22转动平面、副臂23转动平面、手臂末端24转动平面相互平行。所述手臂末端24设置有探头抓手。

一种基电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，在标准的测量环境下，手动操作机械臂2的手臂末端24安装待校准的近场探头5并固定(或者采用探头抓手抓紧待校准的近场探头5)，将50Ω标准匹配电阻6连接微带线校准器4中的微带线。将机械臂2与上位机1通过USB总线进行连接，使用电源适配器将机械臂连接到电源，按下电源开关，此时机械臂会进入到工作状态。将矢量网络分析仪3的端口1连接待校准的近场探头5，端口2连接微带线校准器4，将矢量网络分析仪3通过GPIB总线与上位机1连接。

步骤2，启动上位机1、矢量网格分析仪3、微带线校准器4。向上位机1输入检测信息。

步骤3，上位机1根据检测信息将待校准的近场探头5定位到微带线校准器4上方预定位置。步骤3中预定位置为待校准的近场探头5底部距离微带线1mm处。

步骤4，微带线校准器4在矢量网格分析仪3控制下建立激励磁场，同时获取待校准的近场探头5在激励磁场中的磁通量。

步骤5，矢量网格分析仪3获取微带线校准器4得到的磁通量进而得到探头的回波损耗S11和插入损耗S12。

步骤6，上位机1根据步骤4得到的待校准的近场探头5在激励磁场中的磁通量、步骤5得到的插入损耗S12得到探头校准因子，根据探头校准因子对待校准的近场探头5进行评估，所述探头校准因子在带宽内小于30dB，认为近区磁场探头性能良好。

探头校准因子如下：

其中，CF表示探头校准因子，h为微带线衬底厚度，d为微带线金属表面到环孔中心的距离，S₁₂表示插入损耗，θ表示磁场探头与微带线之间的角度，理想情况下，测量插入损耗S₁₂参数时θ应为0°，控制机械臂可使角度趋近于0°，极大提高测量精度，C为传递常数，和微带线的介质层厚度有关，计算即可得到磁场探头校准因子，探头校准因子越小，近场性能越好，有利于检测弱磁场，在探头校准因子在带宽内小于30dB时，认为近区磁场探头性能良好。

仿真

首先在标准的测量环境下，手动操作桌面机械臂手臂末端安装磁场探头并固定。桌面机械臂由底座、主臂、副臂和手臂末端组成，可实现四自由度的运动，X轴方向垂直于固定底座向前，Y轴方向垂直于固定底座向左，Z轴符合右手定则，垂直向上为正方向。磁场探头的本质是一个小环天线，可以认为是极小的磁偶极子。根据法拉第电磁感应定律，当通过环内的磁通量发生变化时会在环中产生感应电压。电压信号与探头回路中耦合的磁场强度成比例。探头的尺寸是测量的关键因素。更大的回路尺寸提供更大的耦合面积，回路中的磁通量也随之增加。然后将50Ω标准匹配电阻6连接微带线校准器4中的微带线，取值保证信号的良好传输。

将桌面机械臂与上位计算机通过USB总线进行连接，使用电源适配器将机械臂连接到电源，按下电源开关，此时机械臂会进入到工作状态，等待接收运动指令。将矢量网络分析仪的端口1连接磁场探头的顶部，端口2连接微带线的右侧端口，并将矢量网络分析仪通过GPIB总线与上位计算机连接。

通过上位机软件发送指令将磁场探头定位到校准件或已知磁场分布的微带线上方的固定位置。程序运行后，首先连接矢量网络分析仪和机械臂，其次设置矢量网络分析仪的条件参数，设置起始频率为9kHz、终止频率为3GHz、中频带宽为1kHz、激励源功率为10dB，并将轨迹的格式设置为幅值显示。矢量网络分析仪基本参数设置完成后，发送指令令机械臂复位至指定位置，该位置设定为微带线中央正上方5mm处，随即控制机械臂向下移动至微带线1mm处，然后逐项选择开始测试，等待测试完成。

通过上位计算机控制网络分析获取探头的回波损耗S11和插入损耗S12参数，记录矢量网络分析仪获取的数据。通过微带线周围建立磁场激励，矢量网络分析仪记录磁场探头收到的射频信号。

使用解析算法计算探头在微带线上方固定位置的磁场数据，得到磁场分布和探头的频率特性，并对探头进行校准。当探头的S11参数才带宽内高于3dB。探头与被测物体之间的插入损耗S12在带宽内小于-30dB，且平坦度良好时，可认为探头的频率响应性能良好，探头被放置在微带线的中心θ＝0°时，测试图如图3所示。

如图4所示。探头校准因子在带宽内小于30dB，平坦度良好，认为近区磁场探头性能良好。

本发明通过机械臂控制磁场探头精确定位，利用微带线产生标准TEM电磁场，使用上位计算机软件通过仪器接口总线来控制矢量网络分析仪，进行操作实现控制机械臂运动、自动设定参数、读取测量结果、处理数据的功能，从而计算出探头的回波损耗、插入损耗和校准因子等参数，获取并改善磁场探头的频率特性，进一步提高电磁场近场探头测量的精确度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统，其特征在于：包括上位机(1)、机械臂(2)、矢量网格分析仪(3)、微带线校准器(4)，所述上位机(1)分别与机械臂(2)、矢量网格分析仪(3)通信连接，所述微带线校准器(4)与矢量网格分析仪(3)通信连接，所述机械臂(2)在上位机的控制下将待校准的近场探头(5)放在微带线校准器(4)上。

2.根据权利要求1所述电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统，其特征在于：所述机械臂(2)为四自由度机械臂。

3.根据权利要求1所述电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统，其特征在于：所述机械臂(2)包括旋转底座(21)、主臂(22)、副臂(23)和手臂末端(24)，所述主臂(22)与旋转底座(21)通过轴承转动连接，且所述主臂(22)转动平面与旋转底座(21)底面所在平面垂直；所述副臂(23)与主臂(22)通过轴承转动连接，手臂末端(24)与副臂(23)通过轴承转动连接，且所述主臂(22)转动平面、副臂(23)转动平面、手臂末端(24)转动平面相互平行。

4.根据权利要求3所述电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统，其特征在于：所述手臂末端(24)设置有探头抓手。

5.一种基于权利要求1所述电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过机械臂(2)夹持将待校准的近场探头(5)；

步骤2，启动上位机(1)、矢量网格分析仪(3)、微带线校准器(4)；向上位机(1)输入检测信息；

步骤3，上位机(1)根据检测信息将待校准的近场探头(5)定位到微带线校准器(4)上方预定位置；

步骤4，微带线校准器(4)在矢量网格分析仪(3)控制下建立激励磁场，同时获取待校准的近场探头(5)在激励磁场中的磁通量；

步骤5，矢量网格分析仪(3)获取微带线校准器(4)得到的磁通量进而得到探头的回波损耗S11和插入损耗S12；

步骤6，根据步骤4得到的待校准的近场探头(5)在激励磁场中的磁通量、步骤5得到的插入损耗S12得到探头校准因子，根据探头校准因子对待校准的近场探头(5)进行评估。

6.根据权利要求5所述校准方法，其特征在于：探头校准因子如下：

其中，CF表示探头校准因子，h为微带线衬底厚度，d为微带线金属表面到环孔中心的距离，S₁₂表示插入损耗，θ表示磁场探头与微带线之间的角度，C为传递常数。

7.根据权利要求5所述校准方法，其特征在于：步骤3中预定位置为待校准的近场探头(5)底部距离微带线1mm处。

8.根据权利要求6所述电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统，其特征在于：微带线校准器(4)开机前，使用50Ω标准匹配电阻(6)连接微带线校准器(4)中的微带线。

9.根据权利要求6所述电磁兼容预测试的近区磁场探头精确校准系统，其特征在于：所述探头校准因子在带宽内小于30dB，认为近区磁场探头性能良好。

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