CN202256606U - 一种二合一特性阻抗探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种二合一特性阻抗探头，该探头包括外壳和置于外壳内的阻抗电路板，在阻抗电路板上设有伸出外壳的探针A、B和G，A和B分别与阻抗电路板上的差分信号线A和差分信号线B连接，探针G与地平面连接；差分信号线A、差分信号线B与地平面构成差分阻抗线；差分信号线A和差分信号线B间通过地平面隔离；差分信号线A和差分信号线B中的任意一根均与地平面共同构成单端阻抗线；探针A和B中的任意一根均与探针G共同构成单端阻抗测试探头，探针A、B和探针G共同构成差分阻抗测试探头；在外壳上设有SMA接口。本实用新型具有二合一复合功能，提升了测量效率，延长了使用寿命，保证了测量精度。

Description

一种二合一特性阻抗探头

技术领域

本实用新型属于PCB行业电路板阻抗测量领域。涉及一种阻抗探头，具体地说是一种二合一特性阻抗探头。

可用于时域反射法（TDR）阻抗测量设备，如POLAR公司的CITS500，CITS800阻抗测量仪；泰克DSA8200数字串行采样示波器。

背景技术

特性阻抗是指高频信号或电磁波在传输过程中，传输线上任一点的行波电压与行波电流之比。通俗的说法是高频信号或电磁波传播时受到的阻力，它是电阻抗，电容抗，电感抗的矢量和。目前通常将特性阻抗分为单端（Single ended）阻抗和差分（Ｄifferential）阻抗两种模式。

使用两台分辨率不同的时域反射法（TDR）阻抗测量设备，在测试同一条传输线时获得的测试结果。两款设备对传输线阻抗变化的反映不同，一个明显而另一个不明显。TDR设备感测传输线阻抗不连续的分辨率主要取决于TDR设备发出之阶跃讯号上升时间的快慢，快的上升时间可获得高分辨率。而TDR设备的上升时间往往和测试系统的带宽相关，带宽高的测试系统拥有更快的上升时间。

TDR测试设备原理：时域反射计是测试印制板特性阻抗最常用的仪器。实验室测试用特性阻抗分析仪有泰克公司的数字串行采样示波器，典型设备型号：DSA8200数字串行采样示波器；DSA8200数字串行采样示波器主要功能是为通信、计算机和消费电子提供千兆位发射机和信号路径检定和一致性检验综合工具。配置的TDR测试模块具有50GHZ带宽，15ps的反射上升时间，12ps的入射上升时间，噪声小的特点，操作参数多，专业性要求高，适合科研院所实验室使用。新推出的80E10和80E08TDR模块集成独立双通道２米远程采样器系统，最大限度降低了夹具影响。

与CITS500相比，泰克DSA8200数字串行采样示波器操作自动化不足。PCB行业生产线上常用的特性阻抗测量设备是POLAR公司的CITS系列阻抗测量系统。典型设备型号：CITS500，CITS800。

CITS500提供单端和差分测量功能，带用于挠性探针连接的两个通道。CITS阻抗测试系统使用起来极为简单方便。基于Windows的强大软件使所有测试任务实现自动化，单击一下鼠标或踩一下脚踏开关即可控制整个过程。你只需确定微带测试探针的位置，选择一个包含常规PCB测试阻抗和公差的测试文件，然后踩脚踏开关即可。不需要像DSA8200那样进行任何调节，例如设置垂直增益值、脉冲延时值和时基值。

CITS800可以自动执行一系列阻抗测试，必要时提示你重新确定测试探针的位置。CITS自动处理数据，清楚显示随距离而变的特征阻抗，给出通过／失败状态。 

特性阻抗探头是阻抗测量信号传递到待测件（DUT）的最后一站，它的性能将最终决定特性阻抗测量的准确性。

特性阻抗探头的核心设计是完整传递测量信号，因此要求阻抗匹配，插入损耗小，延迟小，接触可靠。

不同的DUT，阻抗值也不同，目前常见的DUT阻抗值是单端阻抗50欧姆，差分阻抗100欧姆；单端阻抗值范围：25-100欧姆，差分阻抗值范围50-200欧姆。

严格的阻抗测试要求DUT阻抗值与探头阻抗值完全一致，实际上DUT的阻抗值的宽范围使得探头设计不能做到阻抗完全匹配。一般情况下，根据测量范围，单端探头有28，50，75欧姆三种探头可选择，差分探头有50， 100，150欧姆可选择。最常用探头为50欧姆单端探头，100欧姆差分探头。例如，DSA8200的单端探头型号为P8018、差分探头型号为P80318。CITS500的单端探头型号为IP-50，差分探头型号为IP-100；还有为内存制造商定制的特定型号，如IP-28单端探头，阻抗值28欧姆。

在特性阻抗的设计时，单独实现单端50欧姆，差分100欧姆，相对容易，但同时实现单端和差分阻抗值匹配则十分困难。根据SI8000阻抗计算方案可知，差分100欧姆阻抗走线，其每根单端走线的阻抗值在52-54欧姆左右，不能满足50欧姆±1%的误差要求。原因是差分阻抗走线间的相互作用使差分阻抗值小于两个单端阻抗值之和。必须消除差分阻抗线之间的相互作用，才能同时满足单端50，差分100欧姆的要求。

POLAR公司的单端探头和差分探头是分开设计的。常规的单端探头例如IP-50探头，要求探头特性阻抗为50欧姆±1%，线路均匀无畸变点。常规的差分阻抗探头如IP-100探头，要求差分阻抗为100欧姆±1%，线路均匀无畸变点。差分探头IP-100有一对差分信号线，实际使用发现：使用这一对信号线其中之一与地平面构成单端阻抗探头，可以用来测量单端阻抗。但问题是该差分探头的两根信号线的单端阻抗不是标准的50欧姆，单端阻抗一般小2-5欧姆，不能满足单端阻抗探头的精度要求，测量结果误差大。

特性阻抗又分为单端阻抗和差分阻抗两种。测量特性阻抗的仪器主要有POLAR公司的CITS系列阻抗测试仪。如CITS500S，CITS800，CITS900等。该系列仪器配套有单端阻抗探头和差分阻抗探头两种。测量不同类型的阻抗线路板需要切换不同的探头。频繁切换不同的探头需要装卸探头和电缆线，对其SMA接口有明显的磨损，时间不长，就会引起信号传输不良，导致测量精度下降。

如果能够实现单端阻抗50欧姆±1%，同时差分阻抗为100欧姆±1%的目标，就可以制造出二合一探头。

发明内容

本实用新型的目的提供一种隔离二合一阻抗探头。该探头是在差分阻抗探头的基础上对差分阻抗线实施了隔离屏蔽，保证差分信号间保持独立传输，耦合少到可以忽略，因此差分阻抗是其单端阻抗的两倍，能满足分别做差分阻抗探头和单端阻抗探头的要求。本实用新型一个阻抗探头兼具单端和差分阻抗功能，使用时切换两种测量程序即可，更加方便，无需增加仪器通道。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种二合一特性阻抗探头，其特征在于：该探头包括外壳和置于外壳内的阻抗电路板，在阻抗电路板上设有伸出外壳的第一探针A、第二探针B和第三探针G，第一探针A和第二探针B分别与阻抗电路板上的差分信号线A和差分信号线B连接，第三探针G与 地平面连接；差分信号线A、差分信号线B与地平面构成差分阻抗线；差分信号线A和差分信号线B间通过地平面隔离；差分信号线A和差分信号线B中的任意一根均与地平面共同构成单端阻抗线；第一探针A和第二探针B中的任意一根均与第三探针G共同构成单端阻抗测试探头，第一探针A、第二探针B和第三探针G共同构成差分阻抗测试探头；在外壳上设有与阻抗电路板连接的SMA接口。

本实用新型中，差分信号线A和差分信号线B之间的隔离地平面与背面的地平面通过通孔相连，通孔间距不大于10mm，直径0.1mm-1mm。阻抗电路板上差分信号线A与差分信号线B之间的间距相同。

本实用新型中，第一探针A、第二探针B和第三探针G的材质为铜，表面镀金，金层厚度0.3-10um。

由于差分探头的一对差分线的差分阻抗是100欧姆±1%，但因为没有信号屏蔽设计，每根单端走线的阻抗值受到另一根单端走线的耦合影响，导致单端阻抗值下降。只有屏蔽这种信号耦合，才能阻止阻抗下降，因此，信号屏蔽是实现二合一阻抗探头的关键。

本实用新型是在差分阻抗探头的基础上对差分阻抗线实施了隔离屏蔽。这种屏蔽结构的优点是保证差分信号间保持独立传输，耦合少到可以忽略。这样，差分阻抗是其单端阻抗的两倍，就能满足分别做差分阻抗探头和单端阻抗探头的要求。

与现有技术相比，本实用新型采用了二合一阻抗探头，一个阻抗探头兼具单端和差分阻抗功能，使用时切换两种测量程序即可，更加方便，无需增加仪器通道，提升了测量效率；切换测量模式时无须切换探头和电缆，延长了探头和电缆的使用寿命；本实用新型降低间隔紧密的阻抗不连续点引起的畸变，保证测量精度。

本实用新型在同一个探头上同时集成了单端阻抗测试功能和差分阻抗测试功能，与TDR（时域反射法）阻抗测试设备配套使用，应用于印制电路板线路的特性阻抗测量领域。

附图说明

图1是本实用新型的外形示意图。

图2是本实用新型中第一探针A和第二探针B在阻抗电路板上的安装示意图。

图3是图2的截面示意图。

图4是本实用新型中第一探针A、第二探针B和第三探针G的组装图。

具体实施方式

一种本实用新型所述的二合一特性阻抗探头，见图1至图4，该探头包括外壳1和置于外壳1内的阻抗电路板2，在阻抗电路板2上设有伸出外壳1的第一探针A、第二探针B和第三探针G。第一探针A和第二探针B分别与阻抗电路板2上的差分信号线A和差分信号线B连接，第三探针G与 地平面连接；差分信号线A、差分信号线B与地平面构成差分阻抗线；差分信号线A和差分信号线B间通过地平面4隔离；差分信号线A和差分信号线B中的任意一根均与地平面共同构成单端阻抗线；第一探针A和第二探针B中的任意一根均与第三探针G共同构成单端阻抗测试探头，第一探针A、第二探针B和第三探针G共同构成差分阻抗测试探头；在外壳上设有两个与阻抗电路板连接的SMA接口3。

差分信号线A和差分信号线B之间的隔离地平面与背面的地平面通过通孔5相连，通孔间距不大于10mm，直径0.1mm-1mm。阻抗电路板上差分信号线A与差分信号线B之间的间距相同。

阻抗设计：设计2个50欧姆的单端阻抗线，结构为表面微带线，如图2所示。阻抗线A和阻抗线B设计阻抗值均为50欧姆。 

屏蔽设计：在A，B之间设有地平面隔离通孔。截面图如图3所示。

探针设计：探针组装图如图4所示。经过实际测试，探头只需安装1根接地探针。这种设计的优点是探针对位更方便，结果也更稳定；同时降低了探针间由于对位不准而损坏的几率。

探针的材质非常重要，采用镀金方案能够保证探针长期使用。第一探针A、第二探针B和第三探针G的材质均为铜，表面镀金，金层厚度0.3-10um。

SMA接口设计：在A，B通道设有SMA接口。两个SMA接口与探头的阻抗电路板共地连接， 18GHZ测量频率下插入损耗0-3db，典型值2db，驻波比1.0-1.2，典型值1.1。

电路板设计：实现一款阻抗电路板，双面板，通孔电镀，设计一对有地面屏蔽的特性阻抗线。 两边及中间的屏蔽地用通孔连接，每 10mm 一个通孔，通孔钻刀直径 300um，铺满整个 coupon  长度(开窗区域除外)，两边接地通孔分布靠近阻抗线一侧。 由一对特性阻抗线对地构成差分阻抗，差分阻抗值要求：100±1 欧姆， 需同时满足单根特性阻抗值要求：50±0.5 欧姆。 

参数如下：电路板总厚度 1.4mm。差分信号焊盘默认中心间距 5.08mm。 信号层：双卡口端信号线焊盘统一尺寸为 1.5*4mm，地线焊盘统一尺寸为 1.5*4mm。 单卡口端信号线焊盘统一尺寸 1.5*8mm。地线焊盘统一尺寸为 1.5*8mm。 信号线转折角 45 度。 

探头组装：

如图1所示，测量探头包括外壳1，置于外壳1内的电路板2，置于外壳1内电路板上的SMA接口3，3根相互平行的探针A、B、G，安装在电路板上，针尖伸出到外壳外， A、B探针安装在信号面焊盘上，G探针的安装在电路板的地面焊盘上，焊盘间距由待测样品DUT的尺寸要求设定。两个SMA接口与探头的阻抗电路板共地连接， 18GHZ测量频率下插入损耗0-3db，典型值2db，驻波比1.0-1.2，典型值1.1。

探针的安装间距，随待测样品DUT的间距设置变化而变化。典型值：A，B针中心距5.08mm，A，G针垂直中心间距2.54mm，水平中心间距2.54mm。图4中，G针代表地平面针，A，B针代表信号针。A，G针构成单端阻抗探头，A，B，G针构成差分阻抗探头。测量差分阻抗时，将A，B，G针插入对应的孔位测量即可。测量特性阻抗时。将A，G号针插入对应的孔位测量，B号针插在旁边的空位即可。

本实用新型采用了二合一阻抗探头，一个阻抗探头兼具单端和差分阻抗功能，使用时切换两种测量程序即可，更加方便，无需增加仪器通道。

Claims (5)

1.一种二合一特性阻抗探头，其特征在于：该探头包括外壳（1）和置于外壳（1）内的阻抗电路板（2），在阻抗电路板（2）上设有伸出外壳（1）的第一探针A、第二探针B和第三探针G，第一探针A和第二探针B分别与阻抗电路板（2）上的差分信号线A和差分信号线B连接，第三探针G与 地平面连接；差分信号线A、差分信号线B与地平面构成差分阻抗线；差分信号线A和差分信号线B间通过地平面（4）隔离；差分信号线A和差分信号线B中的任意一根均与地平面共同构成单端阻抗线；第一探针A和第二探针B中的任意一根均与第三探针G共同构成单端阻抗测试探头，第一探针A、第二探针B和第三探针G共同构成差分阻抗测试探头；在外壳（1）上设有与阻抗电路板（2）连接的SMA接口（3）。

2.根据权利要求1所述的二合一特性阻抗探头，其特征在于：差分信号线A和差分信号线B之间的隔离地平面与背面的地平面通过通孔（5）相连，通孔（5）间距不大于10mm，直径0.1mm-1mm。

3.根据权利要求1所述的二合一特性阻抗探头，其特征在于：阻抗电路板（2）上差分信号线A与差分信号线B之间的间距相同。

4.根据权利要求1所述的二合一特性阻抗探头，其特征在于：第一探针A、第二探针B和第三探针G的材质为铜，表面镀金，金层厚度0.3-10um。

5.根据权利要求1所述的二合一特性阻抗探头，其特征在于：SMA接口（3）为两个，均与阻抗电路板（2）连接。

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