一种9kHz-18GHz超宽带有源磁场探头

一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头
【技术领域】
1.本发明属于电磁场测试领域，特别涉及一种对宽带高灵敏度近场磁场进行测试的磁场探头结构，具体来说是通过本近场测试探头可获得被测物体的近场磁场分布参数。


背景技术：

2.随着电子电路技术的不断发展，其在各行各业的重要性日益提升。而电子电路的工作频率不断提升、频段不断拓宽，集成度以及复杂度愈发提高，电路中的任何一条线路都有可能向外辐射电磁场信号进而成为干扰源。而不同走线之间产生的耦合也将严重影响电子设备的正常工作。以上都是系统级电磁兼容问题的主要成因。
3.而传统的电子设备工作频率往往较低，且工作频带较窄，传统的低工作频率、窄工作带宽的无源探头通常都能满足测试需求。但随着电子设备朝着高速、高频的方向发展，用于捕捉各种信号的传感器也相应的需要提升其工作频率及带宽。且随着电子设备的设计愈发精密，其更易遭受到电磁干扰的影响，即使是十分微弱的信号，也有可能对工作设备造成很大的影响。同时，由于电子设备工作频率的增加，所产生的电磁干扰也同样增加，且为了保证电子设备的小型化，电子线路的设计度日益复杂，且元器件的分布也越发紧密，测试的精密程度也需要同步提高以分辨这些构成复杂、成分多样的电磁信号。这便需要测试用的探头能够具备高带宽、高灵敏度、高空间分辨率以及小型化的技术特点。


技术实现要素：

4.为了克服现有近场磁场探头的不足，本发明的目的在于提供一种应用于近场测试的有源磁场探头，在保证传统无源探头结构上的优势的同时，引入有源放大电路的设计，提升探头的测试灵敏度，解决在宽带测试时因为信号电流微弱而难以测试到的问题。目前常用于测试或研究的超宽带无源磁场探头中，工作频率上限可达40ghz及以上，但传输系数随着工作频率的提升不断减小，即探头在传输信号时带来的损耗较大，通常可达-20db及以上。有源磁场探头测试频率上限可达10ghz级别，传输系数可达0db，但多为分离式的设计，增加了测试的复杂度，且工作频带宽度相对无源探头仍有很大的提升空间。本文所设计的有源磁场探头重点在提升工作带宽的同时，减少了探头带来的损耗，9khz-18ghz的工作带宽及工作频率上限均高于当前存在的有源磁场探头，传输系数可达0db及以上。并引入了集成式的设计，大大减小了探头的整体体积，降低了测试的复杂度。而该工作带宽的选择取决于无源结构的设计，以及放大芯片的工作带宽。
5.本发明的目的采用以下技术方案实现：
6.一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，包括磁场探头无源结构、有源放大电路结构，其中磁场探头无源结构由含屏蔽型隔离过孔阵列的金属环、信号过孔、阻抗匹配过孔阵列、带状线组成；有源放大电路结构由放大电路及三个转接口组成；同时采用了协同设计的方法。
7.所述含屏蔽型隔离过孔阵列的金属环是拾取近场磁场信号的重要金属结构，其由
前端的金属环与带状线连接组成，其中金属环附近匹配了屏蔽型隔离过孔阵列，以提供给顶层和底层金属以阻抗最低的电流回流路径，保证信号传输的稳定性。金属环与带状线之间通过一个45
°
的切角处理进行过渡，以进一步提升磁场探头的自谐振频率；
8.所述信号过孔贯穿带状线介质与带状线的信号线相连接，信号过孔与带状线上层屏蔽地和带状线下层屏蔽地相隔离，防止短路；
9.所述阻抗匹配过孔阵列分为信号过孔阻抗匹配阵列与终端传输线栅栏式过孔阻抗匹配阵列。其中，信号过孔匹配阵列围绕信号过孔分布，起到控制信号过孔处阻抗匹配的作用。终端传输线栅栏式过孔匹配阵列则分布于磁场探头无源结构终端传输线的两侧，保证共面波导结构在高频段时信号传输的稳定性；
10.所述有源放大电路结构直接集成到印刷电路板内，由放大电路及三个转接口组成；
11.所述放大电路主要由放大芯片以及电源管理芯片组成，其周围电路起到滤波、去耦、阻抗匹配的作用；
12.所述三个转接口中两个作为外部电压的供电口，一个作为信号的输出接口，供电口使用三引脚的转接头，将外部电压供给到有源放大电路中；信号输出端的转接头通过过孔固定在微带线上，将探头测试到的信号传输给测试设备。
13.所述协同设计方法重点在于，使用不同的仿真软件对探头的无源结构部分及有源结构部分分别进行仿真，再将两者的结果进行联合仿真，最后得到最贴近实际情况的有源磁场探头仿真结果。其中无源结构使用hfss进行仿真，有源结构使用allegropcbdesigner与3dlayout进行仿真，最后使用circuitdesign将无源结构与有源结构的仿真结果进行联合仿真。
14.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
15.本发明通过将传统无源磁场探头的结构与有源放大电路进行集成化设计，得到了能够工作在9khz-18ghz频段内的有源磁场探头。实现了高带宽、高灵敏度、高空间分辨率、小型化的特点，相对于传统的离散式放大探头，增强了使用时的便捷性。有效改善了传统测试中，对于微弱信号测量不便的缺陷，提高了测试结果的准确性。
【附图说明】
16.图1为9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的印刷电路板叠层结构示意图。
17.图2为9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的顶层平面展开图。
18.图3为9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的中间1层平面展开图。
19.图4为9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的中间2层平面展开图。
20.图5为9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的底层平面展开图。
21.图6为9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的|s
21
|曲线测试装置示意图。
22.图7为9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的测试及仿真|s
21
|曲线对比图。
23.附图标号说明：
24.1-1：信号过孔，1-2：传输线，1-3：放大芯片，1-4：电源管理芯片；
25.1-5：电源输入端口，1-6：输出端口sma接头；
26.2-1：中间1层参考地金属；
27.3-1：含屏蔽型隔离过孔阵列的金属环，3-2：带状线，3-3：信号过孔及栅栏式过孔阻抗匹配阵列；
28.4-1：电源输入端口；
29.5-1：矢量网络分析仪，5-2：同轴线缆，5-3：校准微带线，5-4：有源磁场探头正面示意图；
30.6-1：|s
21
|测试结果，6-2：|s
21
|仿真结果；
【具体实施方式】
31.下面将结合附图对本发明的具体实施方式进一步的详细说明。
32.图1展示了本发明涉及的9khz-18ghz超宽带有源磁场探头印刷电路板的叠层结构图。采用四层印刷电路是为了满足叠层结构的对称性。加工材料选择高性能、低损耗的罗杰斯r04003和r04450，原因是由于罗杰斯材料能满足高频段的工作需求，进而实现该探头高带宽的工作特性。一块0.2032mm厚度的罗杰斯r04003位于叠层结构中的顶端，一块0.1700mm的罗杰斯r04450板材位于叠层结构中的正中心，一块0.3048mm厚度的罗杰斯r04003位于叠层结构中的底端。顶层与底层金属厚度均为0.035mm，中间1层与中间2层的金属厚度均为0.0175mm。
33.图2展示了9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的顶层金属结构示意图，其中1-1为信号过孔，将中间2层的带状线通过过孔连接到顶层的传输线；1-2为传输线，与两侧铜片形成了共面波导结构，该结构能够保证探头在高频段工作时信号传输的稳定性；1-3为放大芯片hmc797apm5e；1-4为电源管理芯片hmc980lp4e；1-5为电源输入端口，该端口输入电压为11.2v；1-6为输出端口sma接头。顶层还包括电容、电阻、二极管、偏置器等电子器件。
34.图3展示了9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的中间1层金属结构示意图，2-1为金属铜片，尺寸为(3.4mm*7mm)，作为顶层传输线的参考地。
35.图4展示了9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的中间2层金属结构示意图，3-1为含屏蔽型隔离过孔阵列的金属环，用于拾取磁场信号，与金属环相连的带状线分为宽度不同的两段，第一段较短的宽度为0.6mm，第二段较长的宽度为0.3mm，这一宽度能够保证信号以较低的损耗传输。而采用渐变式的宽度设计是为了缓冲金属片与带状线之间的宽度变化。再经由3-2带状线传输。3-3为信号过孔及栅栏式过孔阻抗匹配阵列，其中信号过孔阻抗匹配阵列是为了减少信号线换层带来的阻抗失配，其过孔直径为0.5mm，每个过孔距离信号过孔的距离不全部相等，呈现非同轴式的阵列结构，以该尺寸参数进行设计，能够使得信号线在换层转接的过程中引入较小的损耗。栅栏式过孔阻抗匹配阵列是为了增强共面波导结构的信号传输稳定性及完整性。其中栅栏式过孔阻抗匹配阵列同侧相邻两过孔之间的距离为1mm，过孔直径为0.5mm，与共面波导中心信号线相近侧的过孔与参考地金属边缘的距离为0.5mm。采用这一尺寸参数设计得到的共面波导结构在工作频段内具有很好的信号传输特性。
36.图5展示了9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的底层金属结构示意图，4-1为探头的另一个电源输入端口，该端口的输入电压为3.3v。底层还包括电容、电阻、二极管等电子器件。
37.图6展示了9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的|s
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|曲线测试装置示意图，5-1为矢
量网络分析仪，端口1供给5-3校准微带线输入信号，端口2接收探头的输出信号，通过5-2同轴线缆相连接，从而测得探头的|s
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|曲线。首先设置矢量网络分析仪的各项参数，测试项目为|s
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|，测量带宽为9khz-18ghz，扫描点数为1001点，输出功率为0dbm，参考功率为0dbm。完成设置后，将探头的两个电源输入接口与电压源相连，调节好输入电压分别为11.2v与3.3v，此时先不供给电压，将标准微带线的一端接上50ω的负载，另一端通过高频线缆与矢量网络分析仪的端口1相连，再将探头的输出端通过高频线缆与矢量网络分析仪的端口2连接。将有源磁场探头放置于微带线中心，且应保证前端金属探针所在平面与微带线长边平行，两者相距1mm，与仿真时的高度差一致，保证金属探针能够捕捉到最大量的时变磁场。之后控制电源供电，观察矢量网络分析仪上的|s
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|曲线，当曲线稳定不再变化且满足设计需求时，保存该曲线的图像及数据文件，最终将无源磁场探头的仿真结果与有源磁场探头的仿真及测试结果进行对比。
38.图6展示了有源磁场探头的正面示意图，其整体尺寸不大于64mm*41.5mm，探头前端宽度不超过4.1mm，能够实现小型化的设计需求。
39.图7展示了9khz-18ghz超宽带有源磁场探头的|s
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|曲线测试与仿真结果对比图，其中6-1为测试结果，6-2为仿真结果。首先，无源结构使用hfss进行仿真，有源结构使用allegropcbdesigner与3dlayout进行仿真，最后使用circuitdesign将无源结构与有源结构的仿真结果进行联合仿真即可得到需要的仿真结果。最终得到的仿真曲线为有源磁场探头的传输系数曲线，即|s
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|与频率的曲线关系图。通过结果可知，测试与仿真结果差异不大，其工作频带为9khz-18ghz，满足了超宽带的设计需求。且探头的损耗很小，相较于传统的无源磁场探头，其传输性能更加优异，其灵敏度得到了提升。
40.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。

技术特征：
1.一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，其特征在于：包括磁场探头无源结构、有源放大电路结构；其中，磁场探头无源结构由含屏蔽型隔离过孔阵列的金属环、信号过孔、阻抗匹配过孔阵列及带状线组成；有源放大电路结构由放大电路及三个转接口组成。2.根据权利要求1所述的一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，其特征在于：含屏蔽型隔离过孔阵列的金属环由前端的金属环与带状线连接组成，金属环附近匹配了屏蔽型隔离过孔阵列，提供给顶层和底层金属以阻抗最低的电流回流路径，保证信号传输的稳定性；金属环与带状线之间通过一个45
°
的切角处理进行过渡，提升磁场探头的自谐振频率。3.根据权利要求1或2所述的一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，其特征在于：信号过孔贯穿带状线介质与带状线的信号线相连接，信号过孔与带状线上层屏蔽地和带状线下层屏蔽地相隔离，防止短路。4.根据权利要求1所述的一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，其特征在于：阻抗匹配过孔阵列分为信号过孔阻抗匹配阵列与终端传输线栅栏式过孔阻抗匹配阵列；其中，信号过孔匹配阵列围绕信号过孔分布，起到控制信号过孔处阻抗匹配的作用；终端传输线栅栏式过孔匹配阵列则分布于磁场探头无源结构终端传输线的两侧，保证共面波导结构在高频段时信号传输的稳定性。5.根据权利要求1所述的一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，其特征在于：有源放大电路结构直接集成到印刷电路板内，由放大电路及三个转接口组成。6.根据权利要求5所述的一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，其特征在于：放大电路由放大芯片以及电源管理芯片组成，周围电路起到滤波、去耦、阻抗匹配的作用。7.根据权利要求5所述的一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，其特征在于：三个转接口中两个作为外部电压的供电口，一个作为信号的输出接口，供电口使用三引脚的转接头，将外部电压供给到有源放大电路中；信号输出端的转接头通过信号过孔固定在微带线上，将探头测试到的信号传输给测试设备。8.根据权利要求1所述的一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，其特征在于：使用不同的仿真软件对探头的无源结构部分及有源结构部分分别进行仿真，再将两者的结果进行联合仿真，最后得到最贴近实际情况的有源磁场探头仿真结果；其中无源结构使用hfss进行仿真，有源结构使用allegropcbdesigner与3dlayout进行仿真，最后使用circuitdesign将无源结构与有源结构的仿真结果进行联合仿真。9.根据权利要求1所述的一种9khz-18ghz超宽带有源磁场探头，其特征在于：采用四层印刷电路，满足叠层结构的对称性；加工材料选择罗杰斯r04003和r04450；一块0.2032mm厚度的罗杰斯r04003位于叠层结构中的顶端，一块0.1700mm的罗杰斯r04450板材位于叠层结构中的正中心，一块0.3048mm厚度的罗杰斯r04003位于叠层结构中的底端；顶层与底层金属厚度均为0.035mm，中间1层与中间2层的金属厚度均为0.0175mm。

技术总结
本发明提出一种9kHz-18GHz超宽带有源磁场探头，其特征在于：包括磁场探头无源结构、有源放大电路结构；其中，磁场探头无源结构由含屏蔽型隔离过孔阵列的金属环、信号过孔、阻抗匹配过孔阵列及带状线组成；有源放大电路结构由放大电路及三个转接口组成。本发明通过将传统无源磁场探头的结构与有源放大电路进行集成化设计，得到了能够工作在9kHz-18GHz频段内的有源磁场探头。实现了高带宽、高灵敏度、高空间分辨率、小型化的特点，相对于传统的离散式放大探头，增强了使用时的便捷性。有效改善了传统测试中，对于微弱信号测量不便的缺陷，提高了测试结果的准确性。高了测试结果的准确性。高了测试结果的准确性。


技术研发人员：阎照文
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/23