一種探測電磁干擾的磁場探頭設計

馮超超,　萬發雨,　安蘇生

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院,江蘇 南京　210044)

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一種探測電磁干擾的磁場探頭設計

馮超超,萬發雨,安蘇生

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院,江蘇 南京210044)

摘要:采用磁場探頭進行電磁兼容輻射干擾探測來定位電子設備中的輻射源是一種很有效的方法。文章設計了一種帶狀線結構的近場磁場探頭,可用于電磁干擾的探測。通過建立電磁仿真模型,計算了探頭的S參數,驗證了設計的探頭在0.05～7 GHz頻帶范圍頻率特性良好。應用三層印制電路板技術制作了該磁場探頭,并通過一個特性阻抗為50 Ω的微帶線測試了探頭耦合S參數,并測試了頻率為3 GHz時微帶線上方的磁場分布,測試結果說明本探頭具有較高的分辨率。實驗測試結果和電磁仿真結果吻合較好,證明了所設計的帶狀線結構磁場探頭的有效性。

關鍵詞:電磁干擾;磁場探頭;帶狀線結構;空間分辨率;靈敏度

電磁輻射會在電子設備各模塊間產生干擾,現代電子技術對電子系統的電磁兼容性要求越來越高,要求電子設備不對其他設備產生干擾,對其他設備的電磁輻射有一定的抗干擾能力。目前電子產品不斷追求小型化,尤其在微波頻率范圍時,產品或其中模塊的物理尺寸相對較小,而產品中各模塊可能對其他設備產生干擾,更可能對自身設備產生電磁干擾。為了定位這些干擾源,可以采用近場測試的方法,這已被實驗證明是一種很有效的方法,這時就需要電磁場探頭作為測試的工具。相應的測試一般采用較小尺寸的測量天線,其中較為典型的有具有環狀結構的D型電磁傳感器、正交結構的偶極子天線以及小型螺旋圓錐天線[1]。使用磁場探頭進行電磁干擾源探測時,近區場電場和磁場均隨距離的增加而很快減小,故場的空間不均勻度較大,這就要求探頭的尺寸應盡可能小,使其在所處范圍內的場強保持不變,測出的結果才代表探頭所在位置的場強值[2-3]。探頭的尺寸結構小才能夠擁有足夠高的空間分辨率,測試時探頭才會對受試設備(equipment undertest,EUT)的場分布產生較小的影響。同時,探頭還須擁有足夠大的敏感度。

一般的磁場探頭由半剛性同軸電纜制作而成,將半剛性同軸電纜一端繞成對稱圓環,把圓環的內芯與同軸屏蔽層短路連接,在圓環中間處開一道縫隙,使探頭具有屏蔽電場作用[4-5]。由于同軸線型磁場探頭受到同軸線外屏蔽層的直徑寬度的限制,要把同軸型磁場探頭直徑做到毫米級會比較困難,這樣就無法提高探頭的分辨率,尋找集成電路板上的電磁干擾比較困難,這時就需要尺寸微小的測量探頭。

針對上述情況,本文設計了一種帶狀線結構電磁干擾探測磁場探頭,并采用相對成熟的印制電路板加工工藝對探頭進行制作,利用矢量網絡分析儀對探頭的頻率響應特性進行測試,完成了探頭從理論探究到實驗驗證的過程。設計的帶狀線結構磁場探頭直徑尺寸小、結構簡單，探頭的空間分辨率較好、測量頻帶范圍較寬。仿真結果與測試結果基本吻合,驗證了本文設計方法的正確性。該磁場探頭可作為電磁兼容輻射騷擾近場的測試工具。

1帶狀線結構磁場探頭原理與設計

探頭的尺寸大小決定了探頭的空間分辨率和探測靈敏度,提高探頭空間分辨率最簡單的方法是減小探頭的尺寸,但同時會降低探頭在低頻時的靈敏度,因此在設計時要在兩者之間進行利弊權衡[6-7]。由于同軸型探頭無法微型化,使探頭的空間分辨率無法提高,本文設計了一種高空間分辨率的帶狀線型磁場探頭。探頭的結構由同軸型探頭演變而來,其演變過程如圖1所示。

本文所設計探頭的具體結構如圖2所示。探頭采用帶狀線結構,導帶末端為圓環狀,兩面接地板在導帶圓環相同位置處刻成圓環狀且寬度略寬于導帶作為屏蔽環,并在屏蔽環最底部開一道對稱縫隙,導帶圓環尾部通過過孔與兩面接地板形成短路連接,整個探頭呈對稱結構,以達到很好屏蔽電場的作用。探頭采用SMA(sub-miniature-A)接頭進行饋電。

圖1　同軸型到PCB型磁場探頭的演變

圖2　探頭結構原理示意圖

假設設計的磁場探頭屏蔽效果非常理想,且磁場垂直穿過探頭的環面,則探頭的輸出電壓V0可近似表示為:

(1)

其中,μ0為真空磁導率;H為探頭導帶圓環中心處磁場強度;S為探頭圓環面積;ω由磁場的頻率決定。

2探頭的電磁仿真與實驗測試

2.1電磁仿真計算

基于上述對帶狀線結構磁場探頭結構的設計,結合具體測試的裝置,按照探頭實際尺寸和各結構參數以及最終探頭的測試環境,在三維電磁仿真軟件中建模并進行電磁仿真計算,以確保仿真和測試的一致性。計算采用三維坐標下時域有限差分(finite difference time domain,FDTD)方法,所建模型結構如圖3所示。

仿真時使用50 Ω微帶線作為場強發生裝置,微帶線導帶寬1.9 mm,長81 mm,并且有足夠大的接地面。帶狀線(特性阻抗Z0=50 Ω)結構探頭具體相關結構參數如下:導帶寬w=0.3 mm,探頭直徑d=1 mm,屏蔽環縫隙為0.5 mm,介質板(FR4,相對介電常數為4.3)厚度h=0.8 mm。

首先將探頭輸出端設為端口1,仿真計算出S11參數。然后,將微帶線一端設為端口1(圖3中A),探頭輸出設為端口2(圖3中B),微帶線的另一端設為端口3(圖3中C),并在端口3進行50 Ω阻抗匹配。探頭最底端與微帶線距離為2 mm,仿真計算出S21參數。激勵源使用平面波,分別由A點和B點所在面引入,且平行于介質板方向入射,其時域形式為頻譜范圍0～7 GHz的高斯脈沖。

圖3　探頭電磁仿真建模結構

2.2實驗測試

為了更好地驗證探頭的有效性,本文采用三層印制電路板加工工藝對帶狀線結構的磁場探頭進行了加工制作,實物圖如圖4a所示。探頭的接受特性實驗測試示意圖如圖4b所示,測試時可以使用TEM小室來測試探頭的特性,在不方便使用TEM小室時,可使用微帶線來代替TEM小室,由于微帶線傳輸的是準TEM波,因此確保了測試的有效性[8-9]。本文采用50 Ω微帶線作為場強發生裝置。

首先,將SMA接頭與探頭相焊接,SMA接頭的內芯通過過孔與導帶焊接,SMA接頭的引腳與接地板焊接,探頭為短路結構,用萬用表查看焊接結果。然后將探頭連接到矢量網絡分析儀(Agilent,N9918A)端口1,并加上0 dBm信號,這時網絡分析儀端口1既作為發射端也作為接收端,測試出探頭S11參數曲線。然后,測試探頭的耦合S21參數,本文的50 Ω微帶線尺寸同仿真時尺寸保持一致,分別將微帶線的兩端焊接上SMA接頭,并用萬用表檢查焊接效果。測試方法如圖4b所示,將微帶線導帶與y軸平行,探頭與yoz面平行且置于導帶中心正上方以獲得磁場的最大值,微帶線一端加50 Ω匹配負載,另一端連接到網絡分析儀端口1,并加上0 dBm信號,探頭輸出端連接到網絡分析儀端口2,此時,網絡分析儀端口1作為發射端,端口2作為接收端,測出耦合S21參數曲線。

圖4測試示意圖

將磁場探頭置于50 Ω微帶線導帶中心正上方,探頭環最底部距離微帶線2 mm,探頭沿著x方向移動,測試出頻率為3 GHz時微帶線中心上方x方向不同位置的耦合輸出值,以查看探頭是否具有較高的空間分辨率。

3實驗與仿真結果分析

探頭S11和耦合S21仿真結果與實驗測試結果如圖5所示。由圖5可以看出，探頭S11曲線在整個頻帶范圍內沒有出現較多諧振,因此探頭在測量時不會對受試設備造成太大的干擾。測試與仿真S21曲線趨勢基本一致,在低頻時吻合較好。

由于測試過程中使用SMA接頭和同軸電纜線作為連接,使得測試結果存在一定的損耗和誤差,同時隨著頻率的增加損耗也在增大。由測試S21曲線可以看出在5.5 GHz附近有諧振,主要是由于三層印制電路板在加工制作過程中線寬和介質板厚度存在一定的誤差,而焊點的存在也會對測試結果產生影響。

頻率為3 GHz時微帶線上方磁場分布探頭輸出仿真與測試結果歸一化值如圖6所示。利用電磁仿真軟件模擬測試時的步驟和測試環境進行建模,進而仿真計算得出探頭輸出仿真值。

圖5　探頭S11和耦合S21仿真與測試結果

圖6　3 GHz微帶線上方磁場分布測試與仿真結果

從圖6可以看出,探頭輸出仿真值與實驗測試值基本一致,且存在一定的差異,可能由于測試時探頭本身對微帶線上方的場分布會產生一定的干擾。由圖6可看出,隨著探頭微微移動,輸出值有明顯強弱變化,探頭輸出的主峰和兩邊的次峰與微帶線上方的場分布基本一致,探頭具有較高的空間分辨率。

4結論

本文設計并制作了一種帶狀線結構的磁場探頭,并從仿真S參數提取和實驗測試2個方面分析了該探頭的頻率特性。仿真和測試的結果表明，探頭0.05～7 GHz范圍內頻率特性良好,在1 GHz后探頭的耦合S21參數比較平坦。使用探頭測試了導帶寬為1.9 mm微帶線上方的場分布,從歸一化值可以看出，探頭具有較高的空間分辨率。由于在建模仿真時沒有考慮電纜的損耗以及焊點,因此測試和仿真結果有一定的差距,但總體可以看出仿真計算結果具有可靠性。這種帶狀線結構的磁場探頭結構簡單,尺寸小且易于加工,生產成本較低,可應用于電磁兼容近場測試領域進行電磁干擾的探測。

[參考文獻]

[1]曹學軍,弘舸,謝蘇隆.微波耦合場測量圓環探頭的接收特性[J].強激光與粒子束,2008,20(7):1155-1158.

[2]邢冰冰,朱傳煥.超高頻磁場探頭校準研究[J].電子測量與儀器學報,2009(Z1):126-129.

[3]劉玉欣，李殿來，楊明武.一種用于測量電場法向分量的近場探針[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2014，37(1)：78-81.

[4]石立華,周璧華. EMP磁場傳感器的理論與實驗研究[J].高電壓技術,1996,22(2):9-11.

[5]馮利民,錢照明.基于近場探頭的電力電子系統EMC故障診斷[J].電力電子技術,2007,41(6):13-15.

[6]Kim J M, Kim W T, Yook J G.Resonance-suppressed magnetic field probe for EM field-mapping system[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53 (9):2693-2699.

[7]Chou Y T, Lu H C.Space difference magnetic near-field probe with spatial resolution improvement [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2013,61(12):4233-4244.

[8]Suzuki E,Arakawa S,Ota H,et al.Optical magnetic field probe working up to 15 GHz use CdTe electrooptic crystals[J].IEEE Trans Electromagn Compact,2005,47(2):344-351.

[9]Dahele J S, Cullen A L. Electric probe measurements on microstrip[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1980, 28 (7):752-755.

(責任編輯閆杏麗)

Design of a magnetic field probe for detecting electromagnetic interference

FENG Chao-chao,WAN Fa-yu,AN Su-sheng

(School of Electronics and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

Abstract:It is an effective method to use magnetic field probe for electromagnetic compatibility radiated interference test to locate the source of electronic equipment . In this paper, a stripline-shaped near field magnetic probe for detecting electromagnetic interference is designed. Through the establishment of electromagnetic simulation model to calculate the sensor S parameters, it is demonstrated that the probe has a good frequency characteristic in the frequency band from 0.05 GHz to 7 GHz. The probe is made by the three-layer printed circuit board technology, and the coupling S parameters are tested through a microstrip line with an impedance of 50 Ω. And the electromagnetic field distribution around the microstrip line when the frequency is 3 GHz is measured and the result shows that the probe has high resolution. The experimental testing result and the simulation result agree well, thus proving the validity of the probe.

Key words:electromagnetic interference; magnetic field probe; stripline structure; space resolution; sensitivity

中圖分類號:TM937.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)03-0347-04

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.012

作者簡介：馮超超(1988-),男,江蘇六合人,南京信息工程大學碩士生;萬發雨(1983-),男,安徽蕪湖人,博士,南京信息工程大學教授,碩士生導師.

基金項目：江蘇省高校自然科學研究基金資助項目(14KJB510017);教育部留學回國科研啟動基金資助項目

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-03-04