一種大工作空間近場掃描系統設計實現及電中心校準

劉 浩，趙 遠，閆麗萍，趙 翔*

(1.四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065；2.成都信息工程大學，四川 成都 610225)

0 引言

隨著高速集成電路和高頻電路的迅猛發展，電路復雜度和時鐘頻率的不斷提升帶來了日益嚴重的電磁兼容問題。由于電磁兼容問題中普遍存在的復雜電路/幾何/物理結構條件下的場-路混合、多尺度問題(建模與分析困難)以及知識產權(未公開電路內部結構)等原因，使用全波仿真技術進行電磁兼容分析常常會耗費巨大的計算代價亦或是無法進行建模[1]。因此，使用近場掃描系統，通過掃描待測設備(DUT)的輻射近場，從而明確每一個電子元器件乃至整個系統的電磁輻射特征[2-3]，以此推導等效模型[4-5]的方法被運用到越來越多的電磁兼容研究當中，成為診斷和分析電磁兼容問題的有效方法[6-8]。

目前，最具代表性的近場掃描系統為加拿大EMSCAN研制的EMSCAN系統和瑞典DetectusAB公司推出的EMC-Scanners系統。其中，EMSCAN系統是由1 218個小型磁場探頭組成的探頭陣列，工作空間為316 mm×218 mm，空間分辨率為7.5 mm，具有實時連續掃描、捕捉瞬態電磁干擾的優點，但其價格昂貴，且探頭固定，無法根據需求進行更換；EMC-Scanners為單探頭逐點掃描系統，其工作空間為300 mm×200 mm×100 mm，最小步進間隔1 mm，可擴展性差且同樣價格昂貴。因此，本文設計并實現了一套工作空間為600 mm×700 mm×600 mm，最小步進間隔0.05 mm，可擴展性強，能進行頻域測量且價格適中的電磁近場掃描系統。該系統以計算機為核心，通過串口連接的方式控制三軸運動平臺按照預先設置的掃描范圍、路徑及步長運動。通過LAN口連接的方式控制矢量網絡分析儀，讀取儀器探測的數據并將其傳輸到計算機中存儲。經過校準后，系統可檢測DUT的近場磁場特性，定位輻射源。

1 系統硬件設計

整個系統的硬件主要由機械傳動單元(支撐平臺、機械運動平臺)、信號單元(近場探頭、矢量網絡分析儀)和計算機單元3部分組成，系統結構如圖1所示。在進行頻域測量時，信號單元啟用矢量網絡分析儀(VNA)Agilent E8363C的1端口提供輸出信號給DUT，2端口接收輸入信號。計算機單元通過串口控制機械傳動單元運動到指定位置后，等待探頭進行測量。在探頭完成單點測量后，信號單元將測量數據通過網線傳輸到計算機單元中存儲。之后，機械傳動單元在計算機單元的控制下移動到下一個位置，再次進行測量。如此循環直到遍歷完所有測量點。

圖1 近場掃描系統結構Fig.1 Structure diagram of the near-field scanning system

2 系統軟件設計

本文基于虛擬儀器平臺LabVIEW開發了一套控制系統[9]。在該平臺下編寫的近場掃描系統的前面板軟件界面如圖2所示。

圖2 近場掃描系統的前面板Fig.2 Front panel of the near-field scanning system

近場掃描系統程序框圖如圖3所示。

圖3 近場掃描系統程序框圖Fig.3 Program flow chart of the near field scanning system

通過圖3所示的連線實現程序的運行邏輯，再通過圖2所示的前面板選擇掃描的起始位置、掃描范圍、掃描步長及掃描速度等；選擇啟用相應的儀器，設置相應的采集頻率及采集點數。點擊運行按鈕開始數據采集，并將采集回的信號傳遞給計算機單元，生成以當前程序開始運行時間為名的文本文檔儲存。當掃描完設定范圍后，機械傳動單元按照預先的設置返回零點。停止按鈕實現緊急停止功能，按鈕被按下后，程序停止運作，機械傳動單元停止運動。

利用虛擬儀器軟件結構實現與儀器的連通，基于可編程儀器標準命令對儀器進行控制，實現了對VNA測量狀態以及測量數據的讀取。通過調用動態鏈接庫實現了對三軸運動裝置的控制，使運動控制裝置在根據接收到的三維空間坐標進行運動的同時，反饋自身的運動狀態，從而能夠根據掃描需求進行多平面蛇形運動[10]及指定步長運動。

在進行近場掃描過程中，要保證程序的魯棒性，尤其是發生錯誤時對其進行定位排查的能力，同時也要保證設備運行的安全性，確保DUT和探頭不會因為操作者的錯誤設置而受到損壞。因此本文對每一個子虛擬儀器進行了錯誤處理設計，以保證發生錯誤時，能根據錯誤代碼和錯誤提示迅速定位到錯誤的發生點；設計了對位置信息的負反饋，以確保掃描位置時刻處于工作空間內；設置了緊急停止指令，以保證當程序未能檢查到的錯誤發生時，操作者能迅速手動中止一切機械動作。

3 探頭因子的校準

在進行近場掃描的過程中，探頭檢測出的是傳感器耦合的輸出電壓，而不是等效建模所需的場值實際大小，因此定義探頭因子PF用于測得磁場的校準：

(1)

式中，U(f)為探頭測得的電壓信號(單位：V)；H(f)為探頭所在位置處的磁場強度值(單位：A/m)。通過PF可以實現從電壓信號到磁場強度信息的轉換。PF值只與測量系統本身有關，與DUT無關。

為獲得PF值，以特征阻抗為50 Ω的微帶線作為校準件[11]。根據本文系統的測量原理，將U(f)取值為VNA測得的正向電壓傳輸系數模值|S21|，即校準件的激勵電壓信號強度為1 V時探頭測得的電壓值；H(f)取為全波仿真軟件計算得到的校準件在同樣激勵條件下探頭位置處的磁場強度(對應分量)大小。

校準時探頭的校準路徑(虛線)如圖4所示。

壓汞孔隙分析是目前測量孔隙分布的經典方法，適合測試干燥試樣的孔隙分布。初始壓實狀態下的試樣孔隙分布特征如圖6所示。

圖4 校準時探頭的校準路徑(虛線)Fig.4 Calibration path of probe

校準時，磁場探頭位于微帶線PCB板上方，使探頭按照如圖4中虛線所示校準路徑掃過校準件，測得校準件在X方向磁場對應的輸出電平。為排除掃描時環境噪聲對測量的影響，通過增大VNA端口的輸入功率、降低中頻帶寬以及控制測量高度的方式保證測量時其有用信號大于環境噪聲20 dB。

磁場探頭所測得結果取決于探頭線圈所包圍區域的磁場均值，而不是一個確定位置的場值。把測得的場強數據應用到等效建模的過程中，需要測得的場值對應一個確定的空間位置。為此，假定探頭所測得的場值數據對應一個確定的空間點且該點的仿真數據與得到的測量數據匹配度最高，稱該點為探頭的電中心(Electrical Center，EC)。值得注意的是，EC位置與探頭線圈的幾何中心(Geometric Center，GC)不一定重合[12]，如圖5所示。

圖5 探頭電中心和幾何中心示意Fig.5 Schematic diagram of probe electrical center and geometric center

圖6為校準件近場輻射的理論Hx分量和掃描測量重建的重建Hx分量，包括在921 MHz時，校準路徑上GC高度為3 mm的測量數據及其對應的一系列EC高度從1.5～4.5 mm的仿真數據。做圖時，對每組數據分別進行以其最大值做歸一化并取對數處理。

圖6 在校準路徑上不同高度的X方向磁場強度Fig.6 Hx component at different heights on calibration paths

為了確定EC的具體位置，文獻[13]提出了一種基于相關系數的校準方法：

(2)

式中，xi為測量數據；yi為仿真數據；Rxy為該組測量數據與該組仿真數據的相關系數。利用該方法計算出在921 MHz、GC高度為3 mm時對應的EC高度為3.2 mm，其X方向磁場強度如圖7所示。

為檢驗該方法得到的EC位置是否具有普適性，本文對不同GC高度、不同頻率的EC進行了測定和計算，結果如表1所示。在選取2.0，2.5，3.0，3.5 mm四個不同的GC高度時，其對應EC的PF具有一定差異。當選定同一EC時，不同頻率下，其EC和GC的偏差不完全相同；當選定同一頻率時，不同EC下，其EC和GC的偏差也不完全相同。由此說明，當測量高度或測量頻率發生變化時，EC也會隨之變化。因此，在進行近場掃描時面對不同的測量高度和不同的測量頻率，均應先計算其EC，再根據選取的EC通過式(1)計算PF。

圖7 與校準路徑上X方向磁場強度的測量數據為最佳匹配的仿真數據Fig.7 Measurement data and simulation data for Hx component on calibration paths-in best correlation case

表1 不同頻率不同GC下對應的EC及其PF
Tab.1 CorrespondingECand itsPFat different frequencies andGC

頻率/GHzGC/mm2.02.53.03.5EC/mmPF/A·m-1·V-1EC/mmPF/A·m-1·V-1EC/mmPF/A·m-1·V-1EC/mmPF/A·m-1·V-10.332.35179.522.95176.253.50172.833.95180.760.482.30131.642.90128.083.50124.994.10121.210.622.35107.942.95104.903.10121.094.10101.930.772.4094.153.0091.553.15105.423.75102.110.922.4080.292.6589.463.2088.333.7586.921.072.2070.822.7071.153.2071.543.8568.071.222.2558.862.7559.343.3058.703.9057.051.372.3056.582.8555.963.3556.573.9554.931.522.4058.382.8061.573.4059.684.0058.191.662.3562.102.8063.923.4560.944.1058.341.812.3057.342.8057.953.4555.013.6562.111.962.3047.232.7548.673.5044.483.7050.172.112.2542.452.8041.953.0546.843.6545.122.262.2044.732.8542.213.1047.313.6047.372.412.2051.102.9047.483.1553.153.6553.34

4 測試結果及分析

為驗證近場掃描系統的可行性和探頭因子的準確性，對某DUT進行了頻域近場磁場掃描，其主體是尺寸為80 mm×50 mm×1.5 mm，材質為FR4的PCB板；板的一面有如圖8所示的微帶線，另一面為接地面。激勵端連接VNA作為其輸入信號，2個負載端分別連接50 Ω的匹配負載。DUT的照片如圖9所示。按文獻[14-15]的頻域測量建議，設置掃描高度，即探頭GC據DUT的距離為3 mm，掃描步長1 mm，掃描范圍80 mm×50 mm。

圖8 DUT示意(單位：mm)Fig.8 Schematic diagram of the DUT with several microstrips(unit：mm)

圖9 DUT實物Fig.9 Photograph of the DUT

利用PF，將近場探頭得到的電壓信號轉換為場強的絕對值，獲得磁場強度分量近場分布圖。本文以921 MHz頻點為例，給出其測量數據如圖10和圖12所示以及仿真數據如所圖11和圖13示。可以看出，測量數據和仿真數據有很好的一致性，在總體上能反映DUT的近場磁場信息。

圖10 921 MHz頻點的測量Hx分布Fig.10 Measured Hx eld mapping at 921 MHz

圖11 921 MHz頻點的仿真Hx分布Fig.11 Simulated Hx eld mapping at 921 MHz

圖12 921 MHz頻點的測量Hy分布Fig.12 Measured Hy eld mapping at 921 MHz

圖13 921 MHz頻點的仿真Hy分布Fig.13 Simulated Hy eld mapping at 921 MHz

5 結束語

本文設計并實現了一種電磁兼容近場掃描系統，通過計算機對VNA、機械運動平臺進行聯動控制，實現了對DUT的近場磁場掃描功能。用戶可自定義掃描步長和三維掃描范圍，根據DUT進行調整以平衡掃描的準確性和掃描效率。對不同高度、不同頻率下的EC和PF進行了測定，提出在測量頻率或測量高度發生變化時應重新測定和計算探頭EC及PF的建議。實驗結果和仿真結果良好的一致性驗證了本文近場掃描系統的準確性。

系統還具有良好的可擴展性，如進一步開發運動控制系統使其可根據場強變化做自適應步長運動以減少掃描時間，將VNA更換為示波器等其他設備實現時域測量以及其他更多類型的測量，利用其工作空間達到600 mm×700 mm×600 mm的特性，對中小型腔體通過孔縫外泄的輻射近場進行測量。