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小型化宽带磁场探头仿真与设计

发布时间:2022-03-01 11:23所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:提出了一种近场磁场探头,可用于集成电路电磁辐射发射测量,对电子设备中的辐射源定位。探头采用四层印刷电路板设计,介质材料采用高性能、低损耗的Rogers4350B材料,确保结构简单和小型化。多层板结构可以有效屏蔽外部空间中的电场耦合。通过使用过孔栅栏和同轴过孔

  摘要:提出了一种近场磁场探头,可用于集成电路电磁辐射发射测量,对电子设备中的辐射源定位。探头采用四层印刷电路板设计,介质材料采用高性能、低损耗的Rogers4350B材料,确保结构简单和小型化。多层板结构可以有效屏蔽外部空间中的电场耦合。通过使用过孔栅栏和同轴过孔结构实现良好的阻抗匹配,并且提高工作频率。同时,屏蔽过孔能够形成屏蔽腔,有效抑制谐振,提高电场抑制性能。采用HFSS仿真软件得到磁场探头的性能参数,并进行实物加工。实验结果表明,探头工作频带可达到12GHz,空间分辨率为2mm,有良好的电场抑制度,仿真与实测结果吻合良好。

  关键词:磁场探头,过孔,空间分辨率,电场抑制度

科学技术

  引言

  随着科学技术的飞速发展,微波和集成电路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[1-2]。在这种背景下,电磁干扰成为评价集成电路性能的一个关键参数。近场扫描[3-4]是检测集成电路电磁辐射发射的有效测试技术。磁场探头作为一种近场扫描的探针,可用于测量来自集成电路引脚或印刷电路板上电路的近场辐射发射,也可用于测量集成电路引脚或印刷电路板上的传导电流[5]。

  由于具有射频电压和电流的电磁干扰源可以存在于一个电路中,磁场探头只对磁场有响应,对电场有较好的抑制,因此,设计具有高电场抑制的磁场探头对于精确测量射频磁场是必要的。随着芯片小型化、高集成度的发展趋势,精确测量狭小空间内的场分布有很大的市场需求,同时也面临着重大的挑战。

  探头尺寸越小,其空间分辨率越高,对待测场的干扰也越小,而尺寸越小磁场探头的灵敏度越低,需要根据实际情况选择合适的尺寸。文献[6]提出了一种新型矩形磁场探头,与传统探头相比,可用频率增加到7GHz。文献[7]在探头与共面波导连接部分加入了一组准周期结构,作为微带滤波器,拓宽了探头的使用范围,带宽达到9GHz。文献[8]设计了一种三层印刷电路板结构,探头具有良好的屏蔽电场作用。本文设计、制作了一种具有简单四层印刷电路板的高频磁场探头。该探头工作频率达到12GHz,在整个频段内,其电场抑制度超过20dB。

  1磁场探头的设计

  1.1工作原理

  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[9]。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。

  1.2探头结构

  本文提出了一种结构简单的近场磁场探头,探针设计在四层Rogers4350B(εr=3.66,tanζ=0.004)印刷电路板上。顶层和底层是接地层,以供电流返回路径和电磁屏蔽;中间层1用于控制接地共面波导(CPWG)结构的阻抗;中间层2上的信号线将感应电流传送到接收端。典型的磁场近场探头通常包括一个单回路来感知外部磁场和一个传输线结构来传输感知信号。探头主要分为三部分:第一部分设计针对连接器的复杂结构;第二部分带状线用于传输信号并在工程应用中提供灵活应用;第三部分探测部分,用于检测射频磁场信号。

  1.3结构分析

  连接端的过孔栅栏由一系列连接到上下接地层的过孔组成,放置在CPWG槽线的两边,以保证散射系数曲线的平滑度。相邻过孔的距离W=0.9mm,过孔与槽线边沿的距离D1=0.7mm。过孔数量的增加使S21平滑度显著改善,并且W和D1要足够小(远小于最大工作频率的1/4波长)以增强CPWG的结构性能[11]。

  过孔栅栏使得CPWG结构的S21在12GHz时提升0.06dB。信号过孔连接带状线和CPWG信号线,其特性阻抗与带状线和CPWG信号线的阻抗是不连续的。信号过孔的等效电路由并联寄生电容和串联寄生电感组成,在高频时,寄生现象很明显,导致严重的特性阻抗不匹配。同轴过孔阵列技术可以增强阻抗匹配[12]。同轴过孔和中心过孔之间的距离D=2.25mm。

  带状线的一端通过信号过孔连接到CPWG,另一端连接到探测部分。连接磁场探头环和同轴过孔结构的传输线的长度为30mm,磁场探头一端接地,相当于二分之一波长谐振器,其谐振点大约为2.5GHz,因此未加过孔时的谐振主要是其造成的,过孔可以很好地抑制其谐振。探头传输信号线两边放置对称的过孔,连接上下两层地,形成一个屏蔽腔,避免电场从侧面耦合进探头,影响测量结果。

  2磁场探头的仿真与实测

  该磁场测量场景由矢量网络分析仪(VNA)、探头和50Ω微带线组成。微带线的特性阻抗设计为50Ω,保证了信号的良好传输。使用HFSS仿真软件时,把磁场探头一端设置为端口3,微带线两端分别设置为端口1、2。探头放置在微带线中心,始终保持与微带线和微带线纵轴面平行,探头尖端始终距离微带线表面1mm。仿真频率范围为0~12GHz。探头的输出电压取决于探头尖端和被测导体之间的距离。根据IEC61967-6中的标准,在测量过程中,在微带线和磁场探头尖端之间保持1mm的空间非常关键。

  由于电磁场的高阶模式和色散现象,磁场分布会随着频率而变化,这对于使用Rogers4350B衬底的微带线是不可避免的。当频率较高时,微带线的色散现象使得其有效介电常数增大,相应的特性阻抗减小,从而导致了高频的回波损耗较大。在HFSS仿真中,我们默认微带线是无耗的,而在实际测量过程中,色散现象影响了微带线的高频性能。

  通过电磁仿真软件HFSS对设计的探头进行建模、仿真和优化,得到磁场探头的最终尺寸。使用SMA端接免焊连接器(SMA-KFD0830,DC-26.5GHz)作为接头,可灵活应用和减小焊接误差。用矢量网络分析仪(AgilentE8363C,10MHz~40GHz)测量磁场探头的相关性能参数,并使用MATLAB和Origin软件进行数据处理,最终得到仿真与测试结果。

  2.1频率特性

  在12GHz带宽内探头的回波损耗S33和插入损耗S31拥有良好的线性度,回波损耗在带宽内大于-3dB,而插入损耗在整体带宽内小于-30dB。与[13]中磁场探头相比,插入损耗在频率范围内整体降低了5dB,带宽拓展了2GHz。然而,微带线在高频时的色散现象,使探头在实际测量中,探测到了多方向的场分量,加上测量环境中的其他辐射干扰,实际测量结果比仿真结果高,并随着频率升高而越加明显。

  2.2空间分辨率

  探头的空间分辨率是识别两条相邻轨迹的关键指标。通常将空间分辨率定义为频率响应曲线中峰值点到-6dB的水平距离[13]。在空间分辨率的测试中,把磁场探头放置在微带线中心,始终保持与微带线和微带线纵轴面平行,微带线表面与探头尖端的距离为1mm,探头沿y轴水平移动,移动范围[-5mm,5mm],移动步长为0.5mm。最后,在每个位置记录探头的频率响应,并按每个频率的最大响应进行归一化。在实际测试过程中,采用手动方法测量其空间分辨率,会产生测量角度和位置精度偏差等问题。每次移动距离过小,很难保证步长的一致性,用手带动探头移动,也会对探头产生不必要的干扰,影响测试结果的准确性。

  3结论

  本文设计了一种结构简单的宽带近场磁场探头。过孔栅栏、同轴过孔等结构可以用来改善CPWG的性能,使探头实现良好的阻抗匹配。传输部分的过孔形成了谐振腔以增强其电场抑制。探测端的屏蔽过孔有效解决了终端短路问题,并显著提高了探头的使用带宽。设计的磁场探头在0~12GHz带宽内性能良好,极大地解决了集成电路的宽带测试问题。校准因子在35dB左右,探头拥有较低的标定系数。电场抑制度在带宽内高达20dB。

  参考文献

  〔1〕胥朋,徐亮,陈琦,等.基于仿真的电磁辐射抗干扰措施及验证[J].微波学报,2014,30(S2):58-60XuP,XuL,ChenQ,etal.Theanti-interferencesolutionandvalidationofEMradiationbasedonsimulation[J].JournalofMicrowaves,2014,30(S2):58-60

  〔2〕RamdaniM,SicardE,BoyerA,etal.Theelectromagneticcompatibilityofintegratedcircuits-past,present,andfuture[J].IEEETransactionsonElectromagneticCompatibility,2009,51(1):78-100

  〔3〕KandaM.Standardprobesforelectromagneticfieldmeasurements[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,1993,41(10):1349-1364

  〔4〕Mai-KhanhNN,IizukaT,YamadaM,etal.Anintegratedhigh-precisionprobesystemin0.18μmCMOSfornear-fieldmagneticmeasurementsoncryptographicLSIs[J].IEEESensorsJournal,2013,13(7):2675-2682

  〔5〕UNE-EN61967-6/Al-2008.Integratedcircuits-measurementofelectromagneticemissions,150kHzto1GHz-part6:measurementofconductedemissions-magneticprobemethod[S].AENOR,2008

  〔6〕KimJ,KimW,YookJ.Resonance-suppressedmagneticfieldprobeforEMfield-mappingsystem[J].IEEEtransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,2005,53(9):2693-2699

  〔7〕LinSY,YenSK,ChenWS,etal.Printedmagneticfieldprobewithenhancedperformances[A].2009AsiaPacificMicrowaveConference[C],Singapore,2009.649-652

  作者:杨蓉顾钊源万发雨

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