一种用于测量电场法向分量的近场探针

刘玉欣， 李殿来， 杨明武

（合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

随着电路集成技术的发展，电路集成度越来越高，产品小型化趋势不断加强，但紧凑的器件及连线导致设备电路系统电磁干扰严重，电磁污染较大。为此，世界各国及地区制定了相应EMC检测标准，要求相应产品在投放市场前必须通过EMC检测标准［1］。为了使研发产品顺利通过EMC评估，缩短研发周期，电路设计工程师需要用电磁场近场扫描仪对集成电路近场进行EMI检测及电路的诊断。近场探针是近场扫描仪器探测的关键器件，探针的分辨率及耦合性能决定探测结果的准确性，通过探针能够准确定位电磁辐射源，检测电路的不连续和定位电路缺陷［2－3］。应用在近场扫描仪上的探针分为电场探针和磁场探针，电场探针的原理是基于测量高频电路的表面电场，磁场探针的原理是基于测量高频电路的表面磁场［4］。测量高频电路时，磁场探针得到了广泛研究与应用［5］。但用磁场探针测量存在一定的限制，需要待测电路有较强辐射电流［6］。当辐射电流相对较小，待测体布线密集情况下，探针的灵敏度及空间分辨率不能满足要求，近电场探针将取代磁场探针［6］。

本文探讨的近电场法向电场探针，用于测量高频电路近场的法向电场信息。首先根据电场耦合分析探针工作原理，然后由软件仿真得出探针的仿真数据，最后根据仿真数据、实验数据分析探针测量误差产生的原因及分辨率。

1 法向电场探针的原理

为满足电磁场三维成像仪的灵敏度及空间分辨率要求，实现探针对场的影响远小于电路本身激发的电磁场，在选择探针尺寸时，应尽量的细小［6］。本文设计的近场法向探针应用50Ω半钢同轴线加工而成，为满足空间分辨率的要求，此次设计应用了半钢性同轴电缆HSR－034，其内导体半径是0.1mm，导体材料为镀银铜包钢，中间绝缘材料为PTFE，外径为0.33mm，外导体为无缝退火紫铜管，其外径为0.43mm。改变探针半钢线使其内导体比外导体长h，如图1所示。

图1 同轴线探针示意图

其中，E0是电场强度E的幅值；C为探针的电容；A为系统常量。

矢量场E沿x、y、z方向分解为：

其中，i、j、k分别是x、y、z方向的单位矢量。对于同轴法向场探针，感应电流主要由z方向的电场分量产生，有Ez≫ExEz≫Ey，E变化产生的感应电流可以近似为：

并经50Ω同轴线传输。

探针应用半钢同轴线HSR－034制作，用剥离机将外导体剥离一段，使探针内导体与外导体差为h，由（7）式可知，耦合进入探针内的电流i与C成正比，当探针内、外径一定时，C与h成正比。但当C比较大时，探针对待测电场影响较大。所以设计的探针要对待测电场影响比较小，同时探针接收电流i足够大，才能满足仪器的灵敏度及准确度的要求。取h为500μm，将形成的耦合电容探针命名为EPz。探针EPz固定在三维移动平台上，探针在待测体正上方500μm，沿x、y轴方向步进扫描。探针输出端口连接电光调制器，测量输出电信号经探针传输到电光调制器，并由电光调制器将电信号转变成光信号，光信号再由激光加载沿光纤传输至电磁场三维成像仪，并在显示器上显示出电场近场成像，如图2所示。

图2 电磁场三维近场成像测试平台示意图

2 法向电场探针测试性能分析

为验证法向电场探针的正确性，选择模型比较简单而且能够准确计算理论值的微带线作为校准器件。微带线结构如图3所示。

图3 微带线的几何结构

图1中，W为微带线导带的宽度；h为介质基板的厚度，a为介质板的宽度，εr为介质板的相对介电常数。W位于介质板中央形成一个对称的边界条件。众所周知，微带线内传输的主模是准TEM模［8－9］。通过静电场理论分析近似得到微带线上方的理论电场分布，在a≫d情况下，边界条件对称，通过拉普拉斯方程求解微带线上电场，得出法向电场［9］如下：

当0≤z＜d时，

当d≤z＜∞时，

其中

微带线介质板宽度a＝40mm，即x取值（－20mm，20mm）。由（8）～（10）式可得出微带线上方500μm处的法向电场Ez随x的函数曲线。微带线上方的边界条件对称，法向电场Ez也是x＝0的轴对称函数。

采用Ansoft公司的HFSS软件对微带线建模仿真。在模式驱动求解条件下，对微带线进行波端口设置。微带线的工作频率为2.4GHz，特性阻抗为50Ω，微带线长度为73mm，基板厚度为0.6mm，介电常数为4.4，微带线为开路状态。

HFSS软件设置相位角为定值，则微带线上方电场呈现驻波情况，如图4所示。

图4 微带线上方500μm面上法向电场图

从图4得到电场的最大值在微带线上方，电场场强的绝对值以λ／2为周期变化。当微带线馈电时，微带线上方电场是行波传输，上方电场全部如最强处电场分布，与理论完全吻合，如图5所示。

图5 理论解与仿真值比较

图5中理论解是通过理论公式计算得出的Ez与x的关系曲线，仿真值是应用HFSS软件仿真微带传输线得到的，仿真提取图4中a线上的电场分布，取x（－20mm，20mm）得到法向电场值Ez。图5显示法向电场的主峰值和2个次峰上完全重合，验证了软件仿真模型的正确性，为进一步应用该仿真模型提供了依据。

在已有的微带传输线模型上加入同轴探针EPz。电磁场三维成像测试台上应用EPz探针对标准件微带线进行测量，微带线及测量位置与软件仿真设计保持一致。探针的探头距离微带线导带上方500μm，探针EPz沿图4中所示的a线步进扫描，步进参数设置为0.1mm。在软件模型中，在探针EPz输出端口得到该探针对微带线表面场仿真测量值，输出数据即为探针仿真值，如图6所示。

图6 EPz探针扫描微带线

图6中电场理论解是经理论公式得到的，用软件模拟三维移动平台上的探针扫描微带线，将同轴探针EPz与微带线一并建模，得到探针仿真值Ez。探针仿真值Ez出现了明显的主峰和2个次峰，与微带线上方的理论值极其相似。但仿真值的主峰明显变宽，次峰也向远离微带线两侧移动。出现这种现象的原因如下：一方面是由于近电场的杂散耦合造成的［10－11］，另一方面是由于探针置于微带线导带上方，探针对电场有一定的影响，探针测量的场是微带线和探针共同形成的。同时考虑到感应场电场衰减很快，探针头长度为h＝50μm，实际测量的电场强度应该是探针头长度内所有法向电场的积分值，所以主峰要比理论值宽，次峰向外移动1.526mm。探针实验测量值与软件仿真值几乎重合，但在10～20mm之间实际测量值远大于仿真值及理论值，这受到环境中电磁波及仪器影响所致。

由图6可见，主要3峰吻合得较好，这样就可以为探针性能进行标定。主峰点及最低值是衡量探针分辨率的2个主要标志，仿真及实验数据显示主峰点相同，最低值与理论值相差1.526mm，所以探针在对工作频率为2.4GHz的高频电路板进行成像时，最小分辨率为1.526mm。毫米级的分辨率大大提高了仪器的精度，能够为工程实践中EMI检测提供帮助。

3 结束语

近电场法向场探针主要应用于电路EMI检测及电场近场成像。文中设计了一种近电场法向电场探针，基于电场耦合分析，阐述了探针的工作原理；应用HFSS商业软件对探针在微带线上方步进扫描探测进行仿真，仿真得到的数据与电磁场三维成像平台测量数据及微带线近场理论数据进行比较和分析，结果显示法向场探针EPz具有良好的工作性能及高分辨率；对出现的误差进行了分析，得到一组完备的数据标定。本文设计的这种探针加工简单、成本低，具有工程实用性。

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