一种探测电磁干扰的磁场探头设计

冯超超,　万发雨,　安苏生

(南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京　210044)



一种探测电磁干扰的磁场探头设计

冯超超,万发雨,安苏生

(南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京210044)

摘要:采用磁场探头进行电磁兼容辐射干扰探测来定位电子设备中的辐射源是一种很有效的方法。文章设计了一种带状线结构的近场磁场探头,可用于电磁干扰的探测。通过建立电磁仿真模型,计算了探头的S参数,验证了设计的探头在0.05～7 GHz频带范围频率特性良好。应用三层印制电路板技术制作了该磁场探头,并通过一个特性阻抗为50 Ω的微带线测试了探头耦合S参数,并测试了频率为3 GHz时微带线上方的磁场分布,测试结果说明本探头具有较高的分辨率。实验测试结果和电磁仿真结果吻合较好,证明了所设计的带状线结构磁场探头的有效性。

关键词:电磁干扰;磁场探头;带状线结构;空间分辨率;灵敏度

电磁辐射会在电子设备各模块间产生干扰,现代电子技术对电子系统的电磁兼容性要求越来越高,要求电子设备不对其他设备产生干扰,对其他设备的电磁辐射有一定的抗干扰能力。目前电子产品不断追求小型化,尤其在微波频率范围时,产品或其中模块的物理尺寸相对较小,而产品中各模块可能对其他设备产生干扰,更可能对自身设备产生电磁干扰。为了定位这些干扰源,可以采用近场测试的方法,这已被实验证明是一种很有效的方法,这时就需要电磁场探头作为测试的工具。相应的测试一般采用较小尺寸的测量天线,其中较为典型的有具有环状结构的D型电磁传感器、正交结构的偶极子天线以及小型螺旋圆锥天线[1]。使用磁场探头进行电磁干扰源探测时,近区场电场和磁场均随距离的增加而很快减小,故场的空间不均匀度较大,这就要求探头的尺寸应尽可能小,使其在所处范围内的场强保持不变,测出的结果才代表探头所在位置的场强值[2-3]。探头的尺寸结构小才能够拥有足够高的空间分辨率,测试时探头才会对受试设备(equipment undertest,EUT)的场分布产生较小的影响。同时,探头还须拥有足够大的敏感度。

一般的磁场探头由半刚性同轴电缆制作而成,将半刚性同轴电缆一端绕成对称圆环,把圆环的内芯与同轴屏蔽层短路连接,在圆环中间处开一道缝隙,使探头具有屏蔽电场作用[4-5]。由于同轴线型磁场探头受到同轴线外屏蔽层的直径宽度的限制,要把同轴型磁场探头直径做到毫米级会比较困难,这样就无法提高探头的分辨率,寻找集成电路板上的电磁干扰比较困难,这时就需要尺寸微小的测量探头。

针对上述情况,本文设计了一种带状线结构电磁干扰探测磁场探头,并采用相对成熟的印制电路板加工工艺对探头进行制作,利用矢量网络分析仪对探头的频率响应特性进行测试,完成了探头从理论探究到实验验证的过程。设计的带状线结构磁场探头直径尺寸小、结构简单，探头的空间分辨率较好、测量频带范围较宽。仿真结果与测试结果基本吻合,验证了本文设计方法的正确性。该磁场探头可作为电磁兼容辐射骚扰近场的测试工具。

1带状线结构磁场探头原理与设计

探头的尺寸大小决定了探头的空间分辨率和探测灵敏度,提高探头空间分辨率最简单的方法是减小探头的尺寸,但同时会降低探头在低频时的灵敏度,因此在设计时要在两者之间进行利弊权衡[6-7]。由于同轴型探头无法微型化,使探头的空间分辨率无法提高,本文设计了一种高空间分辨率的带状线型磁场探头。探头的结构由同轴型探头演变而来,其演变过程如图1所示。

本文所设计探头的具体结构如图2所示。探头采用带状线结构,导带末端为圆环状,两面接地板在导带圆环相同位置处刻成圆环状且宽度略宽于导带作为屏蔽环,并在屏蔽环最底部开一道对称缝隙,导带圆环尾部通过过孔与两面接地板形成短路连接,整个探头呈对称结构,以达到很好屏蔽电场的作用。探头采用SMA(sub-miniature-A)接头进行馈电。

图1　同轴型到PCB型磁场探头的演变

图2　探头结构原理示意图

假设设计的磁场探头屏蔽效果非常理想,且磁场垂直穿过探头的环面,则探头的输出电压V0可近似表示为:

(1)

其中,μ0为真空磁导率;H为探头导带圆环中心处磁场强度;S为探头圆环面积;ω由磁场的频率决定。

2探头的电磁仿真与实验测试

2.1电磁仿真计算

基于上述对带状线结构磁场探头结构的设计,结合具体测试的装置,按照探头实际尺寸和各结构参数以及最终探头的测试环境,在三维电磁仿真软件中建模并进行电磁仿真计算,以确保仿真和测试的一致性。计算采用三维坐标下时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)方法,所建模型结构如图3所示。

仿真时使用50 Ω微带线作为场强发生装置,微带线导带宽1.9 mm,长81 mm,并且有足够大的接地面。带状线(特性阻抗Z0=50 Ω)结构探头具体相关结构参数如下:导带宽w=0.3 mm,探头直径d=1 mm,屏蔽环缝隙为0.5 mm,介质板(FR4,相对介电常数为4.3)厚度h=0.8 mm。

首先将探头输出端设为端口1,仿真计算出S11参数。然后,将微带线一端设为端口1(图3中A),探头输出设为端口2(图3中B),微带线的另一端设为端口3(图3中C),并在端口3进行50 Ω阻抗匹配。探头最底端与微带线距离为2 mm,仿真计算出S21参数。激励源使用平面波,分别由A点和B点所在面引入,且平行于介质板方向入射,其时域形式为频谱范围0～7 GHz的高斯脉冲。

图3　探头电磁仿真建模结构

2.2实验测试

为了更好地验证探头的有效性,本文采用三层印制电路板加工工艺对带状线结构的磁场探头进行了加工制作,实物图如图4a所示。探头的接受特性实验测试示意图如图4b所示,测试时可以使用TEM小室来测试探头的特性,在不方便使用TEM小室时,可使用微带线来代替TEM小室,由于微带线传输的是准TEM波,因此确保了测试的有效性[8-9]。本文采用50 Ω微带线作为场强发生装置。

首先,将SMA接头与探头相焊接,SMA接头的内芯通过过孔与导带焊接,SMA接头的引脚与接地板焊接,探头为短路结构,用万用表查看焊接结果。然后将探头连接到矢量网络分析仪(Agilent,N9918A)端口1,并加上0 dBm信号,这时网络分析仪端口1既作为发射端也作为接收端,测试出探头S11参数曲线。然后,测试探头的耦合S21参数,本文的50 Ω微带线尺寸同仿真时尺寸保持一致,分别将微带线的两端焊接上SMA接头,并用万用表检查焊接效果。测试方法如图4b所示,将微带线导带与y轴平行,探头与yoz面平行且置于导带中心正上方以获得磁场的最大值,微带线一端加50 Ω匹配负载,另一端连接到网络分析仪端口1,并加上0 dBm信号,探头输出端连接到网络分析仪端口2,此时,网络分析仪端口1作为发射端,端口2作为接收端,测出耦合S21参数曲线。

图4测试示意图

将磁场探头置于50 Ω微带线导带中心正上方,探头环最底部距离微带线2 mm,探头沿着x方向移动,测试出频率为3 GHz时微带线中心上方x方向不同位置的耦合输出值,以查看探头是否具有较高的空间分辨率。

3实验与仿真结果分析

探头S11和耦合S21仿真结果与实验测试结果如图5所示。由图5可以看出，探头S11曲线在整个频带范围内没有出现较多谐振,因此探头在测量时不会对受试设备造成太大的干扰。测试与仿真S21曲线趋势基本一致,在低频时吻合较好。

由于测试过程中使用SMA接头和同轴电缆线作为连接,使得测试结果存在一定的损耗和误差,同时随着频率的增加损耗也在增大。由测试S21曲线可以看出在5.5 GHz附近有谐振,主要是由于三层印制电路板在加工制作过程中线宽和介质板厚度存在一定的误差,而焊点的存在也会对测试结果产生影响。

频率为3 GHz时微带线上方磁场分布探头输出仿真与测试结果归一化值如图6所示。利用电磁仿真软件模拟测试时的步骤和测试环境进行建模,进而仿真计算得出探头输出仿真值。

图5　探头S11和耦合S21仿真与测试结果

图6　3 GHz微带线上方磁场分布测试与仿真结果

从图6可以看出,探头输出仿真值与实验测试值基本一致,且存在一定的差异,可能由于测试时探头本身对微带线上方的场分布会产生一定的干扰。由图6可看出,随着探头微微移动,输出值有明显强弱变化,探头输出的主峰和两边的次峰与微带线上方的场分布基本一致,探头具有较高的空间分辨率。

4结论

本文设计并制作了一种带状线结构的磁场探头,并从仿真S参数提取和实验测试2个方面分析了该探头的频率特性。仿真和测试的结果表明，探头0.05～7 GHz范围内频率特性良好,在1 GHz后探头的耦合S21参数比较平坦。使用探头测试了导带宽为1.9 mm微带线上方的场分布,从归一化值可以看出，探头具有较高的空间分辨率。由于在建模仿真时没有考虑电缆的损耗以及焊点,因此测试和仿真结果有一定的差距,但总体可以看出仿真计算结果具有可靠性。这种带状线结构的磁场探头结构简单,尺寸小且易于加工,生产成本较低,可应用于电磁兼容近场测试领域进行电磁干扰的探测。

[参考文献]

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[4]石立华,周璧华. EMP磁场传感器的理论与实验研究[J].高电压技术,1996,22(2):9-11.

[5]冯利民,钱照明.基于近场探头的电力电子系统EMC故障诊断[J].电力电子技术,2007,41(6):13-15.

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[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.

(责任编辑闫杏丽)

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

中图分类号:TM937.1

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)03-0347-04

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.012

作者简介：冯超超(1988-),男,江苏六合人,南京信息工程大学硕士生;万发雨(1983-),男,安徽芜湖人,博士,南京信息工程大学教授,硕士生导师.

基金项目：江苏省高校自然科学研究基金资助项目(14KJB510017);教育部留学回国科研启动基金资助项目

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-03-04