一種用于測量電場法向分量的近場探針

劉玉欣， 李殿來， 楊明武

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

隨著電路集成技術(shù)的發(fā)展，電路集成度越來越高，產(chǎn)品小型化趨勢不斷加強，但緊湊的器件及連線導(dǎo)致設(shè)備電路系統(tǒng)電磁干擾嚴(yán)重，電磁污染較大。為此，世界各國及地區(qū)制定了相應(yīng)EMC檢測標(biāo)準(zhǔn)，要求相應(yīng)產(chǎn)品在投放市場前必須通過EMC檢測標(biāo)準(zhǔn)［1］。為了使研發(fā)產(chǎn)品順利通過EMC評估，縮短研發(fā)周期，電路設(shè)計工程師需要用電磁場近場掃描儀對集成電路近場進行EMI檢測及電路的診斷。近場探針是近場掃描儀器探測的關(guān)鍵器件，探針的分辨率及耦合性能決定探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過探針能夠準(zhǔn)確定位電磁輻射源，檢測電路的不連續(xù)和定位電路缺陷［2－3］。應(yīng)用在近場掃描儀上的探針分為電場探針和磁場探針，電場探針的原理是基于測量高頻電路的表面電場，磁場探針的原理是基于測量高頻電路的表面磁場［4］。測量高頻電路時，磁場探針得到了廣泛研究與應(yīng)用［5］。但用磁場探針測量存在一定的限制，需要待測電路有較強輻射電流［6］。當(dāng)輻射電流相對較小，待測體布線密集情況下，探針的靈敏度及空間分辨率不能滿足要求，近電場探針將取代磁場探針［6］。

本文探討的近電場法向電場探針，用于測量高頻電路近場的法向電場信息。首先根據(jù)電場耦合分析探針工作原理，然后由軟件仿真得出探針的仿真數(shù)據(jù)，最后根據(jù)仿真數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)分析探針測量誤差產(chǎn)生的原因及分辨率。

1 法向電場探針的原理

為滿足電磁場三維成像儀的靈敏度及空間分辨率要求，實現(xiàn)探針對場的影響遠小于電路本身激發(fā)的電磁場，在選擇探針尺寸時，應(yīng)盡量的細小［6］。本文設(shè)計的近場法向探針應(yīng)用50Ω半鋼同軸線加工而成，為滿足空間分辨率的要求，此次設(shè)計應(yīng)用了半鋼性同軸電纜HSR－034，其內(nèi)導(dǎo)體半徑是0.1mm，導(dǎo)體材料為鍍銀銅包鋼，中間絕緣材料為PTFE，外徑為0.33mm，外導(dǎo)體為無縫退火紫銅管，其外徑為0.43mm。改變探針半鋼線使其內(nèi)導(dǎo)體比外導(dǎo)體長h，如圖1所示。

圖1 同軸線探針示意圖

其中，E0是電場強度E的幅值；C為探針的電容；A為系統(tǒng)常量。

矢量場E沿x、y、z方向分解為：

其中，i、j、k分別是x、y、z方向的單位矢量。對于同軸法向場探針，感應(yīng)電流主要由z方向的電場分量產(chǎn)生，有Ez?ExEz?Ey，E變化產(chǎn)生的感應(yīng)電流可以近似為：

并經(jīng)50Ω同軸線傳輸。

探針應(yīng)用半鋼同軸線HSR－034制作，用剝離機將外導(dǎo)體剝離一段，使探針內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體差為h，由（7）式可知，耦合進入探針內(nèi)的電流i與C成正比，當(dāng)探針內(nèi)、外徑一定時，C與h成正比。但當(dāng)C比較大時，探針對待測電場影響較大。所以設(shè)計的探針要對待測電場影響比較小，同時探針接收電流i足夠大，才能滿足儀器的靈敏度及準(zhǔn)確度的要求。取h為500μm，將形成的耦合電容探針命名為EPz。探針EPz固定在三維移動平臺上，探針在待測體正上方500μm，沿x、y軸方向步進掃描。探針輸出端口連接電光調(diào)制器，測量輸出電信號經(jīng)探針傳輸?shù)诫姽庹{(diào)制器，并由電光調(diào)制器將電信號轉(zhuǎn)變成光信號，光信號再由激光加載沿光纖傳輸至電磁場三維成像儀，并在顯示器上顯示出電場近場成像，如圖2所示。

圖2 電磁場三維近場成像測試平臺示意圖

2 法向電場探針測試性能分析

為驗證法向電場探針的正確性，選擇模型比較簡單而且能夠準(zhǔn)確計算理論值的微帶線作為校準(zhǔn)器件。微帶線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微帶線的幾何結(jié)構(gòu)

圖1中，W為微帶線導(dǎo)帶的寬度；h為介質(zhì)基板的厚度，a為介質(zhì)板的寬度，εr為介質(zhì)板的相對介電常數(shù)。W位于介質(zhì)板中央形成一個對稱的邊界條件。眾所周知，微帶線內(nèi)傳輸?shù)闹髂Ｊ菧?zhǔn)TEM模［8－9］。通過靜電場理論分析近似得到微帶線上方的理論電場分布，在a?d情況下，邊界條件對稱，通過拉普拉斯方程求解微帶線上電場，得出法向電場［9］如下：

當(dāng)0≤z＜d時，

當(dāng)d≤z＜∞時，

其中

微帶線介質(zhì)板寬度a＝40mm，即x取值（－20mm，20mm）。由（8）～（10）式可得出微帶線上方500μm處的法向電場Ez隨x的函數(shù)曲線。微帶線上方的邊界條件對稱，法向電場Ez也是x＝0的軸對稱函數(shù)。

采用Ansoft公司的HFSS軟件對微帶線建模仿真。在模式驅(qū)動求解條件下，對微帶線進行波端口設(shè)置。微帶線的工作頻率為2.4GHz，特性阻抗為50Ω，微帶線長度為73mm，基板厚度為0.6mm，介電常數(shù)為4.4，微帶線為開路狀態(tài)。

HFSS軟件設(shè)置相位角為定值，則微帶線上方電場呈現(xiàn)駐波情況，如圖4所示。

圖4 微帶線上方500μm面上法向電場圖

從圖4得到電場的最大值在微帶線上方，電場場強的絕對值以λ／2為周期變化。當(dāng)微帶線饋電時，微帶線上方電場是行波傳輸，上方電場全部如最強處電場分布，與理論完全吻合，如圖5所示。

圖5 理論解與仿真值比較

圖5中理論解是通過理論公式計算得出的Ez與x的關(guān)系曲線，仿真值是應(yīng)用HFSS軟件仿真微帶傳輸線得到的，仿真提取圖4中a線上的電場分布，取x（－20mm，20mm）得到法向電場值Ez。圖5顯示法向電場的主峰值和2個次峰上完全重合，驗證了軟件仿真模型的正確性，為進一步應(yīng)用該仿真模型提供了依據(jù)。

在已有的微帶傳輸線模型上加入同軸探針EPz。電磁場三維成像測試臺上應(yīng)用EPz探針對標(biāo)準(zhǔn)件微帶線進行測量，微帶線及測量位置與軟件仿真設(shè)計保持一致。探針的探頭距離微帶線導(dǎo)帶上方500μm，探針EPz沿圖4中所示的a線步進掃描，步進參數(shù)設(shè)置為0.1mm。在軟件模型中，在探針EPz輸出端口得到該探針對微帶線表面場仿真測量值，輸出數(shù)據(jù)即為探針仿真值，如圖6所示。

圖6 EPz探針掃描微帶線

圖6中電場理論解是經(jīng)理論公式得到的，用軟件模擬三維移動平臺上的探針掃描微帶線，將同軸探針EPz與微帶線一并建模，得到探針仿真值Ez。探針仿真值Ez出現(xiàn)了明顯的主峰和2個次峰，與微帶線上方的理論值極其相似。但仿真值的主峰明顯變寬，次峰也向遠離微帶線兩側(cè)移動。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因如下：一方面是由于近電場的雜散耦合造成的［10－11］，另一方面是由于探針置于微帶線導(dǎo)帶上方，探針對電場有一定的影響，探針測量的場是微帶線和探針共同形成的。同時考慮到感應(yīng)場電場衰減很快，探針頭長度為h＝50μm，實際測量的電場強度應(yīng)該是探針頭長度內(nèi)所有法向電場的積分值，所以主峰要比理論值寬，次峰向外移動1.526mm。探針實驗測量值與軟件仿真值幾乎重合，但在10～20mm之間實際測量值遠大于仿真值及理論值，這受到環(huán)境中電磁波及儀器影響所致。

由圖6可見，主要3峰吻合得較好，這樣就可以為探針性能進行標(biāo)定。主峰點及最低值是衡量探針分辨率的2個主要標(biāo)志，仿真及實驗數(shù)據(jù)顯示主峰點相同，最低值與理論值相差1.526mm，所以探針在對工作頻率為2.4GHz的高頻電路板進行成像時，最小分辨率為1.526mm。毫米級的分辨率大大提高了儀器的精度，能夠為工程實踐中EMI檢測提供幫助。

3 結(jié)束語

近電場法向場探針主要應(yīng)用于電路EMI檢測及電場近場成像。文中設(shè)計了一種近電場法向電場探針，基于電場耦合分析，闡述了探針的工作原理；應(yīng)用HFSS商業(yè)軟件對探針在微帶線上方步進掃描探測進行仿真，仿真得到的數(shù)據(jù)與電磁場三維成像平臺測量數(shù)據(jù)及微帶線近場理論數(shù)據(jù)進行比較和分析，結(jié)果顯示法向場探針EPz具有良好的工作性能及高分辨率；對出現(xiàn)的誤差進行了分析，得到一組完備的數(shù)據(jù)標(biāo)定。本文設(shè)計的這種探針加工簡單、成本低，具有工程實用性。

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