一种基于传输线的近场探头空间分辨率驻波校准方法与流程

本发明涉及一种基于传输线的近场探头空间分辨率的驻波校准方法，属于天线计量领域。
背景技术：
：在板级电磁干扰(EMI:ElectromagneticInterference)问题分析、整改过程中，常会应用近场探头来对印刷电路板(PCB：PrintedCircuitBoard)上的辐射源进行定位。而空间分辨率作为近场探头的一个重要技术参数对于定位的准确性有着十分重要的影响。当前，可查阅到的近场探头空间分辨率的校准方法是对一条微带线进行激励，然后，在与微带线纵向延伸的方向相垂直的方向(即横向)从左至右移动近场探头，然后通过近场EMI测试系统中的接收机或频谱仪测量得到一条场分布曲线，并结合该曲线给出近场探头的空间分辨率。但是这种方法比较容易引入大的校准测量误差，以磁场探头为例，在探头移动的路径上场量的分布并不是处处与近场探头的感应线圈平面正交，且在探头移动路径上场分布本身也具有较高的复杂度，在探头移动过程中的每一点处，场量与探头的场-路耦合特性难以保证一致。申请人在之前还提出过“一种基于传输线的近场探头空间分辨率的行波校准方法”，这种方法也是具有一定局限性的，即当被校准的近场探头工作频率较低时，相应的校准标尺的激励信号频率也需要比较低，这就造成了在有限的校准标尺长度范围内，场量相对于空间位移的变化较小，不方便进行近场探头空间分辨率的校准。基于上述原因，作为对“一种基于传输线的近场探头空间分辨率的行波校准方法”的补充，本发明提出了一种基于传输线的近场探头空间分辨率驻波校准方法。技术实现要素：本发明的目的是：克服当前对近场探头空间分辨率的校准方法上存在的“场量空间分布特征复杂”、“校准路径的选择具有随机性，且在校准路径上场-路的耦合特性不一致”以及“应用频率受限”等不足，本发明克服了上述缺陷，结合近场EMI测试系统中的接收机或频谱仪给定的幅度精度，基于传输线理论，以多导体平面传输线为构建平台，提出了一个场分布特征可解析同时可对工作频率较低的近场探头的空间分辨率实现校准的方法。本发明技术解决方案：一种基于传输线的近场探头空间分辨率的驻波校准方法，包括以下步骤：步骤1：结合多导体均匀传输线在纯驻波工作状态下，传输线上的电压波/电流波和传输线周围所激发出的横电磁波(TEM波：TransverseElectricandMagneticField)之间的关联关系，构建出用于校准近场探头空间分辨率、同时相应电磁场分布具有可解析特征的校准标尺；步骤2：以步骤1中构建出来的校准标尺为基础，当校准标尺工作在纯驻波状态时，结合3维全波电磁场仿真以及已有的经验公式在校准标尺上划定线性拟合区间的区域分布；步骤3：从校准标尺上划定的实际线性拟合区间中选择一个区间长度大于待校准探头空间分辨率的预估计值且在测量基准线上场量模值或有效值的空间变化率不为零的子区间来作为近场探头空间分辨率的校准区间。进而，在校准区间内完成近场探头空间分辨率的校准。所述步骤1具体实现如下：选定用于构建校准标尺的多导体平面传输线的具体形式(比如：微带线、共面波导等)，对传输线的终端进行开路或短路设置，使其工作在纯驻波状态。无论是终端开路还是终端短路，传输线上的电压波或电流波的模值沿传输线的纵向延伸方向都具有“正弦函数”型的分布形式。结合传输线理论以及电磁波传播理论可以明确：传输线上的电压波或电流波的空间分布特征与传输线周围由此激发的电磁波的空间分布特征是相关联的，即当传输线处于纯驻波工作状态时，传输线周围所激发的电磁波的场量模值或有效值也是按照相同的“正弦函数”型分布的。结合三维全波电磁场仿真以及已有的经验公式，可以对校准标尺测量基准线上的具有“正弦函数”型的空间分布特性做进一步的具体化描述。同时，在此仿真分析过程中，可动态调整校准标尺的空间几何参数来获取预期的场量分布。综合这种场量分布特征可解析的特点，当获得预期的场量分布后，记录下校准标尺的空间几何参数用于作为校准标尺加工制作的设计输入参数。在不失一般性的前提下，后续将以共面波导为典型实例，对校准测量过程做详细说明。所述步骤2具体实现如下：结合测量基准线上电磁波的场量的模值或有效值遵从“正弦函数”型的空间分布特点，对函数进行多区间，高精度(精度误差不超过1％)的线性化拟合。结合实际的测量需要，在三维全波电磁场仿真结果的基础上以及已有的经验公式计算分析的结果基础上，经过反归一化处理，在校准标尺上划定反归一化处理前各个拟合区间在校准标尺上对应的实际测量区间。所述步骤3具体实现如下：(1)经步骤2中的反归一化处理后，从划定的实际线性拟合区间中选择一个区间长度大于待校准探头空间分辨率预估计值且在测量基准线上场量的模值或有效值空间变化率不为零的子区间来作为近场探头空间分辨率的校准区间。(2)在位于校准区间内的测量基准线上匀速移动近场探头。其中测量基准线位于校准标尺所形成的TEM波场的磁壁或电壁平面上，并且测量基准线的延伸方向与校准标尺的纵向延伸方向是一致的，以增强场路之间的耦合性，提高测量精度。在探头的移动过程中，标记相应测量系统中接收机或频谱仪的示数变化量。造成示数最小变化量所对应的探头移动距离即为通过测量所得的该近场探头的空间分辨率。近场探头分为电场探头和磁场探头，但由于磁场相对于空间位置的变化更为敏感，在近场EMI测试系统中，更多地会应用磁场探头。所以，在不失一般性的前提下，后续将以磁场探头为典型实例，对校准测量过程做详细说明。(3)为了消除场量的模值或有效值在不同的空间变化率条件下对近场探头空间分辨率的校准所带来的误差，引入了校准结果的修正系数m。将修正系数与测量得到的探头空间分辨率相乘即得到最终校准后的近场探头的空间分辨率。在本发明中，近场探头空间分辨率的表征方式为“空间分辨率@幅度精度覆盖范围(置信度为xx％)”。以是德科技的PXIN9030A信号分析仪为例，该信号分析仪在10Hz～3.6GHz范围内的幅度精度为±0.19dB，测量结果的置信度为95％，因此，如果在近场EMI测试系统使用此信号分析仪，按照前面所给出的近场探头空间分辨率的表征方式，对于某一近场探头，测得的空间分辨率可表示为：2mm@0.38dB(置信度为95％)。本发明与现有技术相比的优点在于：(1)校准标尺的构建方法具有很好的通用性，并不局限于某一类特定的传输线，可以将该方法应用到不同的多导体均匀传输线上来构建校准标尺，比如：微带线、常规的共面波导，带有接地背板的共面波导等。对于能够传输TEM波且便于进行场分布测量的多导体均匀传输线都可以作为校准标尺的基本构建平台。(2)由校准标尺产生的用于校准近场探头空间分辨率的电磁波场具有很好的解析性。当校准标尺工作在纯驻波状态，在测量基准线上的电磁波场的模值或有效值沿测量基准线呈“正弦函数”型的空间分布特征，且其具体变化细节可结合三维全波电磁场仿真软件仿真以及已有的经验公式经分析计算后得到。(3)由于选择特定的场分布平面(如磁壁、电壁)进行近场探头空间分辨率的校准，最大程度的增强了场-路间的耦合。这样可以排除校准路径选择的随机性，还可以保证在整个校准路径上场-路耦合特性的均匀一致性，排除由于场-路耦合关系的不一致性而造成的校准误差。另外，本发明所给出的这种校准方法，在校准过程中，使探头的感应线圈在磁壁或电壁平面上匀速移动且线圈平面与电壁或磁壁平面重合，这样可以使得在探头校准路径上的各点处保证场量是与探头的感应线圈平面是正交的，从而尽可能地提高场-路间的耦合度，提高校准精度。附图说明图1为本发明的校准方法流程示意图；图2共面波导中典型的TEM波场分布示意图；图3均匀传输线电路结构示意图；图4近场探头校准方法示意图；图5近场探头在测量基准线上匀速移动过程示意图；图6空间分辨率校准测量结果修正过程示意图。具体实施方式对于共面波导，其典型的TEM波场空间分布形式如图2所示。以磁场探头为典型实例，用于探头空间分辨率校准的测量基准线位于共面波导的磁壁平面上，测量基准线的纵向延伸方向与校准标尺的纵向延伸方向一致，如图4所示。这里需要特别说明的是，为简化图示复杂度，图4中并未画出校准过程中所需的用于给校准标尺提供激励的激励源以及用于测量探头感应电压变化的接收机或频谱仪。调整激励源的信号频率，使其与探头的工作频带相适应。此外，校准标尺终端开路或短路，处于纯驻波工作状态。在此条件下，结合场量的模值或有效值在测量基准线上所呈现出的“正弦函数”型空间分布特征，通过归一化的线性拟合函数，结合三维全波电磁场仿真和已有的经验公式经反归一化在校准标尺上划定各个归一化的线性拟合区间在校准标尺上所对应的实际测量区间，如图4所示。通过权衡在各个线性拟合区间内场量的空间变化率以及区间长度，选取合适的线性拟合区间作为探头空间分辨率的校准区间。在测量基准线所对应的校准区间区段内探头沿着测量基准线匀速移动，这个过程中，使探头的感应线圈平面始终与磁壁平面重合，移动过程的示意图如图5所示。在移动过程中记录，使接收机或频谱仪的感应示数出现最小变化量时探头的移动距离，该距离即为此近场探头的测量所得的空间分辨率。为了消除场量的模值或有效值在不同的空间变化率条件下对近场探头空间分辨率的校准所带来的误差，结合图6所示的修正原理引入了针对校准结果的修正系数m，用修正系数与测量所得的控件分辨率相乘即为最终校准所得的空间分辨率。在本发明中用空间分辨率的最终表示形式为“空间分辨率@幅度精度覆盖范围(置信度为xx％)”。如图1所示，本发明具体的实施方式如下：步骤一：近场探头空间分辨率校准标尺的设计：(1)多导体均匀传输线在TEM传输模式下形成的TEM波场：当电磁波在由多导体平面传输线所构成的边界条件下进行传播时，等效于在弱导电媒质中传播，随着传输距离的增大，电磁波中的场强幅度会发生衰减，但是对于频率较低的信号，在有限的传输距离内这种衰减可以忽略不计。基于弱导电媒质中电磁波的传播理论并结合三维全波电磁场仿真结果以及已有的经验公式，经过一定的修正即可得到相应的用于描述电磁波传输形式的方程以及电磁波传播过程中的指数衰减因子的衰减常数α、波数β以及波阻抗等关键参数的广义解析方程。假定这里的TEM波是沿z轴方向传播的，因而有:其中：表示电场波的复矢量，表示磁场波的复矢量，和分别为x轴和y轴上的单位向量。函数fix(x,y)和fiy(x,y)分别用于描述沿+z方向传播的电场在x轴上和y轴上的分量大小。而函数frx(x,y)和函数fry(x,y)分别用于描述沿-z方向传播的电场在x轴上和y轴上的分量大小。(2)多导体均匀传输线上负载失配下的电压波与电流波：如图3所示，多导体传输线的特征阻抗为Z0，传输线的纵向延伸方向设为z轴正向，传输线上的电压波和电流波分别用V(z)和I(z)进行表示，当传输线处于负载失配状态时，有：其中，表示传输线上沿+z方向传播的电压波的振幅，表示传输线上沿-z方向传播的电压波的振幅，Z0表示该传输线的特性阻抗，γ表示该电压波和电流波的复传播常数，且：γ＝α+jβ上式中α对应的是衰减常数，β对应的是传输常数或波数。(3)传输线上的电压波/电流波和TEM波场的关联关系：相应地，在图3中，沿z轴任取一点P，在P点处(z＝z0平面上)，有：其中ref为零电势参考点，M1、M2、N1、N2分别是与z无关的常数。综合以上推导分析，可以明确，在多导体传输线处于准TEM传输模式时，电压波/电流波和电场波/磁场波在空间变化规律上具有很好的一致性，因此，作为多导体传输线的一种特例，以多导体平面传输线为构建平台构建出的近场探头空间分辨率校准标尺，其场分布特性具有较好的可解析性、可控性。(4)纯驻波状态下，电磁波场量的正弦函数型空间分布特征：当信号的传输距离有限且激励信号的频率不高时，为简化问题的分析，在不失一般性的前提下，可以将无耗传输线作为一个典型模型，以图3为例，当无耗传输线终端开路时，传输线上的电压波形式如下：进一步，有：对于终端短路的传输线，传输线上的电压分布特性与终端开路时的情况十分相似，这里仅以终端开路的情况进行说明，对于终端短路的情况在此不做过多赘述。结合上面的推导可以明确，当传输线处于纯驻波工作状态时，传输线上的电压波/电流波呈现出“正弦函数”型的空间分布特征。相应地，根据前面已经推导分析过的“传输线上的电压波/电流波”和“传输线在传输信号时在传输线周围所激发的电磁波场”是具有一致的空间分布特征的结论，可进一步明确，当传输线处于纯驻波工作状态时，传输线周围所激发的电磁波场也是具有相应的“正弦函数”型空间分布特征的。步骤二：在校准标尺上划定线性拟合区间的区域分布：为了便于进行后续的分析处理，在不失一般性的前提下，对下面的正弦函数进行分区段线性拟合：拟合的区间及相应区间上的线性拟合函数如下表1所示。表1正弦函数的线性拟合区间与拟合函数拟合区间拟合函数(1.5708,1.6608)y＝1(1.6608,1.7608)y＝-0.14·(x-1.7608)+0.9828(1.7608,1.8608)y＝-0.24·(x-1.8608)+0.9589(1.8608,1.9608)y＝-0.33·(x-1.9608)+0.9257(1.9608,2.0608)y＝-0.43·(x-2.0608)+0.8826(2.0608,2.1808)y＝-0.52·(x-2.1808)+0.8203(2.1808,2.3208)y＝-0.62·(x-2.3208)+0.7334(2.3208,2.4708)y＝-0.74·(x-2.4708)+0.6223(2.4708,2.6508)y＝-0.82·(x-2.6508)+0.4745(2.6508,2.9708)y＝-0.95·(x-2.9708)+0.171(2.9708,3.1408)y＝-1·(x-2.9708)+0.17如表1所示，各区间段的拟合精度误差不超过1％，对于具有正弦函数型空间分布特征的场量，结合三维全波电磁场仿真以及已有的经验公式经反归一化(包括平移变换、比例变换等处理措施)处理后，针对当前的信号源激励频率，当校准标尺处于纯驻波工作状态时，在实际的校准标尺上划定表1中所示的各个拟合区间所对应的实际范围，如图4所示，图中经反归一化处理后划定了线性拟合区间1、线性拟合区间2，…，线性拟合区间n。以便为后续探头空间分辨率的校准做好准备。步骤三：(1)从线性拟合区间中选取空间分辨率的校准区间：经步骤2中的反归一化处理后，从划定的实际线性拟合区间中选择一个区间长度大于待校准探头空间分辨率预估计值且在测量基准线上场量的模值或有效值空间变化率不为零的子区间来作为近场探头空间分辨率的校准区间。(2)测量近场探头的空间分辨率：在测量基准线上与所选取的校准区间相对应的范围内匀速移动近场探头。其中测量基准线位于校准标尺所形成的TEM波场的磁壁或电壁平面上，并且测量基准线的延伸方向与校准标尺的纵向延伸方向是一致的，以增强场路之间的耦合性，提高测量精度。在探头的移动过程中，标记相应测量系统中接收机或频谱仪的示数变化量。造成示数最小变化量所对应的探头移动距离即为通过测量所得的该近场探头的空间分辨率。具体展开描述如下：如图4所示，假定共面波导的终端开路。在共面波导的输入端施加有一个单音激励f0，此频率的选择要以相应的近场探头实际工作频带为参考依据。在该频率下，共面波导处于TEM模的传输模式(主模)，还未出现(显著的)高次模。在共面波导信号线的中线上方高度为h处划定一条与信号线中线相平行的直线，该直线位于磁壁面上，此条直线被定义为“测量基准线”。同时使近场探头的感应线圈处于磁壁面上，并在测量基准线上对应选择的校准区间范围内匀速移动探头。在不失一般性的前提下，结合图5对探头的空间分辨率的测量进行如下推导说明。假定磁场探头的感应线圈为矩形，探头沿z轴方向的边长为L。另外，接收机/频谱仪对场量进行测量时，提取到的是场量的模值/有效值。在探头校准时，由于被测对象是正弦时变场，结合接收机/频谱仪的测量特性以及在校准区间内，经线性拟合处理后，场量的模值或有效值随空间位移的变化遵从y＝kz+b的空间分布规律，由法拉第电磁感应定律有：其中k为线性化拟合后场量的空间变化率。(3)对测量所得的探头空间分辨率进行必要的修正：εind1表示在图5中，感应线圈的左边沿从z1到z2的移动过程中，感应线圈上所产生的感应电动势，εind2表示在图5中，感应线圈的左边沿从z2到z3的移动过程中，感应线圈上所产生的感应电动势。分别代表图5中区域1到区域4中的磁通密度矢量的有效值。S1～S4分别代表图5中区域1至区域4的面积。t1～t3分别代表线圈移动过程中的连续3个时刻点。同时，注意到：S1＝S2＝S3＝S4因此，有：进一步，有：△εind＝-20lg(1-|k|·△z)dB其中，Δz表示在两个相邻的时刻点上，线圈位移的变化量，如图5所示；Δεind表示在两个相邻的时刻点上，探头感应线圈上的感应电动势的变化量。由此，进一步说明空间分辨率并不是一个绝对的量，它的大小是与场量的空间变化率k以及近场EMI测试系统中的接收机或频谱仪的幅度精度有关系的。经过实际测量，可以得到相应探头空间分辨率的初步测量结果：xxdB/△z(4)对测量所得的探头空间分辨率进行必要的修正：为了消除场量的模值或有效值在不同的空间变化率条件下对近场探头空间分辨率的校准所带来的误差，引入了校准结果的修正系数m。将修正系数与测量得到的探头空间分辨率相乘即得到最终校准后的近场探头的空间分辨率。为了说明校准系数m的求解过程，图6中给出了经线性拟合后具有3种不同的场量空间变化率的曲线，它们对应的场量空间变化率分别为：-(1/x1)、-(1/x2)、-(1/x3)，结合图6，场量的空间变化率k即可表示为：其中，表示场量值经归一化处理后的变化力量，△l表示使场量值经归一化后的变化量为时，对应的探头沿测量基准线移动的距离。具有不同的场量空间变化率的3条曲线分布示例所对应的校准系数分别为m1m2、m3。那么，经线性拟合后，对于具有某一特定场量空间变化率的分布曲线i,它所对应的修正系数mi的计算公式如下：那么经修正后的探头空间分辨率为：m·(xxdB/△z)。当前第1页1 2 3