一种宽频带近场磁场探头的谐振抑制结构及其构建方法

文档序号:9930611阅读:623来源:国知局
一种宽频带近场磁场探头的谐振抑制结构及其构建方法
【专利说明】一种宽频带近场磁场探头的谐振抑制结构及其构建方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种宽频带近场磁场探头的谐振抑制结构及其构建方法,属于电磁泄 漏和电磁场近场测试技术领域。 【【背景技术】】
[0002] 背面金属支撑共面波导(Conductor-backed coplanar waveguide,CB_CPW)可以 容易实现与其他微波器件的连接,实现微波电路的微型化,提高电路的集成密度,同时CB-CPW的色散比较小,可以适用于宽频带的微波电路。基于上述特点,使得CB-CPW得到了广泛 应用。通常设计的CB-CPW会激励起有害的平行板(parallel-plate mode)模式,引起CB-CPW 谐振。
[0003 ]当磁场探头的结构中包含CB-CPW的时候,CB-CPW的谐振是磁场探头谐振的一个重 要因素。同时,解决磁场探头谐振是实现磁场探头宽频带性能的重要部分,故本发明设计一 种简便可行的方法来抑制磁场测试探头高频段的谐振。 【
【发明内容】

[0004] 1.发明目的:
[0005] 近场扫描是解决电磁干扰和电磁兼容问题的一种重要手段。探头是近场扫描中的 关键部件。电磁场频谱的带宽很宽,需要测试中的磁场探头满足宽频带测试的要求,解决磁 场探头在测试频带内谐振的问题是实现宽频带测试要求的重要部分。磁场探头采用CB-CPW 作为馈电方式,CB-CPW中心导体在高频段时会将能量耦合到顶层屏蔽平面,且整个近场磁 场测试探头顶层和底层都是金属层,近场磁场测试探头可以作为一个金属谐振腔,使得近 场磁场测试探头在高频段存在谐振。从解决CB-CPW谐振的角度出发,本发明公开了一种宽 频带的微型近场磁场测试探头的谐振抑制结构及其设计方法,从而解决磁场探头高频段的 谐振问题,提高磁场探头的性能,延展磁场探头的工作频带。
[0006] 2.技术方案:
[0007]为了完成发明目的,本发明的方案采用将磁场探头工作频带内的谐振转移至工作 带外的方法,从解决CB-CPW谐振的角度出发,分析CB-CPW的谐振理论基础,提出关于该场磁 场测试探头谐振抑制结构,公开该结构的构建设计方法。
[0008] 本发明一种宽频带近场磁场探头的谐振抑制结构,该谐振抑制结构是以宽频带近 场磁场探头为基础,该磁场探头的结构为:
[0009] 它至少包括微型同轴连接器以及磁场探头本体;
[0010] 所述的微型同轴连接器为SMA接头,SMA接头型号为美国西南微波公司研制的超级 SMA(Super SMA)连接器,具体型号为292-04A-6;
[0011] 所述的磁场探头本体的设计和制作是基于印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)工艺的四层电路板;所述的磁场探头本体包括顶层屏蔽平面、底层屏蔽平面、中间1层、 中间2层的带状线、信号过孔、短路孔、信号过孔周围的同轴过孔阵列、CB-CPW中心导体以及 CB-CPW中心导体两侧的栅栏式过孔阵列;
[0012] 所述的磁场探头本体,呈凸字型结构,突出的一端为顶端,另一端为底端;顶端主 要用于磁场信号检测,底端主要用于手持和SMA接头的安装,凸字型结构可以在方便固定、 安装SMA接头的前提下减小探头本体的尺寸;
[0013] 所述的顶层平面在顶端开"凸"字型的缝隙,底端开长方形缝隙;"凸"字型缝隙防 止顶层屏蔽平面对磁场信号的屏蔽,长方形缝隙防止所述的CB-CPW中心导体在顶层布线时 与顶层屏蔽平面连接;
[0014] 所述的底层屏蔽平面顶端开有与顶层平面顶端相同尺寸的"凸"字型的缝隙,防止 底层屏蔽平面对磁场信号的屏蔽,磁场探头底端不作任何开缝;
[0015] "凸"字型缝隙的大小决定了探头的灵敏度和空间分辨率;
[0016] 所述的中间2层的带状线呈"L"型,一端通过所述的短路过孔与顶层屏蔽平面和底 层屏蔽平面在"凸"字型缝隙处连接,所述的带状线与顶层"凸"字型缝隙和底层"凸"字型缝 隙构成内部环,以接收外界的磁场信号;内部环被所述的顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面包 裹,可以有效抑制电场信号的耦合,减少内部环接收的电场信号,提高探头对磁场信号的灵 敏度;
[0017] 所述的CB-CPW中心导体位于顶层屏蔽平面开的长方形缝隙内,所述的顶层屏蔽平 面作为CB-CPW的地平面,所述的中间1层作为CB-CPW的金属背面;所述的CB-CPW中心导体作 为馈电线,一端与SMA接头连接,另一端通过信号过孔与带状线的另一端连接;所述的CB-CPW中心导体两侧对称分布的接地过孔连接顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面,构成栅栏式过 孔阵列,抑制磁场探头的谐振;
[0018] 所述的信号过孔周围的接地过孔连接顶层屏蔽平面和底层屏蔽平面,每一个接地 过孔到信号过孔的距离相等为0.9~1.3mm,构成同轴过孔阵列,实现探头宽频带的阻抗匹 配;
[0019] 所述的CB-CPW中心导体的长度5~8mm;所述的信号过孔直径为0 ? 2mm~0 ? 3mm,信 号过孔到所述的磁场探头两侧边缘的水平距离相等。
[0020] 所述的接地过孔直径为0.2mm~0.3mm;
[0021] 所述的短路孔直径为0.2mm~0.3mm;
[0022] 所述的宽频带是300kHz~20GHz。
[0023] 所述的微型是探头的尺寸为0 50mm X 10mm~C> 90mm X 20mm。
[0024]为更好的理解本发明的设计思想,现将该CB-CPW谐振理论基础详述如下:
[0025]由微波和电磁场理论可知,当CB-CPW的工作频率和它的物理尺寸相比拟时,CB-CPW的两块地平面可以被视为两片天线,CB-CPW的中心导体可以看作每一片天线的馈电线, 能量通过中心导体耦合到每一片天线上面。CB-CPW不仅存在主模传输,还会有平行板模式。 CB-CPW的金属背面造成的能量泄漏甚至会在低频情况下给平行板模式传输能量,激励起平 行板模式。
[0026] CB-CPW的地平面和金属背面构成谐振腔结构,谐振频率可由下式计算:
[0028] 式中,w,l分别为CB-CPW每一块地平面的宽度和长度;c表示光速,er为介质的相对 介电常数,m和n为谐振模式的模数(m,n不能同时为0)。
[0029] 下面将本发明一种宽频带近场磁场探头的谐振抑制结构,详述如下:
[0030] 宽频带近场磁场探头的谐振抑制结构是在CB-CPW中心导体两侧对称放置两排接 地过孔,每一排的接地过孔等间距分布,每一个接地过孔连接磁场探头的顶层屏蔽平面、磁 场探头中间1层和磁场探头底层屏蔽平面;每一个接地过孔都不能位于磁场探头底端长方 形缝隙;所有接地过孔将CB-CPW中心导体围在中间,在CB-CPW中心导体两侧形成"栅栏",这 些接地过孔构成栅栏式过孔阵列;栅栏式过孔阵列可以为信号提供返回路径;接地过孔抑 制了 CB-CPW给平行板模式的能量传输,从而避免了 CB-CPW在工作频带激励起的平行板模 式,从而可以将谐振频点移至工作频带外,提高了工作频带。
[0031] 本发明一种宽频带近场磁场探头的谐振抑制结构的构建方法,包含以下几个步 骤:
[0032]步骤一:在CST微波工作室中构建磁场探头与50 Q微带线构成的仿真模型,如图10 所示,微带线基板的尺寸为80mmX50mmX 1.6mm,基板材料为Rogers4350B,微带线的特性阻 抗为50 Q ;
[0033]步骤二:CST微波工作室仿真设置,包括仿真背景设置、仿真算法设置、仿真频率设 置、边界条件设置。
[0034]步骤三:在磁场探头底端CB-CPW中心导体两侧放置接地过孔,接地过孔采用机械 钻孔最小的加工半径〇.125mm,根据磁场探头的具体尺寸首先在每一排放置7个接地过孔; [0035]步骤四:构建的微带线一端接50 n匹配负载,另一端定义为portl,磁场探头接SMA 的一端定义为P〇rt2,仿真S21(微带线portl到磁场探头SMA接头的传输系数)参数;每仿真 一次,观察S21;如果S21在仿真频带内存在谐振,调整CB-CPW中心导体两侧接地过孔的个 数、每排接地过孔的间距,直至磁场探头的S21参数谐振达到接受水平。
[0036] 本发明的有益效果是:本发明提出的磁场探头栅栏式过孔阵列谐振抑制结构,在 不改变CB-CPW物理尺寸(中心导体长度宽度,地平面和金属背面长度宽度)的前提下,仅在 CB-CPW中心导体两侧对称放置接地过孔,有效地实现了CB-CPW平行板模式的抑制,减少工 作频带内的谐振,从而延展了磁场探头的工作频带。
[0037] 该结构简单,在设计磁场探头时加入接地过孔即可,既不增加探头结构的复杂性, 也不增加繁琐
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