一种基于差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁场探头

一种基于差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁场探头
【技术领域】
1.本发明涉及一种基于差分双环和集成巴伦结构具有高共模抑制比的磁场探 头，用于工作在宽带的微波射频电路表面切向微弱磁场的提取，射频干扰路径 的追踪，属于电磁泄露和电磁场近场测试领域。


背景技术：

2.现在射频系统正朝着紧凑化和高集成度发展，性能也逐渐趋于完善，布线 密度也比以往的电子电路要很高多。来自射频系统的辐射会耦合到敏感电路元 件(部件)、天线、射频系统中的接收机中，使得射频干扰故障的诊断对于射频 工作者来说，已经成为日趋严重的挑战。要想进一步提高射频系统的可靠性和 稳定性，首先需要准确定位和跟踪射频干扰源。近场测试探头，作为近场测试 的关键传感器，已在电磁干扰和电磁兼容测试中得到了广泛应用。近些年，一 些专利和论文围绕如何延展近场测试探头的工作带宽，提高近场测试探头的空 间分辨率以及提升近场测试探头的灵敏度介绍了一些专家学者的工作。对于近 场磁场辐射微弱信号测试，通过增大近场磁场探头环的面积可以有效提高磁场 探头的灵敏度。近场磁场探头环的面积增大，会增强磁场探头对共模电场的耦 合，进而减弱了近场磁场探头对共模电场的抑制能力。本发明提出了一种差分 双环集成巴伦结构用于近场磁场探头的设计，差分双环配合巴伦的应用可以有 效提高磁场探头的共模抑制比。


技术实现要素：

3.本发明研制了一种基于差分双环和集成巴伦结构具有高共模抑制比的无源 差分磁场探头。由于巴伦的转换功能，在近场测试中并不需要使用具有特殊功 能的矢量网络分析仪作为接收器，普通的频谱仪就能满足近场扫描测试。差分 双环感应外部磁场产生差模电压，集成巴伦把差模电压转换为共模的单端输出 电压并传送给频谱仪。
4.为了满足上述目的，本发明的方案如下：
5.一种基于差分双环和集成巴伦结构具有高共模抑制比的无源差分磁场探头， 它至少由差分双环、集总电阻、集成巴伦及连接器组成(如图1所示)。其中， 集总电阻位于顶层，差分双环分别位于中间1层和中间2层，连接器为美国西 南微波公司研制的超级sma(super sma)连接器，具体型号为292-04a-6。
6.该磁场探头的设计和加工是基于四层印刷电路板结构；所述的四层印刷电 路板结构从上至下依次是顶层，中间1层，中间2层和底层(如图2和图3所 示)。
7.所述的差分双环是由环1和环2组成的，环1和环2构成中心对称的镜像 环(如图4所示)。根据法拉第电磁感应定律可知，环1产生的感应电流将沿着 环的方向流向接地过孔，环2产生的感应电流将从接地过孔流出后沿着环的方 向流动。由于环1和环2的结构、物理尺寸完全相同，因此在环1和环2端口 处将会产生幅值大小相等、相位差180度的差模电压。所述的环1位于中间2 层，环2位于中间1层(如图3所示)。环1通过过孔与底层地相连，环2通过 过孔与顶层地相连。环1的信号端通过1个集总电阻与集成巴伦平衡端口3相 连，环2
的信号端通过1个集总电阻与集成巴伦平衡端口2相连。差分双环感 应外部变化的磁场产生差模电压，集成巴伦的作用是将差模电压转化为单端输 出的共模电压。2个集总电阻均为50ω，其作用是为了改善探头频率响应的平 坦性。
8.所述的集成巴伦被设计在印刷电路板顶层，集成巴伦由功分器(2-1)和180 度相移器(2-2)组成，功分器由2段四分之一波长传输线(2-3)构成，180度相移 器由2段开路传输线(2-5)、2段短路传输线(2-6)、1段主传输线(2-7)和1段参考 传输线构成(2-4)(如图5所示)。
9.所述的集成巴伦实现的有益效果是，将差分双环输出的差模电压转换为共 模电压，并将差分双环的差分阻抗转换为与仪器的输入阻抗相匹配的阻抗。
10.本发明的优点及有益效果是：一种差分双环和巴伦结构集成的具有高共模 抑制比的磁场探头，该探头不需要使用矢量网络分析仪作为测量接收器，普通 频谱分析仪就可以满足测量要求。采用差分双环的优点是它可以提供巴伦稳定 的差模信号，并且比单回路设计能够感应更多的磁通量。采用集成巴伦的优点 是可以将平衡差分端转换为单端，即将双输出端口转换为单输出端口，单输出 端口连接到频谱分析仪的测量端口，这使得测试更容易。本发明采用的设计工 艺是成熟的印刷电路板工艺，对于批量生产需求，具有可移植性、可复制性、 低成本、开发周期短等优点。
11.本发明所提供的一种差分双环和巴伦结构集成的具有高共模抑制比的磁场 探头，为工作在宽频带内的电路表面切向磁场分量提取提供了有效的测试器件。 具有高的灵敏度，可以有效提取到弱辐射环境中的切向磁场分量，为基于偶极 子建模的实验验证提供了测试手段，为研究磁场探头环的“偶极子效应”提供 了辅助验证手段。具有高的共模抑制比，可以减少电场分量对磁场分量测试结 果的影响。该探头设计思想也为研制其它高性能的近场磁场测试探头提供了设 计方法论思想和研制方法。
【附图说明】
12.图1为差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁场探头俯视图。
13.图2为差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁场探头的印刷电路板叠层结构图。
14.图3为差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁场探头的各层平面展开图。
15.图4为差分双环结构原理图。
16.图5为集成巴伦结构图。
17.图6为差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁场探头测试的|s12|曲线。
18.附图标号说明：
19.1-1：sma接头，1-2：集成巴伦，1-3：集总电阻，1-4：差分双环，
20.2-1：功分器，2-2:180度相移器，2-3：四分之一波长传输线，
21.2-4：参考传输线，2-5：开路传输线，2-6短路传输线，2-7：主传输线，
22.2-8：接地过孔。
【具体实施方式】
23.结合附图，进一步阐明一种基于差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁场 探头各组成部分的具体结构、各组成部分的功能以及各组成部分结构的位置关 系。
24.图1展示了本发明涉及的一种基于差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁 场探头的整体结构俯视图。从上至下，sma接头1-1，集成巴伦1-2，集总电阻 1-3与差分双环1-4依次连接。sma接头1-1与带有金属背板的共面波导中心金 属导体通过压合的方式连接。
25.图2展示了本发明涉及的一种基于差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁 场探头的印刷电路板的叠层结构图。采用四层印刷电路是为了满足叠层结构的 对称性。实现加工工艺基于高性能、低损耗的罗杰斯材料4350b和4450f，原 因是由于罗杰斯材料能适用于射频的频段。0.2mm厚度的覆铜罗杰斯4450f板 材作为四层印刷电路板的叠层结构中的半固化片，位于中间1层的上下两端， 借助半固化片可以通过高温压合把各层线路薄板黏合成一个整体。三块 0.254mm的非覆铜罗杰斯4350b板材分别位于叠层结构中的顶层、中间1层和 中间2层。图2中所展示的本发明涉及的一种基于差分双环和集成巴伦结构的 无源差分磁场探头的印刷电路板的叠层结构，相比于传统四层印刷电路板的叠 层结构，增加了两层半固化片，是一个“假六层的叠层结构”，对于罗杰斯板材 而言，具有更优的机械性能。顶层和底层的铜的厚度为0.05mm，中间1层和中 间2层的铜的厚度为0.017mm。
26.图3依次展示了本发明涉及的一种基于差分双环和集成巴伦结构的无源差 分磁场探头顶层展开平面图、中间1层展开平面图、中间2层展开平面图和底 层展开平面图(图3依次从左到右)。
27.本实施例子中，矩形差分环内径宽度hw1为4.56mm，内径高度hl1为4.68mm， 外径宽度hw2为12mm，环臂长hl2为8.85mm，环臂折线宽度hw4为2.32mm，环 间隙hg为0.6mm，探头宽度hw3为24mm，探头长度hl3为77.81mm。
28.图5展示了集成巴伦的平面结构图。端口1为集成巴伦的不平衡端口，端 口2和端口3为集成巴伦的平衡端口，端口1、端口2、端口3的阻抗均为50ω。 集成巴伦的中心频率设计为2ghz，集成巴伦相应的物理尺寸为：功分器的宽度 w1为16.67mm，功分器的长度l1为8.60mm，开环宽度w2为8.67mm，180度移相 器的长度l2为50.52mm，180度移相器的宽度w3为15.20mm，连接移相器和功分 器的传输线长度l3为3.00mm，两段四分之一波长传输线的间隙g为1.60mm， 开环长度l4为8.50mm。
29.对本发明所设计的一种基于差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁场探头 的频率响应特性进行了测试，所测试得到的s
12
幅度如图6所示。由测试结果可 知，θ＝0
°
时探头的响应远大于θ＝90
°
时的响应，原因在于差分双环的设计及集 成巴伦的使用有效地抑制了探头对共模电场的耦合。从s
12
的幅度角度看，对本 发明所设计的一种基于差分双环和集成巴伦结构的无源差分磁场探头在特定的 宽带范围内有很高的灵敏度。
30.需要指出的是，本发明公开的技术手段、设计方法不仅限于本发明，同时 也适用于结合本发明设计思想、发明方法、技术手段以及本发明所述的技术特 征所衍生出的其它方案、发明方法、发明产品，因此这些所衍生出的其它方案、 发明方法、发明产品都应视为本发明保护的范围。