針對于EMC近場測量中主動微光子感應技術近場探頭與傳統(tǒng)近場探頭的技術分析

針對于EMC近場測量中主動微光子感應技術近場探頭與傳統(tǒng)近場探頭的技術分析摘要近場測量探棒是在電磁兼容性（EMC）和信號完整性分析（SI）常用的設計工具，在應用方面，我們使用數值模擬和實驗分析比對了傳統(tǒng)金屬近場探棒跟新型的微光子主動近場探棒。數據顯示傳統(tǒng)探頭在近場區(qū)域很容易與待測物產生嚴重的影響，而微光子探棒則相對于RF電磁場幾乎是透明的。故而，使用傳統(tǒng)EMC探頭很容易導致錯誤的EMC近場測試結果并使得成本增加且耗時的重復設計。簡述傳統(tǒng)手持式EMI近場探頭這幾十年來一直都是EMC工程師用來調試的工具。此探頭最初是為在相對低的頻率下使用而開發(fā)的，而今天已經被用于分析整個射頻（RF）領域。雖然許多研究已開始致力于使用優(yōu)化的EMC探頭用以在整個微波譜內擁有微米級的分辨率。然而，基本原理在幾十年內不變，意味著當探頭非?？拷粶y設備（DUT）時勢必會引起的EM邊界響應。本文，我們評估并比較了傳統(tǒng)的金屬探頭與SPEAG開發(fā)的微光子TDS-SNI探頭針對于待測物產生的互擾影響的比對分析。問題描述EMC近場探頭在使用中經常很靠近DUT。因此探頭應接近于DUT的原始環(huán)境，防止局部電磁場分布的失真。在靠近待測物時，由于傳統(tǒng)的探頭是由大塊的導體構成，因此會引入很強EM邊界條件。如圖1和圖2所示，是從SPEAG開發(fā)的SEMCAD電磁仿真軟件進行的數值仿真中所提取出來的回波損耗（S11)，包括無探棒、傳統(tǒng)探棒與電磁隔離探棒所產生的結果。圖二清楚的說明有3dB的偏移是因為傳統(tǒng)探頭靠近并強烈影響待測物電磁場的結果，這種影響在現實的測試情況下會導致錯誤檢測和曲解，我們會在后面說明。圖1的數值測試設置，以評估不同的探頭類型對近場分布的影響。顯示電磁場上方的共振結構:a)無探頭b)隔離近場測量探頭c)傳統(tǒng)電磁場探頭圖2為待測物的共振頻率a)無探頭b)隔離探頭c)傳統(tǒng)探頭傳統(tǒng)探頭圖3示出了幾種常用的傳統(tǒng)近場EMC感應探頭的設計。如在引言中所述，以往的主要優(yōu)化標準是工作頻率范圍，微型化，電場，和共模靈敏度抑制。例如對意外接收的抑制，是通過屏蔽環(huán)（圖3b)，對稱屏蔽（圖3c），而共模抑制則可以通過雙線卷繞扼流圈來實現（圖3d）。圖3為常規(guī)的EMC探頭的不同設計。a）簡單的屏蔽環(huán)探頭，b）不對稱屏蔽環(huán)探頭，c）對稱屏蔽環(huán)探頭d）具有共模抑制的屏蔽環(huán)探頭。所有探頭的設計都是基于同軸傳輸線(即是導體)。圖4為傳統(tǒng)的EMC探棒使用一個EMC接收機作為印刷電路板（PCB）上的近場感應探頭。其金屬部件在被測板附近。然而，在任何現有的探頭設計中，探頭仍舊是導體，因此會成為一個任意的EM邊界條件而干擾待測物。典型的測試裝置與常規(guī)的EMC感應探頭如圖4所示，很明顯使用這種技術，一個強大的電磁場始終被引入到DUT的電磁場中。主動微光子探頭瑞士SPEAG和瑞士IT’IS基金會合作開發(fā)了主動式微光子近場測量探頭，使用鐳射和電子微型傳感器傳遞電磁場信號，此設備包含了感應探頭及遠程控制單元(描述3)。實際的傳感器探頭位于探頭的尖端，具有微型電場或磁場傳感器。遠程控制單元作為光子電源。在探頭中，來自控制箱的光子被轉換為電能，從而為有源組件供電。探頭使用微型傳感器來接收電磁場信號。來自傳感器的RF信號通過LNA放大后經由VCSEL轉換為光信號來傳遞至控制箱，在控制箱中，該光子信號由高速光電二極管（PD）進行調制，通過互阻抗放大器（TIA）放大，并通過一個標準的50Ω輸出連接到EMC接收機。此探頭包含高靈敏度高隔離度的微型近場傳感，并具有10MHz~10GHz的平坦超寬帶率響應曲線，我們稱此傳感器為進場時域測量探棒-TDS探棒。圖六為使用TDSEMS感應探頭的典型測試裝置。很明顯在TDS探頭技術中，測量時不再有金屬會影響待測物場型分布。圖5中的主動微光子傳感器平臺的框圖，其中包括通過光纖連接到一個控制器的微型傳感器探頭。圖6示意圖為微光子TDS-SNI近場感應探頭用于EMC磁近場感應（頂部）。TDS有源微光子傳感器測量技術的示意圖。傳統(tǒng)傳統(tǒng)與光子EMC探頭的射頻EM透通性圖7為近場EMC探頭通透性測量的實驗，圖為一種H1TDSx-SNI磁場探頭被用來檢測由待測物發(fā)送來的900MHz信號。用TDS探頭測量的信號被頻譜分析儀連續(xù)監(jiān)測。圖7、實驗來評估由傳統(tǒng)的EMC探頭感應射頻電磁場的擾動。圖上探頭為安裝在支撐托架參考探頭(SPEAGH1TDSx-SNIH-場探頭)，900MHz無線發(fā)射裝置和頻譜分析儀。在圖8中，數據為待測物被具有中等大?。?0mm）的傳統(tǒng)的EMC環(huán)探頭接近所測量，并通過參考探頭連續(xù)記錄檢測的光譜場變化。當傳統(tǒng)的EMC探頭在DUT的鎖相回路（PLL）電路的附近，PLL解鎖和DUT產生額外電磁干擾。此電磁分布原本不存在待測物上。在這種情況下，使用以往傳統(tǒng)的探頭可能會導致DUT電路不必要的重新設計。圖8、一個10mm傳統(tǒng)EMC探頭在DUT的PLL電路附近。導電探頭元素通過PCB將RF能量重新傳送至PLL電路，使三腳架上的H1TDSx-SNI探頭檢測到額外的電磁干擾信號。同樣的實驗但使用H1TDSx-SNI探頭圖進行，在頻譜分析儀上，待測物只有基頻輸出信號是可見的。高隔離度的TDS探頭沒有改變待測物電磁場分布或引入與傳統(tǒng)探頭中所看到噪聲干擾。圖9、H1TDSx-SNI探頭放置在與先前測量靠近DUT的相同位置上。電介質的EMC探頭不會干擾PLL，且沒有額外的諧波內容出現在頻譜分析儀上。結論綜上所述，使用傳統(tǒng)的EMC探頭可導致測試結果顯著的誤解，例如，探頭導致PLL鎖定解除，因而產生不切實際的噪聲散射，而TDSSNI探頭可檢測真實的DUT信號并且不會產生額外的干擾信號。由于不當的近場探頭所引入的不必要的誤報，也是產生昂貴成本和費時費力重新設計的原因。[1]H.WhitesideandR.King,"Theloopantennaasaprobe,"IEEETrans.AntennasandPropagation，vol.12,pp.291-297,1964.

[2]N.Ando,N.Masuda，N.Tarnaki,T.Kuriyama,S.Saito,K.Kato,K.Ohashi,M.SaitoandM.Yarnaguchi,"Miniaturizedthin-filmmagneticfieldprobewithhighspatialresolutionforLSIchipmeasurement,"inInternationalSymposiumonElectromagneticCompatibility,SantaClara,2004.

[3]A.Kramer,P.Muller,U.Lott,N.KusterandF.Bomholt,"Electro-opticfibersensorforamplitudeandphasedetectionofradiofrequencyelectromagneticfields,"Opticsletters，vol.31,no.16,p.2402–2404