针对于EMC近场测量中主动微光子感应技术近场探头与传统近场探头的技术分析

摘要

近场测量探棒是在电磁兼容性（EMC）和信号完整性分析（SI）常用的设计工具，在应用方面，我们使用数值模拟和实验分析比对了传统金属近场探棒跟新型的微光子主动近场探棒。数据显示传统探头在近场区域很容易与待测物产生严重的影响，而微光子探棒则相对于RF电磁场几乎是透明的。故而，使用传统EMC探头很容易导致错误的EMC近场测试结果并使得成本增加且耗时的重复设计。

简述

传统手持式EMI近场探头这几十年来一直都是EMC工程师用来调试的工具。此探头最初是为在相对低的频率下使用而开发的，而今天已经被用于分析整个射频（RF）领域。虽然许多研究已开始致力于使用优化的EMC探头用以在整个微波谱内拥有微米级的分辨率。然而，基本原理在几十年内不变，意味着当探头非常靠近被测设备（DUT）时势必会引起的EM边界响应。

本文，我们评估并比较了传统的金属探头与SPEAG开发的微光子TDS-SNI探头针对于待测物产生的互扰影响的比对分析。

问题描述

EMC近场探头在使用中经常很靠近DUT。因此探头应接近于DUT的原始环境，防止局部电磁场分布的失真。在靠近待测物时，由于传统的探头是由大块的导体构成，因此会引入很强EM边界条件。如图1 和图2 所示，是从SPEAG开发的SEMCAD电磁仿真软件进行的数值仿真中所提取出来的回波损耗（S11)，包括无探棒、传统探棒与电磁隔离探棒所产生的结果。

图二清楚的说明有3dB的偏移是因为传统探头靠近并强烈影响待测物电磁场的结果，这种影响在现实的测试情况下会导致错误检测和曲解，我们会在后面说明。

图1的数值测试设置，以评估不同的探头类型对近场分布的影响。显示电磁场上方的共振结构: a)无探头b)隔离近场测量探头c) 传统电磁场探头

图2为待测物的共振频率a) 无探头b) 隔离探头c) 传统探头

传统探头

图3示出了几种常用的传统近场EMC感应探头的设计。如在引言中所述，以往的主要优化标准是工作频率范围，微型化，电场，和共模灵敏度抑制。例如对意外接收的抑制，是通过屏蔽环（图3b)，对称屏蔽（图3c），而共模抑制则可以通过双线卷绕扼流圈来实现（图3d）。

图3为常规的EMC探头的不同设计。a）简单的屏蔽环探头，b）不对称屏蔽环探头，c）对称屏蔽环探头d）具有共模抑制的屏蔽环探头。所有探头的设计都是基于同轴传输线(即是导体)。

图4为传统的EMC探棒使用一个EMC接收机作为印刷电路板（PCB）上的近场感应探头。其金属部件在被测板附近。

然而，在任何现有的探头设计中，探头仍旧是导体，因此会成为一个任意的EM边界条件而干扰待测物。典型的测试装置与常规的EMC感应探头如图4所示 ，很明显使用这种技术，一个强大的电磁场始终被引入到DUT的电磁场中。

主动微光子探头

瑞士SPEAG和瑞士IT’IS基金会合作开发了主动式微光子近场测量探头，使用镭射和电子微型传感器传递电磁场信号，此设备包含了感应探头及远程控制单元(描述3)。实际的传感器探头位于探头的尖端，具有微型电场或磁场传感器。远程控制单元作为光子电源。在探头中，来自控制箱的光子被转换为电能，从而为有源组件供电。探头使用微型传感器来接收电磁场信号。来自传感器的RF信号通过LNA放大后经由VCSEL转换为光信号来传递至控制箱，在控制箱中，该光子信号由高速光电二极管（PD）进行调制，通过互阻抗放大器（TIA）放大，并通过一个标准的50Ω输出连接到EMC接收机。此探头包含高灵敏度高隔离度的微型近场传感，并具有10MHz~10GHz的平坦超宽带率响应曲线，我们称此传感器为进场时域测量探棒-TDS探棒。图六为使用TDS EMS感应探头的典型测试装置。很明显在TDS探头技术中，测量时不再有金属会影响待测物场型分布。

图5中的主动微光子传感器平台的框图，其中包括通过光纤连接到一个控制器的微型传感器探头。

图6示意图为微光子TDS-SNI近场感应探头用于EMC磁近场感应（顶部）。TDS有源微光子传感器测量技术的示意图。

传统传统与光子EMC探头的射频EM透通性

图7为近场EMC探头通透性测量的实验，图为一种H1TDSx-SNI 磁场探头被用来检测由待测物发送来的900 MHz信号。用TDS探头测量的信号被频谱分析仪连续监测。

图7、实验来评估由传统的EMC探头感应射频电磁场的扰动。图上探头为安装在支撑托架参考探头(SPEAG H1TDSx-SNI H-场探头)，900MHz无线发射装置和频谱分析仪。

在图8中，数据为待测物被具有中等大小（10mm）的传统的EMC环探头接近所测量，并通过参考探头连续记录检测的光谱场变化。当传统的EMC探头在DUT的锁相回路（PLL）电路的附近，PLL解锁和DUT产生额外电磁干扰。此电磁分布原本不存在待测物上。在这种情况下，使用以往传统的探头可能会导致DUT电路不必要的重新设计。

图8、一个10mm传统EMC探头在DUT的PLL电路附近。导电探头元素通过PCB将RF能量重新传送至PLL电路，使三脚架上的H1TDSx-SNI探头检测到额外的电磁干扰信号。

同样的实验但使用H1TDSx-SNI探头图进行，在频谱分析仪上，待测物只有基频输出信号是可见的。高隔离度的TDS探头没有改变待测物电磁场分布或引入与传统探头中所看到噪声干扰。

图9、H1TDSx-SNI探头放置在与先前测量靠近DUT的相同位置上。电介质的EMC探头不会干扰PLL，且没有额外的谐波内容出现在频谱分析仪上。

结论

综上所述，使用传统的EMC探头可导致测试结果显著的误解，例如，探头导致PLL锁定解除，因而产生不切实际的噪声散射，而TDS SNI探头可检测真实的DUT信号并且不会产生额外的干扰信号。由于不当的近场探头所引入的不必要的误报，也是产生昂贵成本和费时费力重新设计的原因。

参考文献

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[2] N. Ando, N. Masuda，N. Tarnaki, T. Kuriyama, S. Saito, K. Kato, K. Ohashi, M. Saito and M. Yarnaguchi, "Miniaturized thin-film magnetic field probe with high spatial resolution for LSI chip measurement, " in International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Santa Clara, 2004.
[3] A. Kramer, P. Muller, U. Lott, N. Kuster and F. Bomholt, "Electro-optic fiber sensor for amplitude and phase detection of radio frequency electromagnetic fields, " Optics letters，vol. 31, no. 16, p. 2402–2404, 2006.

作者：Sven Kühn, Schmid & Partner Engineering AG (SPEAG), Zurich, Switzerland

译注：耀登科技股份有限公司  021-61631930   ins#auden.com.tw

本文刊登于微波射频网旗下《微波射频技术》杂志 2016电磁兼容专刊，未经允许谢绝转载。