【導(dǎo)讀】我們使用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)顯示傳統(tǒng)探頭在近場區(qū)域很容易與待測物產(chǎn)生嚴(yán)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(dǎo)致錯誤的EMC近場測試結(jié)果并使得成本增加且耗時(shí)的重復(fù)設(shè)計(jì)。
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(diào)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(jīng)被用于分析整個(gè)射頻（RF）領(lǐng)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(gè)微波譜內(nèi)擁有微米級的分辨率。然而，基本原理在幾十年內(nèi)不變，意味著當(dāng)探頭非?？拷粶y設(shè)備（DUT）時(shí)勢必會引起的EM邊界響應(yīng)。
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(chǎn)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(jīng)常很靠近DUT。因此探頭應(yīng)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(shí)，由于傳統(tǒng)的探頭是由大塊的導(dǎo)體構(gòu)成，因此會引入很強(qiáng)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(jìn)行的數(shù)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(chǎn)生的結(jié)果。
圖二清楚的說明有3dB的偏移是因?yàn)閭鹘y(tǒng)探頭靠近并強(qiáng)烈影響待測物電磁場的結(jié)果，這種影響在現(xiàn)實(shí)的測試情況下會導(dǎo)致錯誤檢測和曲解，我們會在后面說明。
圖1的數(shù)值測試設(shè)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(jié)構(gòu): 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(yīng)探頭的設(shè)計(jì)。如在引言中所述，以往的主要優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)（圖3d）。
圖3為常規(guī)的EMC探頭的不同設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)都是基于同軸傳輸線(即是導(dǎo)體)。
圖4為傳統(tǒng)的EMC探棒使用一個(gè)EMC接收機(jī)作為印刷電路板（PCB）上的近場感應(yīng)探頭。其金屬部件在被測板附近。
然而，在任何現(xiàn)有的探頭設(shè)計(jì)中，探頭仍舊是導(dǎo)體，因此會成為一個(gè)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(yīng)探頭如圖4所示 ，很明顯使用這種技術(shù)，一個(gè)強(qiáng)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(shè)備包含了感應(yīng)探頭及遠(yuǎn)程控制單元(描述3)。實(shí)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(yuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)由VCSEL轉(zhuǎn)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(jìn)行調(diào)制，通過互阻抗放大器（TIA）放大，并通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的50Ω輸出連接到EMC接收機(jī)。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(yīng)曲線，我們稱此傳感器為進(jìn)場時(shí)域測量探棒-TDS探棒。圖六為使用TDS EMS感應(yīng)探頭的典型測試裝置。很明顯在TDS探頭技術(shù)中，測量時(shí)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(gè)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(yīng)探頭用于EMC磁近場感應(yīng)（頂部）。TDS有源微光子傳感器測量技術(shù)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(shí)驗(yàn)，圖為一種H1TDSx-SNI 磁場探頭被用來檢測由待測物發(fā)送來的900 MHz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(shí)驗(yàn)來評估由傳統(tǒng)的EMC探頭感應(yīng)射頻電磁場的擾動。圖上探頭為安裝在支撐托架參考探頭(SPEAG H1TDSx-SNI H-場探頭)，900MHz無線發(fā)射裝置和頻譜分析儀。
在圖8中，數(shù)據(jù)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(dāng)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(chǎn)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(dǎo)致DUT電路不必要的重新設(shè)計(jì)。
圖8、一個(gè)10mm傳統(tǒng)EMC探頭在DUT的PLL電路附近。導(dǎo)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(shí)驗(yàn)但使用H1TDSx-SNI探頭圖進(jìn)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(zhì)的EMC探頭不會干擾PLL，且沒有額外的諧波內(nèi)容出現(xiàn)在頻譜分析儀上。
結(jié)論
綜上所述，使用傳統(tǒng)的EMC探頭可導(dǎo)致測試結(jié)果顯著的誤解，例如，探頭導(dǎo)致PLL鎖定解除，因而產(chǎn)生不切實(shí)際的噪聲散射，而TDS SNI探頭可檢測真實(shí)的DUT信號并且不會產(chǎn)生額外的干擾信號。由于不當(dāng)?shù)慕鼒鎏筋^所引入的不必要的誤報(bào)，也是產(chǎn)生昂貴成本和費(fèi)時(shí)費(fèi)力重新設(shè)計(jì)的原因。
文章來源于微波射頻網(wǎng)。
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