EMC近場(chǎng)測(cè)量中主動(dòng)微光子探頭與傳統(tǒng)探頭的技術(shù)分析

2017-07-01  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

近場(chǎng)測(cè)量探棒是在電磁兼容性(EMC)和信號(hào)完整性分析(SI)常用的設(shè)計(jì)工具,在應(yīng)用方面,我們使用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析比對(duì)了傳統(tǒng)金屬近場(chǎng)探棒跟新型的微光子主動(dòng)近場(chǎng)探棒。數(shù)據(jù)顯示傳統(tǒng)探頭在近場(chǎng)區(qū)域很容易與待測(cè)物產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,而微光子探棒則相對(duì)于RF電磁場(chǎng)幾乎是透明的。故而,使用傳統(tǒng)EMC探頭很容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的EMC近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果并使得成本增加且耗時(shí)的重復(fù)設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)手持式EMI近場(chǎng)探頭這幾十年來(lái)一直都是EMC工程師用來(lái)調(diào)試的工具。此探頭最初是為在相對(duì)低的頻率下使用而開(kāi)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(kāi)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(jí)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(cè)設(shè)備(DUT)時(shí)勢(shì)必會(huì)引起的EM邊界響應(yīng)。

本文,我們?cè)u(píng)估并比較了傳統(tǒng)的金屬探頭與SPEAG開(kāi)發(fā)的微光子TDS-SNI探頭針對(duì)于待測(cè)物產(chǎn)生的互擾影響的比對(duì)分析。

2問(wèn)題描述

EMC近場(chǎng)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(chǎng)分布的失真。在靠近待測(cè)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(huì)引入很強(qiáng)EM邊界條件。如圖1 和圖2 所示,是從SPEAG開(kāi)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(lái)的回波損耗(S11),包括無(wú)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(shuō)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(cè)物電磁場(chǎng)的結(jié)果,這種影響在現(xiàn)實(shí)的測(cè)試情況下會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤檢測(cè)和曲解,我們會(huì)在后面說(shuō)明。

圖1的數(shù)值測(cè)試設(shè)置,以評(píng)估不同的探頭類型對(duì)近場(chǎng)分布的影響。顯示電磁場(chǎng)上方的共振結(jié)構(gòu): a)無(wú)探頭b)隔離近場(chǎng)測(cè)量探頭c) 傳統(tǒng)電磁場(chǎng)探頭

圖2為待測(cè)物的共振頻率a) 無(wú)探頭b) 隔離探頭c) 傳統(tǒng)探頭

3傳統(tǒng)探頭

圖3示出了幾種常用的傳統(tǒng)近場(chǎng)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(chǎng),和共模靈敏度抑制。例如對(duì)意外接收的抑制,是通過(guò)屏蔽環(huán)(圖3b),對(duì)稱屏蔽(圖3c),而共模抑制則可以通過(guò)雙線卷繞扼流圈來(lái)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(jiǎn)單的屏蔽環(huán)探頭,b)不對(duì)稱屏蔽環(huán)探頭,c)對(duì)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(chǎng)感應(yīng)探頭。其金屬部件在被測(cè)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(huì)成為一個(gè)任意的EM邊界條件而干擾待測(cè)物。典型的測(cè)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(chǎng)始終被引入到DUT的電磁場(chǎng)中。

4主動(dòng)微光子探頭

瑞士SPEAG和瑞士IT’IS基金會(huì)合作開(kāi)發(fā)了主動(dòng)式微光子近場(chǎng)測(cè)量探頭,使用鐳射和電子微型傳感器傳遞電磁場(chǎng)信號(hào),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(chǎng)或磁場(chǎng)傳感器。遠(yuǎn)程控制單元作為光子電源。在探頭中,來(lái)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(lái)接收電磁場(chǎng)信號(hào)。來(lái)自傳感器的RF信號(hào)通過(guò)LNA放大后經(jīng)由VCSEL轉(zhuǎn)換為光信號(hào)來(lái)傳遞至控制箱,在控制箱中,該光子信號(hào)由高速光電二極管(PD)進(jìn)行調(diào)制,通過(guò)互阻抗放大器(TIA)放大,并通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)時(shí)域測(cè)量探棒-TDS探棒。圖六為使用TDS EMS感應(yīng)探頭的典型測(cè)試裝置。很明顯在TDS探頭技術(shù)中,測(cè)量時(shí)不再有金屬會(huì)影響待測(cè)物場(chǎng)型分布。

圖5中的主動(dòng)微光子傳感器平臺(tái)的框圖,其中包括通過(guò)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(chǎng)感應(yīng)探頭用于EMC磁近場(chǎng)感應(yīng)(頂部)。TDS有源微光子傳感器測(cè)量技術(shù)的示意圖。

5傳統(tǒng)傳統(tǒng)與光子EMC探頭的射頻EM透通性

圖7為近場(chǎng)EMC探頭通透性測(cè)量的實(shí)驗(yàn),圖為一種H1TDSx-SNI 磁場(chǎng)探頭被用來(lái)檢測(cè)由待測(cè)物發(fā)送來(lái)的900 MHz信號(hào)。用TDS探頭測(cè)量的信號(hào)被頻譜分析儀連續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖7、實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估由傳統(tǒng)的EMC探頭感應(yīng)射頻電磁場(chǎng)的擾動(dòng)。圖上探頭為安裝在支撐托架參考探頭(SPEAG H1TDSx-SNI H-場(chǎng)探頭),900MHz無(wú)線發(fā)射裝置和頻譜分析儀。

在圖8中,數(shù)據(jù)為待測(cè)物被具有中等大小(10mm)的傳統(tǒng)的EMC環(huán)探頭接近所測(cè)量,并通過(guò)參考探頭連續(xù)記錄檢測(cè)的光譜場(chǎng)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(cè)物上。在這種情況下,使用以往傳統(tǒng)的探頭可能會(huì)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(guò)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(cè)到額外的電磁干擾信號(hào)。

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(cè)物只有基頻輸出信號(hào)是可見(jiàn)的。高隔離度的TDS探頭沒(méi)有改變待測(cè)物電磁場(chǎng)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(cè)量靠近DUT的相同位置上。電介質(zhì)的EMC探頭不會(huì)干擾PLL,且沒(méi)有額外的諧波內(nèi)容出現(xiàn)在頻譜分析儀上。

5結(jié)論

綜上所述,使用傳統(tǒng)的EMC探頭可導(dǎo)致測(cè)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(cè)真實(shí)的DUT信號(hào)并且不會(huì)產(chǎn)生額外的干擾信號(hào)。由于不當(dāng)?shù)慕鼒?chǎng)探頭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。

本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術(shù)》雜志 2016電磁兼容專刊。

參考文獻(xiàn)

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作者:Sven Kühn, Schmid & Partner Engineering AG (SPEAG), Zurich, Switzerland譯注:耀登科技股份有限公司 021-61631930 ins#auden.com.tw

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