EMC近場測量中主動微光子探頭與傳統(tǒng)探頭的技術分析

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

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(shù)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(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。

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(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(chǎn)生的互擾影響的比對分析。

2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(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(xiàn)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(shù)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

3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(xiàn)(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(xiàn)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。

4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(jīng)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(diào)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TDS EMS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。

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(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小(10mm)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(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(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。

5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(chǎn)生不切實際的噪聲散射,而TDS SNI探頭可檢測真實的DUT信號并且不會產(chǎn)生額外的干擾信號。由于不當?shù)慕鼒鎏筋^所引入的不必要的誤報,也是產(chǎn)生昂貴成本和費時費力重新設計的原因。

本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術》雜志 2016電磁兼容?？?/span>

參考文獻

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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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