陳志堅(jiān) 王雨晨 黃鵬程 邵偉恒 葉長(zhǎng)青 方文嘯 黃云

(1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610)

電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)問(wèn)題已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確認(rèn)成為繼水質(zhì)污染、大氣污染和噪聲污染之后的第四大污染。隨著電子設(shè)備的泛用化，各種類型芯片的引腳、高頻信號(hào)線等都有可能成為干擾源而影響其他或者自身設(shè)備的正常工作。EMI是提高電路通信速率的主要障礙之一[1]。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，高頻段在相同時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒏?，通信系統(tǒng)整體頻段呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，對(duì)電磁兼容提出了更高的要求。電子設(shè)備和系統(tǒng)朝著高速、高頻以及復(fù)雜性上升的方向發(fā)展，提升了對(duì)高頻和高空間分辨率磁場(chǎng)探頭的需求[2- 3]。

磁場(chǎng)探頭是實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備近場(chǎng)測(cè)量的關(guān)鍵組成部分之一，于1999年被應(yīng)用于近場(chǎng)掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)物體的電磁輻射干擾診斷[4]。通過(guò)優(yōu)化探頭結(jié)構(gòu)和阻抗匹配設(shè)計(jì)得到的高空間分辨率磁場(chǎng)探頭可以滿足對(duì)于復(fù)雜芯片級(jí)電路近場(chǎng)探測(cè)的需求[5]，但隨之而來(lái)的是傳輸增益S21的下降[6]。有效緩解探測(cè)效率下降的方法之一是采用外置有源電路對(duì)S21的下降進(jìn)行補(bǔ)償，最典型的例子是采用有源放大器[7- 11]。但在電路設(shè)計(jì)中，超寬帶、極高增益的有源放大器難以實(shí)現(xiàn)，因此這類有源探頭的探測(cè)頻率主要集中在低頻段[12- 18]，難以滿足高頻段探測(cè)的需求。本研究針對(duì)高分辨率的磁場(chǎng)探頭傳輸增益S21下降的問(wèn)題，采用超寬帶、高增益的有源放大器芯片與高分辨率的探頭組合的方法，為高頻段電磁場(chǎng)探測(cè)提供了很好的解決方案。

超寬帶應(yīng)用場(chǎng)景的有源探頭尚且處于起步階段，針對(duì)這一問(wèn)題，本研究從采用更高帶寬的有源放大器保證傳輸增益、更小的探測(cè)結(jié)構(gòu)保證空間分辨率、更對(duì)稱的探頭結(jié)構(gòu)保證差分電場(chǎng)抑制能力三個(gè)維度，對(duì)傳統(tǒng)探頭進(jìn)行了改進(jìn)；然后通過(guò)一系列針對(duì)性的近場(chǎng)測(cè)量對(duì)探頭設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證；最后通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析，對(duì)超寬帶有源磁場(chǎng)探頭和無(wú)源探頭進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 有源磁場(chǎng)探頭的設(shè)計(jì)

1.1 探頭整體設(shè)計(jì)

有源磁場(chǎng)探頭實(shí)物圖如圖1所示，其原理框圖如圖2所示。探頭整體大小為60 mm×35 mm，其中探頭部分及傳輸結(jié)構(gòu)大小為18.6 mm×4.6 mm。

圖1 有源超寬帶磁場(chǎng)探頭PCB板實(shí)物圖

圖2 有源超寬帶磁場(chǎng)探頭原理框圖

有源磁場(chǎng)探頭可以分為探頭、傳輸結(jié)構(gòu)和有源放大電路模塊3部分。探頭部分使用的是傳統(tǒng)的屏蔽環(huán)路探測(cè)結(jié)構(gòu)[19]，由兩層屏蔽接地板與一層內(nèi)導(dǎo)體組成，內(nèi)導(dǎo)體為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從而感應(yīng)外界磁場(chǎng)。傳輸部分利用背面金屬支撐共面波導(dǎo)(CB-CPW)的同軸通孔陣列和通孔柵實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，整個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)(包括帶狀線結(jié)構(gòu)、CB-CPW線和同軸通孔)的特性阻抗設(shè)計(jì)為50 Ω。

有源放大電路模塊由電源管理芯片與DC-15 GHz放大器芯片組成，目的是提高超寬帶類型探頭的傳輸增益。在放大器芯片的輸入端采用交流耦合，其輸出端同時(shí)也是它的偏置電壓端口，需要添加偏置器(Bias-Tee)，Bias-Tee由隔直電容與高頻電感組成，其中電容隔離直流、防止偏置電壓影響后續(xù)測(cè)量工作，而高頻電感對(duì)放大器輸出信號(hào)的交流部分進(jìn)行隔離，防止其影響電源管理芯片。

探頭整體PCB板采用4層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。中間層1和底層為屏蔽接地層，用于屏蔽外界干擾，避免信號(hào)間的交叉干擾；頂層為有源放大模塊與輸出端傳輸結(jié)構(gòu)的布線層，在高頻信號(hào)線的兩端，以0.508 mm的間距設(shè)置接地孔，以減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗，并對(duì)放大器以及傳輸部分整體進(jìn)行鋪銅屏蔽；中間層2繪制了探頭部分的環(huán)路結(jié)構(gòu)，層內(nèi)導(dǎo)體與兩個(gè)屏蔽接地層形成了帶狀線結(jié)構(gòu)。探頭環(huán)路通孔通過(guò)同軸通孔陣列與頂層的放大器輸入端相連接，同軸通孔技術(shù)確保了信號(hào)過(guò)孔處阻抗匹配的連續(xù)性；有源部分的輸出信號(hào)線與CB-CPW相連，再連接到小A型(SMA)端口；在輸入端，通過(guò)控制帶狀線的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了放大器芯片輸入端口的50 Ω匹配；在輸出端，基于CB-CPW的同軸通孔過(guò)孔陣列和通孔柵實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖3 有源探頭每層的2D視圖

有源探頭的工作原理是：由磁場(chǎng)探頭感應(yīng)被測(cè)物體的磁場(chǎng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；傳輸部分對(duì)電信號(hào)進(jìn)行傳輸，輸入放大器芯片；放大器芯片對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大(因放大器芯片需要穩(wěn)定的電壓電流為其供電，才能對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，因此采用一個(gè)電源管理芯片為其供電)。經(jīng)過(guò)放大器后，被放大的電信號(hào)通過(guò)Bias-Tee與SMA接口傳輸至網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)來(lái)檢測(cè)信號(hào)。

1.2 有源放大模塊設(shè)計(jì)

有源芯片的主要功能是為探頭輸出的電信號(hào)提供增益。有源部分的加入，在增大超寬帶類型探頭傳輸增益的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)噪聲干擾等問(wèn)題。因此放大器芯片在選型方面十分謹(jǐn)慎，本研究選取的是亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)(ADI)有限公司生產(chǎn)的HMC659LC5芯片，可以在-40 ℃到85 ℃的環(huán)境下正常工作，達(dá)到軍用、航天級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)。

HMC659LC5是一個(gè)基于GaAs-MMIC-pHEM工藝的分布式放大器芯片，工作頻段在DC-15 GHz之間。放大器在工作頻段內(nèi)提供18 dB增益，1 dB壓縮輸出功率為0.56 W，整體噪聲系數(shù)約4 dB。放大器的工作電壓為8 V，工作電流為350 mA左右。

放大器HMC659LC5芯片為分布式結(jié)構(gòu)，采用了多個(gè)基本單元并聯(lián)，如圖4所示，圖4中基本單元為共源極結(jié)構(gòu)。選用分布式放大器是實(shí)現(xiàn)寬帶放大器的常用方案，結(jié)構(gòu)本身具有寬帶特性，技術(shù)手段成熟[20- 22]。由于MOS管本身具有寄生電容，這抑制了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)放大器的帶寬增益積，主要體現(xiàn)在隨著工作頻率的升高，放大器的增益隨之衰減。分布式放大器的基本原理是通過(guò)采用傳輸線結(jié)構(gòu)，將基本單元內(nèi)的MOS管寄生電容與微帶線上的電感組成傳輸網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高帶寬、低增益衰減的特性[23]。通過(guò)這一電路結(jié)構(gòu)，HMC659LC5實(shí)現(xiàn)了DC-15 GHz的寬帶放大。

圖4 分布式放大器結(jié)構(gòu)

圖5展示了HMC659LC5芯片的基本單元結(jié)構(gòu)，其中場(chǎng)效應(yīng)管M1將輸入的RFin電壓轉(zhuǎn)變成為與之相關(guān)的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)化后的電流信號(hào)作為共柵場(chǎng)效應(yīng)管M2的輸入信號(hào)。在基本單元的小信號(hào)等效模型中，不難發(fā)現(xiàn)可以將其等效為帶有源極負(fù)反饋的共源級(jí)放大器結(jié)構(gòu)，并依此得出共源共柵結(jié)構(gòu)的輸出阻抗如下[24]：

圖5 分布式放大器的基本單元及其小信號(hào)模型

R0=Rds,2+(1+gm,2Rds,2)Rds,1

(1)

式中，R0是共源共柵結(jié)構(gòu)的輸出阻抗，Rds,2是場(chǎng)效應(yīng)管M2的源漏級(jí)等效電阻，Rds,1是場(chǎng)效應(yīng)管M1的源漏級(jí)等效電阻，gm,2是場(chǎng)效應(yīng)管M2的跨導(dǎo)。

由(1)式可見，輸出阻抗相對(duì)于普通的共源極基本單元擴(kuò)大了約gm,2Rds,2倍。輸出阻抗的增大，一方面可以明顯提升低頻段的增益，另一方面具有恒流作用。在輸出阻抗倍增的基礎(chǔ)上，由共源結(jié)構(gòu)特性可以推斷共源共柵結(jié)構(gòu)的低頻增益也倍增:

Av≈-gm,1gm,2Rds,2Rds,1

(2)

式中，Av是共源共柵結(jié)構(gòu)的低頻增益，gm,1是場(chǎng)效應(yīng)管M1的跨導(dǎo)。

經(jīng)過(guò)分析，相較于使用單個(gè)共源級(jí)作為基本單元的情況，基本單元采用共柵共源結(jié)構(gòu)可以顯著提高單個(gè)單元輸出阻抗和增益；這是因?yàn)椋环矫婀矕挪糠值碾娐芬种屏斯苍唇Y(jié)構(gòu)的柵漏寄生電容，另一方面共源共柵結(jié)構(gòu)減小密勒效應(yīng)所帶來(lái)的影響。

1.3 有源電源模塊設(shè)計(jì)

探頭采用ADI有限公司的HMC920LP5E芯片來(lái)作為探頭的電源管理芯片，其輸出電壓為12 V，并可產(chǎn)生8 V漏極電壓為放大器提供偏置，滿足放大器350 mA的供電需求，有源探頭的有源放大模塊示意圖如圖6所示。本研究通過(guò)改變HMC920LP5E各端口的電阻阻值以及連接方式，來(lái)為放大器芯片提供了完整的偏置電壓解決方案。

圖6 有源探頭的有源放大模塊示意圖

在給放大器漏極供電方面，通過(guò)調(diào)節(jié)電源管理芯片外接電阻，可改變其LDOCC端口輸出電壓大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出8 V的漏極電壓。通過(guò)外接合適的偏置電阻對(duì)漏極電壓進(jìn)行分壓，可以產(chǎn)生Vgg2端口所需要的3 V電壓。

而放大器的Vgg1端口所需要的負(fù)電壓可以直接由電源管理芯片的Vgate端口提供，為-1.8 V。

2 無(wú)源磁場(chǎng)探頭的設(shè)計(jì)

為了與有源探頭作性能上的對(duì)比，本研究設(shè)計(jì)了與有源芯片同規(guī)格尺寸的無(wú)源探頭，如圖7所示。

圖7 無(wú)源探頭的2D視圖

在本次設(shè)計(jì)的無(wú)源探頭中，內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)狀結(jié)構(gòu)面積為0.6 mm×0.2 mm，為了滿足較高的空間分辨率，本次設(shè)計(jì)采用了較小面積，從而滿足更豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，如果將磁場(chǎng)探頭放置于被測(cè)物體上方，那么探頭上產(chǎn)生的電壓與環(huán)路的匝數(shù)、探頭環(huán)路在單位時(shí)間內(nèi)的電磁場(chǎng)量變化量有著密不可分的關(guān)系：

(3)

式中，V是探頭感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，dφ是磁通量變化量，dt是發(fā)生變化所用時(shí)間。

由式(3)可得，如果直接加大環(huán)路面積(增加通過(guò)的磁通量)或者增加環(huán)路的匝數(shù)，可提高探頭上感應(yīng)的電壓，增加傳輸增益、減少信號(hào)的損耗。但在高頻應(yīng)用場(chǎng)景下該方法并不適用，因?yàn)樵诟哳l應(yīng)用場(chǎng)景下該方法會(huì)導(dǎo)致探頭的寄生電感與寄生電容增加，進(jìn)而導(dǎo)致探頭的工作頻率下降。一般來(lái)說(shuō)，在測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)，通常采用較多匝數(shù)以達(dá)到較高的傳輸增益；而在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，通常使用少匝數(shù)、犧牲傳輸增益來(lái)達(dá)到更寬的測(cè)量范圍。為了實(shí)現(xiàn)較寬的頻率測(cè)量范圍，文中探頭采用了單環(huán)設(shè)計(jì)，并且盡量使用短的環(huán)走線，減小其與接地板之間的重疊面積，盡可能減小寄生電容與寄生電感。在探頭的傳輸部分，在CB-CPW線的兩端打上了聯(lián)通中間層1與底層接地板的通孔，避免屏蔽結(jié)構(gòu)帶來(lái)的諧振。在此基礎(chǔ)上，增加了接地過(guò)孔的數(shù)量，從而增加探頭傳輸部分頻率響應(yīng)的平滑度[25]。其中帶狀線結(jié)構(gòu)、一條CB-CPW線和一個(gè)SMA轉(zhuǎn)接頭組成的傳輸結(jié)構(gòu)特質(zhì)阻抗設(shè)計(jì)均為50 Ω，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。探頭的介電基板由低損耗的Rogers(RO4350B)制成，在10 GHz下，其介電常數(shù)為3.48，損耗因子為0.003 7。

基于文獻(xiàn)[17]，將式(3)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算化簡(jiǎn)，可以得到磁場(chǎng)探頭感應(yīng)電壓為

Vm=-jωμHScosθ

(4)

式中，Vm是磁場(chǎng)探頭感應(yīng)電壓，H是探頭所在的磁場(chǎng)強(qiáng)度，ω為電磁場(chǎng)的頻率，S為磁場(chǎng)探頭內(nèi)導(dǎo)體環(huán)狀結(jié)構(gòu)的面積，μ為介質(zhì)的有效磁導(dǎo)率，θ是磁場(chǎng)探頭與微帶線之間的夾角。

不難看出，在測(cè)試磁場(chǎng)的過(guò)程中需要保證θ為0°(如圖8(a))，以確保得到的Vm為最大值點(diǎn)。在多數(shù)不能保證θ為0°的情況下，磁場(chǎng)探頭感應(yīng)電壓Vm不僅與磁場(chǎng)有關(guān)，也與電場(chǎng)耦合Ie有關(guān)，Ie通常與jωCeUd成正比，其中Ce為電場(chǎng)耦合常數(shù)，Ud為射頻電場(chǎng)強(qiáng)度。在θ為90°(如圖8(b))時(shí)，磁場(chǎng)探頭的感應(yīng)量?jī)H由射頻電場(chǎng)產(chǎn)生，其值為

圖8 探頭在測(cè)量不同環(huán)境時(shí)的工作原理示意圖

Vm=Ie=-jωCeUd

(5)

在這樣的情況下，探頭的輸出電壓完全由電場(chǎng)耦合強(qiáng)度Ie決定[18]。

由以上分析可得，當(dāng)測(cè)試磁場(chǎng)時(shí)，在探頭位于微帶線正上方基礎(chǔ)上，保持磁場(chǎng)探頭與微帶線之間的夾角為0°即可；而在測(cè)試電場(chǎng)時(shí)，將探頭放置于微帶線上方，需要保持磁場(chǎng)探頭與微帶線之間的夾角為90°。這一結(jié)論為后續(xù)測(cè)試工作提供了理論基礎(chǔ)。

3 仿真與測(cè)試

3.1 探頭的仿真

為了實(shí)現(xiàn)探頭的電磁場(chǎng)仿真，采用HFSS搭建了探頭模型，如圖9所示。將無(wú)源探頭的電磁仿真結(jié)果S3P文件與放大器芯片的S2P模型文件導(dǎo)入ADS內(nèi)進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到頻率響應(yīng)仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 無(wú)源探頭的HFSS模型與有源探頭電路圖

由圖10可見，有源探頭仿真的S21結(jié)果比無(wú)源探頭整體高出了16.9～19.3 dB，二者波形一致，說(shuō)明放大器的帶內(nèi)增益平坦度良好。在3～15 GHz，無(wú)源探頭的傳輸增益在-40 dB到-30 dB內(nèi)波動(dòng)，有源頭則在-20 dB到-13.7 dB內(nèi)波動(dòng)。不同頻率下微帶線和探頭之間的反射不同是引起S21波動(dòng)的主要原因[21]。

圖10 有源探頭和無(wú)源探頭仿真的S21結(jié)果

3.2 探頭的測(cè)量

從探頭的頻率響應(yīng)、空間分辨率、校準(zhǔn)系數(shù)以及差分電場(chǎng)抑制4個(gè)方面對(duì)有源探頭測(cè)試結(jié)果與無(wú)源探頭進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 頻率響應(yīng)

對(duì)于單個(gè)無(wú)源探頭來(lái)說(shuō)，隨著工作頻率的變化，其S21帶內(nèi)波動(dòng)較小。但是對(duì)于有源探頭而言，由于有源芯片部分提供的增益會(huì)隨著頻率有較大幅度改變，致使有源探頭的S21隨著頻率變化較大，也導(dǎo)致了很難實(shí)現(xiàn)超寬帶的有源探頭。

頻率響應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)如圖11所示。微帶線的一端與50 Ω的負(fù)載相匹配，另一端接到VNA的1端口進(jìn)行分析，網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口與探頭的輸出端相連，將1端口設(shè)置為發(fā)射端、2端口設(shè)置為接收端，即可測(cè)試出頻率響應(yīng)S21的參數(shù)。探頭放置在微帶線中心上方500 μm處，探頭與微帶線的夾角θ為0°，使用12 V的直流電壓為其供電。探頭的輸出端通過(guò)SMA頭連接到VNA。微帶線的走線寬度W=1.55 mm，微帶線的介質(zhì)為RO4350B，厚度h=0.762 mm。將測(cè)量頻帶設(shè)置為DC至15 GHz，掃頻點(diǎn)數(shù)為1 500，也就是以10 MHz為步進(jìn)。

圖11 有源探頭特性的測(cè)量系統(tǒng)

圖12為有源探頭與無(wú)源探頭的測(cè)試結(jié)果對(duì)比。從測(cè)試結(jié)果可以得到，通過(guò)加入有源芯片，探頭的傳輸增益在1～15 GHz頻段上升了約15 dB，而且在高頻段沒(méi)有表現(xiàn)出衰減現(xiàn)象。與仿真結(jié)果對(duì)比，有源探頭帶來(lái)的傳輸增益上升略小，S21曲線略低于仿真數(shù)據(jù)3 dB，這是由于探頭本身在測(cè)試時(shí)，對(duì)微帶線附近的場(chǎng)分布會(huì)有影響。放大器芯片的增益在模型和芯片之間也會(huì)有一定的偏差。測(cè)試與仿真的S21曲線變化趨勢(shì)是一致的，誤差在可接受范圍內(nèi)。

圖12 有源探頭和無(wú)源探頭測(cè)試的頻率響應(yīng)

3.2.2 空間分辨率

空間分辨率是磁場(chǎng)探頭的重要技術(shù)指標(biāo)之一，它決定了探測(cè)器對(duì)干擾源的定位能力。隨著探頭的移動(dòng)，輸出信號(hào)從峰值點(diǎn)逐漸下降，當(dāng)下降6 dB時(shí)探頭移動(dòng)的空間距離被定義為探頭的空間分辨率[26]。

空間分辨率的測(cè)量設(shè)置與圖11相同。將微帶線的中心定義為坐標(biāo)原點(diǎn)X=Y=0。通過(guò)機(jī)械臂，讓探頭沿y方向以50 μm的間隔從-4 500 μm處移動(dòng)到4 500 μm處，保證探頭一直位于微帶線中心上方500 μm處，記錄不同頻率下的探頭響應(yīng)并繪圖。無(wú)源探頭的空間分辨率測(cè)試結(jié)果與有源探頭的空間分辨率測(cè)試結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 無(wú)源探頭的空間分辨率

圖14 有源探頭的空間分辨率

由圖14可見，有源探頭在各個(gè)頻段的空間分辨率均勻分布在850～1 000 μm之間，整體呈現(xiàn)頻段越高、分辨率越高的變化趨勢(shì)。對(duì)有源探頭在各個(gè)頻段的空間分辨率取平均數(shù)，整體分辨率為900 μm，說(shuō)明探頭對(duì)復(fù)雜電磁輻射中的干擾具有很高的分辨率。并且，有源部分的加入沒(méi)有對(duì)無(wú)源探頭部分帶來(lái)很大影響，在提高了探頭整體S21性能的同時(shí)，并沒(méi)有讓系統(tǒng)整體的空間分辨率下降。900 μm的空間分辨率可以讓探頭勝任大部分場(chǎng)景的近場(chǎng)測(cè)量應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源所在位置的高精度測(cè)量。

3.2.3 校準(zhǔn)系數(shù)

在校準(zhǔn)系數(shù)的測(cè)量過(guò)程中，為了保證信號(hào)有效地傳輸，微帶線的特性阻抗設(shè)計(jì)為50 Ω。微帶線表面與探頭底邊之間的距離保持在792 μm，而微帶線表面到環(huán)孔中心的高度為800 μm。

校準(zhǔn)系數(shù)的定義[18，27]為

(6)

式中，H為探頭本身感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度,V2為探頭上的電磁感應(yīng)電壓幅值。

通常，CF值越小，探頭將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力越強(qiáng)。

在測(cè)試過(guò)程中，確定微帶線的負(fù)載為50 Ω，探頭與微帶線之間夾角為0°的條件下：

(7)

式中，V1為微帶線上的電壓幅值,d為微帶線表面到探頭環(huán)孔中心的距離，h為微帶線的厚度。

在兩個(gè)端口都保證50 Ω匹配負(fù)載的情況下，將探頭的頻率響應(yīng)V2與微帶線上的電壓值V1相比，得到S21：

(8)

將式(7)和式(8)帶入到式(6)，得：

(9)

在式(9)中，帶入數(shù)據(jù)，得到CF公式如下：

CF=8.309 58-|S21|

(10)

在h=792 μm、d=800 μm的情況下，無(wú)源探頭及有源探頭的頻率響應(yīng)和校準(zhǔn)系數(shù)如圖15所示。由于環(huán)形孔徑大小相等、圈數(shù)相同，有源和無(wú)源磁場(chǎng)探頭的頻率響應(yīng)的波動(dòng)軌跡相差不大，在較高頻段略有不同，這是探頭的制造差異造成的。有源部分的加入，對(duì)探頭輸出的電磁感應(yīng)電壓進(jìn)行了放大，V2值相較無(wú)源探頭會(huì)更大，因此有源探頭的校準(zhǔn)系數(shù)相較無(wú)源探頭會(huì)小15.6 dB·(A/m)/V。

圖15 有源和無(wú)源探頭的校準(zhǔn)系數(shù)及其頻率響應(yīng)

3.2.4 差分電場(chǎng)抑制能力

在近場(chǎng)測(cè)量中，電場(chǎng)耦合是導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差的重要原因之一。基于前文的分析可得，當(dāng)磁場(chǎng)探頭與微帶線夾角為0°時(shí)，測(cè)量的是微帶線所帶來(lái)的磁場(chǎng)感應(yīng)；磁場(chǎng)探頭與微帶線夾角為90°時(shí)，可以測(cè)量電場(chǎng)耦合；二者測(cè)試結(jié)果相除，即是探頭的差分電場(chǎng)抑制能力ηd[28]。ηd=H/E，其值越高，代表磁場(chǎng)探頭的差分電場(chǎng)抑制能力越好，磁場(chǎng)探頭對(duì)于非測(cè)試電場(chǎng)的抑制作用越明顯。

測(cè)試中選取了5 GHz和15 GHz兩個(gè)頻率點(diǎn)，較全面地測(cè)試了有源探頭與無(wú)源探頭在高低兩個(gè)頻率下的差分電場(chǎng)抑制能力，測(cè)試結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同頻率下有源探頭與無(wú)源探頭的差分電場(chǎng)抑制能力

由圖16可見，在5 GHz的情況下，無(wú)源探頭的ηd=H/E為14.96 dB，而有源探頭為15.7 dB，有源探頭的性能略好于無(wú)源探頭。當(dāng)探頭從微帶線上方中央位置離開時(shí)，磁場(chǎng)的耦合分量減小并出現(xiàn)了兩個(gè)極小值點(diǎn)。而電場(chǎng)情況與磁場(chǎng)相反，其出現(xiàn)了S21上的兩個(gè)極大值點(diǎn)。

對(duì)比5 GHz與15 GHz的探頭差分電場(chǎng)抑制能力曲線圖發(fā)現(xiàn)，有源探頭在15 GHz時(shí)ηd=H/E=10.6 dB，相對(duì)5 GHz下降了5.1 dB；而無(wú)源探頭在15 GHz時(shí)ηd=H/E=8.1 dB，相對(duì)5 GHz下降了6.86 dB。有此可見，隨著頻率上升，有源部分的加入提高了探頭的差分電場(chǎng)抑制能力，使其更適合高頻段的應(yīng)用場(chǎng)景。

3 總結(jié)

文中設(shè)計(jì)了一款小型、高帶寬、非接觸式的有源磁場(chǎng)探頭，用于解決高頻段電磁場(chǎng)探測(cè)的問(wèn)題；并通過(guò)仿真和測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)有源探頭和無(wú)源探頭進(jìn)行了對(duì)比研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)文中設(shè)計(jì)的有源探頭的S21可以達(dá)到-20 dB，空間分辨率達(dá)到900 μm，其工作頻段高達(dá)15 GHz；

(2)有源探頭的差分電場(chǎng)抑制能力略好于無(wú)源探頭，工作頻率由5 GHz升高至15 GHz時(shí)，有源探頭的差分電場(chǎng)抑制能力下降幅值較無(wú)源探頭少1.76 dB。

(3)通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)探頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加入有源放大器，整體系統(tǒng)的傳輸增益得到了提高，并且克服了當(dāng)前有源探頭應(yīng)用頻段低、工作頻段有限的缺點(diǎn)，滿足通信系統(tǒng)呈現(xiàn)整體頻段上升的需求。