袁鐘柱 萬發(fā)雨

0 引言

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,集成電路的工作頻率不斷提高,而加工芯片的尺寸卻在進一步減小,單個芯片集結(jié)了越來越多的功能，這些發(fā)展使得芯片級電磁兼容顯得尤為重要[1]．傳統(tǒng)橫電磁波(TEM)小室的測量帶寬僅為1 GHz,遠遠不能滿足集成電路的測試要求．而TEM小室法作為一種最方便準確的用來測量輻射發(fā)射的方法,亟需提升其可用的上限頻率．目前最先進的符合IEC標準的國外商業(yè)TEM 小室的設計頻率為3 GHz,但是產(chǎn)品僅提供S參數(shù)指標,對集成電路電磁輻射測試非常重要的參數(shù)如場均勻性、加載被測物(EUT)后的場分布等參數(shù)都還欠缺．

國內(nèi)關于TEM小室的研究有很多,文獻[2]介紹了傳統(tǒng)橫電磁波小室的分析方法,包括TEM小室的高階模截止頻率與諧振頻率、特性阻抗、場分布的均勻性并采用時域有限差分(FDTD)的方法計算可用上限工作頻率,與實測結(jié)果相吻合,但其尺寸標準并不統(tǒng)一．國外學者也對提升TEM小室的上限頻率給出了很多改進方案．文獻[3]采用金屬線列結(jié)構(gòu)的內(nèi)導體大幅場均勻性同時削弱了EUT的耦合;文獻[4]采用吸波材料的方法使其可用帶寬翻倍;文獻[5]加裝吸波材料、鐵氧體、磁環(huán)、開縫等措施抑制高次模，使其頻率達到2.5 GHz;文獻[6]證實了縱向開縫可抑制諧振,但諧振的模式仍然復雜;文獻[7]設計了一種新型TEM小室實現(xiàn)了優(yōu)良的駐波性能并給出了開縫的結(jié)果,但未進行實驗驗證．上述文獻的上限頻率只能提高到2.5 GHz,還有進一步改善的空間．

本文設計了一款符合IEC標準的寬帶TEM小室,可將其工作帶寬提升至3 GHz;同時設計一款與之匹配的集成電路(IC)測試板,并采用TEM小室對IC芯片進行輻射測量以改善IC的電磁兼容性．本文第1部分介紹TEM小室的結(jié)構(gòu)設計;第2部分給出關鍵參數(shù)的仿真結(jié)果以及和實測結(jié)果的對比;第3部分采用TEM小室對設計的PCB測試板進行輻射測量與分析;第4部分為總結(jié)．

1 TEM小室設計

1.1 TEM小室的介紹

標準的TEM小室的三視圖如圖1所示,包括一個主傳輸段、兩個過渡段以及兩端的轉(zhuǎn)接頭．

圖1 TEM小室的三視圖Fig.1 Three views of the TEM cell

整個TEM小室由內(nèi)外雙導體組成,主傳輸段類似于封閉的帶狀線結(jié)構(gòu),內(nèi)導體處于中心位置,下方有4根低介電材料的圓柱棒作為支撐．在主段上方留有一開孔用以放置待測的PCB,內(nèi)導體的漸變段將連接到同軸線的內(nèi)芯上,外導體連接至同軸的屏蔽殼體部分．整個TEM小室呈中心對稱結(jié)構(gòu),測試時兩個端口可以互換使用．

TEM小室是一種TEM波導裝置,可傳輸橫電磁波,可用來產(chǎn)生或檢測已知場的密度,也可用于場的計量校準等．此外,TEM小室還廣泛應用于集成電路的輻射發(fā)射測試和抗擾度測試中.TEM小室內(nèi)場分布如圖2所示．

圖2 場線分布Fig.2 Field distribution

TEM小室內(nèi)的場強值可通過輸入功率計算,由于小室結(jié)構(gòu)阻抗不完全連續(xù),會形成駐波．所以小室內(nèi)傳輸?shù)碾妷翰ê碗娏鞑ㄒ话闶怯扇肷洳ê头瓷洳▋刹糠织B加而成的．電壓波和電流波之比等于傳輸線的特性阻抗．如果駐波效應不明顯,測出通過小室的凈功率Pn,則

(1)

式中Rc為小室特性阻抗的實部,Pn為通過小室的凈功率．

1.2 TEM小室的結(jié)構(gòu)設計

完整的TEM小室結(jié)構(gòu)包括主傳輸段、由主段向同軸線過度的漸變段以及50 Ω的同軸轉(zhuǎn)接頭．整個TEM小室為對稱結(jié)構(gòu),其設計應從以下幾個方面考量:

1)使可用的測試區(qū)域盡可能大;

2)使可用的上限頻率盡量高;

3)保持小室各段阻抗的穩(wěn)定性;

4)使測試區(qū)域的電磁場值波動盡量?。?/p>

整個參數(shù)化建模如圖3所示,其尺寸由表1給出．由于整個模型成中心對稱分布,為了簡化建模的復雜度,所設的各單位均為實際長度的一半．完成參數(shù)化建模后,設置仿真頻率、波導端口、網(wǎng)格以及邊界條件便可以對內(nèi)導體的寬度參數(shù)進行掃頻分析,以保證各段的特性阻抗在50 Ω左右．

圖3 TEM小室結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of TEM cell

表1 TEM小室尺寸參數(shù)

通過對主段寬度進行參數(shù)掃描分析,結(jié)果如圖4a所示,整個主段的特性阻抗的大小隨著內(nèi)導體寬度的增加而線性減小,取w值為49.15 mm,即內(nèi)導體寬度為98.3 mm時,主段的特性阻抗正好符合設計要求．主段的設計可以保證測試區(qū)域的穩(wěn)定以及減弱EUT對場的影響．

圖4 內(nèi)導體寬度掃描結(jié)果Fig.4 Parameter sweep of inner conductor width

末端內(nèi)導體寬度對特性阻抗影響較大,對其進行參數(shù)掃描,結(jié)果如圖4b所示．取g的值設為9.8 mm,即寬度為19.6 mm時可以得到50 Ω的特性阻抗.TEM小室的設計中,整體需與同軸轉(zhuǎn)接頭相連,采用的N型法蘭板外殼需與小室的外導體相連．將外導體延長一小段并封閉其端口,在封閉板上挖出適配于接頭大小的孔洞并將其和內(nèi)導體連接使之成為一個完整的TEM波導結(jié)構(gòu)．

2 TEM小室參數(shù)仿真與實測對比

2.1 S參數(shù)仿真

TEM小室的性能參數(shù)包括S參數(shù)、場均勻性及EUT對場分布的影響．性能良好的TEM小室一般要求:反射系數(shù)小于-12 dB,傳輸系數(shù)大于-3 dB,場均勻性優(yōu)于2 dB．

從圖5的仿真結(jié)果可知:整個TEM小室在0～1.95 GHz的頻段內(nèi)基本保持在反射系數(shù)小于-19 dB的水平,傳輸系數(shù)則大于-1 dB,在2～3 GHz內(nèi)也基本滿足了反射系數(shù)小于-15 dB．此外,頻段內(nèi)還出現(xiàn)了3個諧振點使其在1.99、2.30和2.72 GHz頻率附近的性能急劇惡化．可能是由于整個小室近似為諧振腔,諧振頻率處的TE模擾亂了電場分布,需采取磁環(huán)或吸波材料等對橫向電流進行抑制．

圖5 S參數(shù)仿真結(jié)果Fig.5 Result of S-parameters simulation

2.2 測試結(jié)果

對加工的TEM小室用矢量網(wǎng)絡分析儀(羅德施瓦茨,型號ZNB20,頻率100 kHz～20 GHz)進行S參數(shù)測試,測試平臺如圖6所示,測試頻帶為50 MHz～3 GHz．測試結(jié)果如圖7所示,在50 MHz～2 GHz,滿足設計指標,但是在2～3 GHz有3個諧振點,導致反射系數(shù)和傳輸系數(shù)都不滿足指標要求．下一節(jié)討論諧振抑制方法．

圖6 測試配置Fig.6 Test configuration

2.3 諧振頻率的抑制

抑制諧振頻率的方法有很多,諸如放置磁環(huán)、磁條、鐵氧體、吸波材料等,還有切割內(nèi)外導體以開縫的形式抑制表面電流的方法,但具體的效果如何,還有待實驗驗證．

本節(jié)采用置入磁環(huán)的方法對其進行測試．圖7是加入磁環(huán)前后的S參數(shù)對比,在置入磁環(huán)后,諧振頻率處的峰值得到了較好的抑制,反射系數(shù)低于-12 dB,傳輸系數(shù)優(yōu)于3.5 dB,可以滿足0～3 GHz內(nèi)測試的基本要求．

圖7 置入磁環(huán)前后的S參數(shù)對比Fig.7 Comparison of S-parameters before and after inserting the magnetic ring

2.4 場均勻性仿真

在TEM小室的測試區(qū),垂直場分量是主分量,水平場分量一般比垂直場分量小一個數(shù)量級,可不予考慮．本文僅考察芯板與底板間(即上半腔)垂直場分量Ey的分布情況．在繪制測試板時,一般將芯片置于PCB正中間,因此可在小室中間取4條距離頂端不同高度的線上的場值來進行評估各處的場的均勻性，并按下式歸一化:

(2)

場均勻性仿真結(jié)果如圖8所示,對于20 mm×20 mm的大小的IC芯片,其場均勻度可以達到±0.5 dB,而80 mm×80 mm的區(qū)域內(nèi)仍然可以獲得±2 dB的場均勻性．芯片尺寸一般較小,本文設計的TEM小室完全滿足要求．EUT的大小對場分布的影響將在下一節(jié)中予以探究．

圖8 歸一化場均勻性仿真Fig.8 Normalized field uniformity simulation

2.5 EUT對場分布的影響

TEM 小室會對放入其中的EUT(被測物)耦合而產(chǎn)生影響,從而改變TEM 小室的特性阻抗及場分布等關鍵參數(shù)．當置入金屬物體后,由于理想導體導電率無限大,表面是等勢面,內(nèi)部沒有任何電場存在,電磁波將被反射,反射系數(shù)取決于金屬的復介電常數(shù)．而反射的部分電磁波將在TEM小室內(nèi)來回反射從而影響能量的傳輸．

IC尺寸較小時,其對場的影響很小.隨著尺寸增加到可與開口尺寸比擬時,EUT會在一定程度上影響場的分布與均勻性．本節(jié)對置入金屬導體的影響進行仿真分析．基于1/3準則,本節(jié)將在中心位置的金屬尺寸設定在50 mm×50 mm,對其厚度進行掃描分析．

場分布仿真結(jié)果如圖9所示.當EUT 小于1/10時,對特性阻抗幾乎沒有影響;當EUT 在1/3左右時,已經(jīng)對阻抗產(chǎn)生了較大的影響,反射系數(shù)已經(jīng)達到-10 dB,但此時小室依然是可用的．當厚度超過20 mm時,反射系數(shù)已接近-5 dB,阻抗已經(jīng)嚴重失配,將導致其反射大幅提高,不僅對場分布產(chǎn)生惡劣的影響還會加大測試誤差.

圖9 金屬EUT厚度對S11的影響Fig.9 Influence of metal EUT thickness on S11

2.6 與國外商業(yè)TEM小室的對比

美國的Fischer Custom Communications,Inc(FCC)公司對于不同需求的集成電路提供了一系列TEM小室,可用于輻射發(fā)射和抗擾度測試．本文設計的TEM小室與商業(yè)產(chǎn)品的性能對比如表2所示．

表2 與國外商業(yè)TEM小室的對比

本文所設計的TEM小室與FCC-TEM-JM系列適用同樣的IEC標準,并在最大的受試設備的尺寸、最大功率容量、轉(zhuǎn)接頭等方面有著幾乎相當?shù)乃剑傮w而言,反射系數(shù)相差3 dB左右,傳輸系數(shù)相差1 dB．但本TEM小室場均勻性更佳且制作成本遠遠低于商業(yè)TEM小室．

3 IC輻射發(fā)射測試

3.1 測試PCB

本次實驗所選用的芯片型號為STM32F103RCT6,32位高性能處理器,其時鐘頻率高達72 MHz．芯片供電電壓3.3 V,內(nèi)部還有40 kHz的RC振蕩器,同時也外接了一個32.768 kHz的晶振作為RTC時鐘源．芯片內(nèi)有多達12個通信接口．

根據(jù)IEC的標準[8],如圖10所示,整個PCB分為4層:第1層為電源層,受試IC處在底層并通過0.2 mm的過孔將引腳連出;第2層為電源走線層,同時須保證電源去耦電容處在過孔陣列的內(nèi)測;第3層則是信號線層,將芯片引出的引腳線與各個模塊相連;最后一層是與第3層共用的信號線層,在走線完畢后還需將整層進行鋪地以隔絕外界的輻射,提升TEM小室本身的抗干擾能力．在板層設計完成后,在板邊緣部分需將一定范圍內(nèi)的阻焊層開窗,這樣可以使得裸露出的電鍍層在與TEM小室的外導體相連以保證接地的完整性,進一步增強其對外界的抗干擾能力．

圖10 IEC標準測試板Fig.10 Layout(a) and picture(b) of IEC standard test board

在完成硬件調(diào)試后對4種測試代碼進行編譯,采用ST-LINK將程序燒錄至板中,顯示紅燈閃爍則說明程序已燒錄成功．通過USB-TTL線將測試板連接至電腦的端口并打開串口監(jiān)視器發(fā)送任意字符,端口可返回目前的室內(nèi)溫度．本次實驗包括了I/O口、溫度傳感器、串口、ADC以及SPI FLASH 4種測試代碼．

3.2 測試結(jié)果與分析

TEM小室用于輻射發(fā)射測試配置如圖11所示,實際測試平臺如圖12所示．TEM小室的一個端口連接50 Ω負載,另一個端口通過預放大器將結(jié)果輸出至頻譜分析儀,但實際用于測試尚有很多需注意的地方．TEM小室內(nèi)必須沒有被測頻率范圍內(nèi)的高次諧波;使用EMI接收機的頻譜儀模式時,需采用最大保持模式;若信號被淹沒在噪聲中,則需采用低噪聲放大器對微弱信號進行放大,提高信噪比;放大器需與小室的輸出端口直連,避免外部的干擾耦合進入小室的內(nèi)部而影響測量結(jié)果;在使用電源供電時,可以在電源線上加載磁環(huán)用以抑制電磁脈沖．

圖11 測試配置示意圖Fig.11 Schematic diagram of test configuration

圖12 IC輻射測試圖Fig.12 Picture of IC radiation test

分別對串口通信、ADC、SPI以及溫度傳感器的運行代碼分別燒錄,并對同一方向的結(jié)果進行比較．串口和ADC輻射測試結(jié)果如圖13所示,將串口和ADC兩個結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)其主要的差異集中在70 MHz至120 MHz之間,其中SPI和ADC分別為芯片內(nèi)部的調(diào)用與讀取,而溫度傳感器和串口通信需要外部的數(shù)據(jù)傳輸線,這可能是導致121 MHz左右相差較大的原因．

圖13 串口與ADC輻射水平對比Fig.13 Comparison of serial port and ADC radiation level

如表3所示：在使用ADC時所產(chǎn)生的輻射最大,在70.6 MHz最大可達51.3 dBμV;其次是外部的串口和溫度傳感器在使用數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)時，會在121 MHz左右產(chǎn)生最大值;讀取SPI Flash緩存時所產(chǎn)生的的輻射最?。?/p>

表3 各狀態(tài)下的輻射水平對比

EUT在運行ADC代碼時,所產(chǎn)生的輻射騷擾最大,這些輻射可能是由數(shù)據(jù)傳輸時所對應的時鐘頻率或其諧波所造成的．所以在晶振或振蕩電路外圍需要以最短的布線與盡量多的濾波電容接地才能較好地抑制這種輻射．

4 結(jié)束語

本文設計了一款符合IEC標準的TEM小室,在0～3 GHz內(nèi)獲得了小于-12 dB的反射系數(shù)與優(yōu)于-2.5 dB的傳輸系數(shù)．此外,該TEM小室的測試區(qū)域場均勻性優(yōu)于±2 dB并給出了EUT大小對場分布的影響．最后本文采用所設計的TEM小室對IC輻射進行了測試與分析．