阅读说明：本技术 高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头 (Miniaturized active differential magnetic field probe with high common-mode rejection ratio and high sensitivity ) 是由 王健伟 阎照文 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头,涉及电磁兼容和电磁场近场测试技术领域。它至少由差分双环、集成巴伦和有源放大电路组成。从该磁场探头的底部至顶部,差分双环、集成巴伦、有源放大电路依次级联；差分双环由2个中心镜像对称的接地单屏蔽环构成；差分双环在感应到外部的磁场变化以后可以输出差模感应电压；集成巴伦的差分功能可以抑制差分双环由于共模电场耦合导致的感应电压分量,同时将差分双环由于磁场差模耦合导致的差模感应电压转换为单端共模电压；差分双环和集成巴伦的组合应用,极大改善了该磁场探头的共模抑制比；有源放大电路极大提高了该磁场探头的灵敏度。(The invention provides a miniaturized active differential magnetic field probe with high common mode rejection ratio and high sensitivity, and relates to the technical field of electromagnetic compatibility and electromagnetic field near-field testing. The differential amplifier at least comprises a differential double ring, an integrated balun and an active amplifying circuit. From the bottom to the top of the magnetic field probe, a differential double ring, an integrated balun and an active amplifying circuit are sequentially cascaded; the differential double ring is composed of 2 grounded single shielding rings with mirror symmetry centers; the differential double rings can output differential mode induction voltage after inducing external magnetic field change; the differential function of the integrated balun can inhibit the induced voltage component of the differential double ring caused by common-mode electric field coupling, and simultaneously convert the differential mode induced voltage of the differential double ring caused by magnetic field differential mode coupling into single-ended common-mode voltage; the combined application of the differential double ring and the integrated balun greatly improves the common-mode rejection ratio of the magnetic field probe; the active amplification circuit greatly improves the sensitivity of the magnetic field probe.)

高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头

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技术领域

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本发明涉及一种高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头设计，该磁场探头具有高灵敏度和高共模抑制比特性，用于射频微波电路表面的近场磁场测试，定位由射频电流表征的磁场干扰源，追踪磁场干扰源的耦合路径，属于电磁兼容和电磁场近场测试技术领域。

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背景技术

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由于工作频率的快速增加，高速系统时钟的频繁切换，板图复杂度的急剧提高以及印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)的尺寸不断减小，射频(Radio Frequency，RF)模块的使用日益增多，电子设备的电磁兼容性设计面临新的挑战。电子设备辐射发射出的电磁干扰可能会被敏感元件拾取，从而导致电子设备的功能失效，削弱电子设备的稳定性。电磁干扰往往需要被定性或定量评估以至于工程师可以确定电子设备的电磁发射水平，利用近场探头并结合逐点近场扫描是一种有效评估辐射发射的技术。近场磁场探头在近场扫描中发挥了重要的作用，近场磁场探头的关键特性参数包括灵敏度、共模抑制比、空间分辨率、传输增益平坦度等。针对近场磁场探头的共模耦合抑制问题，工程师开发了具有高抑制比的近场磁场探头，这些近场磁场探头可以被分为两类：一种是利用屏蔽环和过孔栅栏来提高近场磁场探头的共模抑制比，另一种是通过设计多端口的近场磁场探头配合矢量网络分析仪器的混合S参数进行数据后处理来获得良好的共模抑制比。但并不是所有实验室的矢量网络分析仪都具有混合模式的功能，而且所需要的矢量网络分析仪至少需要具备3个端口，其中2个端口连接所设计的磁场探头的输出端口，另外1个端口要连接1个参考探头，来提供参考相位。具有混合模式的矢量网络分析仪的端口数量越多价格越昂贵，因此这种方法获得的高共模抑制比的近场磁场探头在工程上具有很大的局限性。针对近场磁场探头的灵敏度提高问题，工程师经常采用无源近场磁场探头外接低噪声放大器的方法，而近场磁场探头外接低噪声放大器后，近场磁场探头的物理尺寸会增大，增大了对被测件原有电磁场的扰动。

为了解决上述技术难题，满足电子行业的发展需求，针对近场扫描中近场磁场探头共模电场抑制比改善及灵敏度提高的技术需求，本发明设计了一种高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头。

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发明内容

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本发明设计了一种高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头，目的是提高磁场探头的灵敏度及改善磁场探头的共模抑制比，研制性能表现良好的磁场探头，实现对射频弱辐射水平的磁场信号的有效捕获，协助射频工程师完成对射频电子设备的故障诊断，为提升电子系统的电磁性能提供有利的测试手段。

为了满足上述目的，本发明的方案如下：

一种高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头，它至少由差分双环、集成巴伦和有源放大电路组成。

从该磁场探头的底部至顶部，所述的差分双环、集成巴伦、有源放大电路依次级联。

该磁场探头的设计与加工基于四层印刷电路板结构；所述的四层印刷电路板从底部至顶部，依次为底层、中间1层、中间2层和顶层。

所述的差分双环由2个中心镜像对称的接地单屏蔽环构成；所述的差分双环的作用是有效地感应外部变化的磁场；所述的差分双环在感应到外部的磁场变化以后可以输出差模感应电压；所述的接地单屏蔽环一端由接地过孔相连接到顶层和底层，一端与所述的集成巴伦的平衡输入端口相连接。

所述的集成巴伦为无源集成巴伦模块；所述的集成巴伦的差分功能可以抑制差分双环由于共模电场耦合导致的感应电压分量，同时将所述的差分双环由于磁场差模耦合导致的差模感应电压转换为单端共模电压；所述的差分双环和所述的集成巴伦的组合应用，极大改善了该磁场探头的共模抑制比。

所述的有源放大电路为两级射频有源放大电路；所述的有源放大电路输出端的输出信号流经共面波导中心导体、SMA连接器至测试仪器；所述的有源放大电路有效提高了该磁场探头的灵敏度；所述的有源放大电路采用放大器芯片设计，保证了该磁场探头的小型化。

本发明一种高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的有益效果是：

本发明设计的一种高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头具有小型化、高灵敏度和高共模抑制比的优点，可以在较为复杂的电磁环境(磁场弱辐射电场强辐射)下有效实现对磁场信号的捕获；本发明在磁场探头的结构设计方案中考虑到了测试的简便性，采用集成巴伦模块实现了差分到共模的转换，极大提高了测试的效率和工程应用的推广性；本发明中磁场探头各个部分结构实现方案简单，易于工程人员和研发人员掌握本发明中磁场探头的设计方案，同时成本低廉，易于在工程上进行推广应用。

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附图说明

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图1为高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的印刷电路板叠层结构图。

图2为高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的整体结构图。

图3为高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的校准测试装置图。

图4高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的频率特性仿真与测试曲线。

附图标号说明：

1-1：接地单屏蔽环，1-2：接地过孔，1-3：集成巴伦，1-4：耦合电容，1-5：放大器，1-6：同轴连接器，1-7：共面波导中心导体，1-8：SMA连接器2-1：微波暗室，2-2：矢量网络分析仪，2-3：端口1,2-4：端口2，2-5：校准微带线，2-6：匹配负载，2-7：直流电源，2-8：磁场探头，2-9：同轴线

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具体实施方式

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结合附图，进一步阐明高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的具体结构、各组成部分的功能以及各组成部分结构的位置关系。

需要说明的是，本文所使用的术语“正上方”、“顶部”、“底部”、以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述。

图1展示了本发明设计的高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的印刷电路板叠层结构，从底部至顶部，依次为底层、中间1层、中间2层和顶层。在本实施例中，2块0.213mm厚度的FR4(2116)板材作为四层印刷电路板的叠层结构中的半固化片，分别位于叠层结构中的顶端和底端。1块0.513mm厚度的覆铜FR4(S1000)板材位于叠层结构中的正中心。底层、中间1层、中间2层、顶层的铜的厚度均为0.035mm。本发明方案中采用的图1叠层结构简单、成本低廉，利于本发明的工程推广。

图2展示了本发明设计的高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的整体结构。从该探头底部至顶部，差分双环、集成巴伦1-4、有源放大电路、共面波导中心导体1-8、SMA连接器1-9依次级联。2个接地单屏蔽环1-1呈中心镜像对称结构，每1个接地单屏蔽环1-1的一端通过接地过孔1-2连接到顶层和底层地平面，另一端作为输出端。2个接地单屏蔽环构成差分双环，因此差分双环具有2个输出端。差分双环在感应到外部的磁场后，在其输出端输出差模电压，在感应到外部的电场后，在其输出端输出共模电压。在本实施例中，所设计的接地单屏蔽环1-1的环面物理尺寸为4.7mm×4.6mm。差分双环的两个输出端与集成巴伦1-3的2个平衡输入端口相连接。共面波导中心导体1-9的特性阻抗为50Ω，其阻抗参考平面位于顶层和中间2层。SMA连接器1-7的型号为美国西南微波292-04A-5，SMA连接器1-8与共面波导中心导体1-7压合式连接。

在本实施例中，外部的直流电源通过同轴连接器1-6给有源放大电路供电。有源放大电路为两级射频有源放大电路，每一级的射频有源放大电路之间的耦合电容1-4的电容值为2.2μF。集成巴伦1-3非平衡端口的输出信号经有源放大电路放大以后，获得大约38dB的增益。有源放大电路有效提高了所设计的磁场探头的灵敏度。

对本发明所设计的高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的频率特性进行测试，如图3所示，整个测试过程在微波暗室2-1中进行。在测试之前，对矢量网络分析2-2进行标准的双端口校准。校准微带线2-5提供时变的磁场源，矢量网络分析仪2-2的端口1 2-3通过同轴线2-9与磁场探头2-8相连接，矢量网络分析仪2-2的端口2 2-4通过同轴线2-9与校准微带线2-5一端相连接，校准微带线2-5的另一端端接匹配负载2-6。在本实例中，校准微带线2-5的特性阻抗为50Ω，匹配负载2-6的阻值为50Ω。直流电源2-7为磁场探头2-8的有源放大电路提供直流电源。磁场探头2-8置于校准微带线2-5正上方1mm处。在测试过程中矢量网络分析2-2的输出功率设定为-25dBm以保证有源放大电路中放大器芯片在线性区工作。高共模抑制比和高灵敏度的小型化有源差分磁场探头的频率特性仿真与测试曲线如图4所示，θ＝0°的频率特性数值结果与θ＝90°的频率特性数值结果之差即为设计的磁场探头的共模电场抑制。在工作频带内，本实例中，设计的磁场探头具有不低于35dB的共模抑制比。从S₁₂的角度来看，设计的磁场探头在工作频带内具有较高的灵敏度和较高的共模抑制比。

需要指出的是，本发明公开的技术手段、设计方法不仅限于本发明，同时也适用于结合本发明设计思想、发明方法、技术手段以及本发明所述的技术特征所衍生出的其它方案、发明方法、发明产品，因此这些所衍生出的其它方案、发明方法、发明产品都应视为本发明保护的范围。