摘要

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，我們使用數值模擬和實驗分析比對了傳統金屬近場探棒跟新型的微光子主動近場探棒。數據顯示傳統探頭在近場區域很容易與待測物產生嚴重的影響，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。

簡述

傳統手持式EMI近場探頭這幾十年來一直都是EMC工程師用來調試的工具。此探頭最初是為在相對低的頻率下使用而開發的，而今天已經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化的EMC探頭用以在整個微波譜內擁有微米級的分辨率。然而，基本原理在幾十年內不變，意味著當探頭非常靠近被測設備（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的金屬探頭與SPEAG開發的微光子TDS-SNI探頭針對于待測物產生的互擾影響的比對分析。

問題描述

EMC近場探頭在使用中經常很靠近DUT。因此探頭應接近于DUT的原始環境，防止局部電磁場分布的失真。在靠近待測物時，由于傳統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開發的SEMCAD電磁仿真軟件進行的數值仿真中所提取出來的回波損耗（S11)，包括無探棒、傳統探棒與電磁隔離探棒所產生的結果。

圖二清楚的說明有3dB的偏移是因為傳統探頭靠近并強烈影響待測物電磁場的結果，這種影響在現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) 傳統探頭

傳統探頭

圖3示出了幾種常用的傳統近場EMC感應探頭的設計。如在引言中所述，以往的主要優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（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（圖3d）。

圖3為常規的EMC探頭的不同設計。a）簡單的屏蔽環探頭，b）不對稱屏蔽環探頭，c）對稱屏蔽環探頭d）具有共模抑制的屏蔽環探頭。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。

主動微光子探頭

瑞士SPEAG和瑞士IT’IS基金會合作開發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。

傳統傳統與光子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送來的900 MHz信號。用TDS探頭測量的信號被頻譜分析儀連續監測。

圖7、實驗來評估由傳統的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無線發射裝置和頻譜分析儀。

在圖8中，數據為待測物被具有中等大小（10mm）的傳統的EMC環探頭接近所測量，并通過參考探頭連續記錄檢測的光譜場變化。當傳統的EMC探頭在DUT的鎖相回路（PLL）電路的附近，PLL解鎖和DUT產生額外電磁干擾。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。電介質的EMC探頭不會干擾PLL，且沒有額外的諧波內容出現在頻譜分析儀上。

結論

綜上所述，使用傳統的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信號并且不會產生額外的干擾信號。由于不當的近場探頭所引入的不必要的誤報，也是產生昂貴成本和費時費力重新設計的原因。

參考文獻

[1] H. Whiteside and R. King, "The loop antenna as a probe, " IEEE Trans. Antennas and Propagation，vol. 12, pp. 291-297, 1964.
[2] N. Ando, N. Masuda，N. Tarnaki, T. Kuriyama, S. Saito, K. Kato, K. Ohashi, M. Saito and M. Yarnaguchi, "Miniaturized thin-film magnetic field probe with high spatial resolution for LSI chip measurement, " in International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Santa Clara, 2004.
[3] A. Kramer, P. Muller, U. Lott, N. Kuster and F. Bomholt, "Electro-optic fiber sensor for amplitude and phase detection of radio frequency electromagnetic fields, " Optics letters，vol. 31, no. 16, p. 2402–2404, 2006.

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

本文刊登于微波射頻網旗下《微波射頻技術》雜志 2016電磁兼容?？唇浽试S謝絕轉載。