一种X波段非接触式C形微带探针设计

shuszhao · 发表于 2018-1-27 15:50:44

本文以X波段非接触式探针为设计对象，参照单极子微带天线设计方法，将50ohm微带线延伸出去，形成C形环结构，并将这部分的地去处，达到圈住信号传输线周围的磁场构成磁耦合的目的。为了加强磁耦合，在C形环附近添加去地的反向C形微带线结构以加强耦合，并调节耦合平坦度。根据仿真模型制作了实物，探针置于被测微带传输线上方可获得耦合信号，在X波段范围内，耦合量在-19～-23dB之间。

１引言

微波组件向着集成、小型化方向发展，很多组件采用裸芯片工艺进行贴装（比如T/R组件），常规的测试排故方法已难以满足现代化测试要求，比如射频板通过焊接半截线引出信号测试的方法，已完全不适合高集成度、高净化度的组件测试。据此，本文开展了X波段非接触式射频探针的研究工作，以利于微波组件的调试[1]。

信号在微带传输线上传输时，在其周围存在闭环的磁场，当外部线圈或外部微带线圈住一定磁通量时，变化的磁场就产生变化的电流，进而就可通过耦合的方式探测出信号。相比于半截线测试射频信号时，这种磁耦合方式无需额外接地。一般情况下，当该非接触式探针与被测对象接触时，短路危险系数较低（与微带线不直接接触）[2]。另外，X波段信号耦合量小于-15dB时，对主路信号无影响，在探测信号的同时不影响系统正常工作[3,4]。

本探针采用的微带形式借鉴单极子天线设计方法，将用于探测的微带线底部的地去掉，从而形成开放的电磁耦合结构。调整用于探测的微带线的长度与宽度可将空间波阻抗变换到50ohm，从而实现匹配。本文创新点在于采用C形环达到空间磁耦合目的，从而将近场能量转化为电流，达到测试信号功率的目的。本文还有一个创新点在于采用互补磁耦合环结构，不仅加强了耦合，还可以调节耦合平坦度。该微带探针不仅可以应用于X波段信号探测，对于其他频段信号也可以探测（耦合度需要测试），因此该探针也能作为测试电磁泄漏的工具，在电磁空间探测领域具有一定的应用价值。该探针所采用的结构能被其他频段射频探针设计借鉴，是实用性很强的产品。

２ C形缺地微带探针仿真

2.1 类单极子C形缺地探针设计
四分之一波长单极子天线要求延伸出的辐射电长度为四分之一波长，其辐射场分为近场与远场，近场是比较复杂的电磁耦合转换环境。本节所设计的类单极子C形缺地探针长度也为四分之一波长，利用近场的磁生电的原理进行信号探测。其结构图如下图1所示，主体由微带50ohm馈线和C形缺地线组成：

图1 C形缺地探针结构示意图
C形缺地线电长度为四分之一波长：

其中，c为光速，f为工作频率，Er为相对介电常数。
该结构的探针耦合度主要取决于与探测对象之间的距离以及C形环的开口大小。注意：该探针C形环必须与所测对象平行！
下面仿真分析了探测对象与C形环的距离对耦合度的影响。当C形环与背测微带信号线平行相距1mm、1.2mm、1.4mm时，其耦合度在10GHz分别达到-19.45dB、-21.74dB、-23.46dB，其仿真结果如下图2所示：

（1）相距1mm

（2）相距1.2mm

（3）相距1.4mm
图2探针与被测对象的不同耦合距离的仿真结果
仿真结果表明，当随着耦合间距的加大，耦合度也在减小，而且x波段耦合度不平坦，达到7dB以上的幅度波动。由于C形环长度较小，且与频率相关，因此本节不对C形环的长度做相关仿真分析。
2.2增强型C型探针设计
由上节分析可知，C形环探测信号的耦合度受制于耦合间距。在间距达到1mm的情况下，在10GHz才达到-19.45dB。为了增强耦合度，本节在C形环旁边添加了与它相反的C形环，达到电磁耦合互补，增加耦合度的作用。其结构示意图如下图3所示。

图3 增强型C形缺地探针结构示意图
添加的C形环受到相同的磁场耦合，产生与主线相反的电流，从而对主线进行二次耦合，增强了主线的耦合度。仿真了1mm耦合间距的耦合度，仿真结果如下图4所示。在10GHz耦合-18.72dB，x波段耦合度-17.25~-19.27dB，波动2dB左右。

图4 增强型C形缺地探针1mm耦合间距仿真结果
由仿真结果分析可知，添加的反向C形环不仅增加了耦合度，而且具备调节耦合平坦度的功能。
2.3非接触式C形微带探针实测
根据上节仿真结果制作了实物，如下图5所示。下方微带直通线与探针平行耦合的间距为1mm，测得X波段探针耦合度为-19dB~-23dB，与仿真值偏离不大。

图5 C形微带探针实物图

3 结论

针对微波组件的探测需求，提出一种X波段非接触式微带探针结构，以便于信号检测。本探针采用的微带形式借鉴单极子天线设计方法，将用于探测的微带线底部的地去掉，从而形成开放的电磁耦合结构。调整用于探测的微带线的长度与宽度可将空间波阻抗变换到50ohm，从而实现匹配。该结构形式易于实现，对工艺无特殊要求，可适合于微组装产品的测试排故。