開(kāi)展了X波段非接觸式射頻探針的研究工作，以利于微波組件的調(diào)試

摘要:本文以X波段非接觸式探針為設(shè)計(jì)對(duì)象，參照單極子微帶天線設(shè)計(jì)方法，將50ohm微帶線延伸出去，形成C形環(huán)結(jié)構(gòu)，并將這部分的地去處，達(dá)到圈住信號(hào)傳輸線周圍的磁場(chǎng)構(gòu)成磁耦合的目的。為了加強(qiáng)磁耦合，在C形環(huán)附近添加去地的反向C形微帶線結(jié)構(gòu)以加強(qiáng)耦合，并調(diào)節(jié)耦合平坦度。根據(jù)仿真模型制作了實(shí)物，探針置于被測(cè)微帶傳輸線上方可獲得耦合信號(hào)，在X波段范圍內(nèi)，耦合量在-19～-23dB之間。

１引言

微波組件向著集成、小型化方向發(fā)展，很多組件采用裸芯片工藝進(jìn)行貼裝（比如T/R組件），常規(guī)的測(cè)試排故方法已難以滿足現(xiàn)代化測(cè)試要求，比如射頻板通過(guò)焊接半截線引出信號(hào)測(cè)試的方法，已完全不適合高集成度、高凈化度的組件測(cè)試。據(jù)此，本文開(kāi)展了X波段非接觸式射頻探針的研究工作，以利于微波組件的調(diào)試[1]。

信號(hào)在微帶傳輸線上傳輸時(shí)，在其周圍存在閉環(huán)的磁場(chǎng)，當(dāng)外部線圈或外部微帶線圈住一定磁通量時(shí)，變化的磁場(chǎng)就產(chǎn)生變化的電流，進(jìn)而就可通過(guò)耦合的方式探測(cè)出信號(hào)。相比于半截線測(cè)試射頻信號(hào)時(shí)，這種磁耦合方式無(wú)需額外接地。一般情況下，當(dāng)該非接觸式探針與被測(cè)對(duì)象接觸時(shí)，短路危險(xiǎn)系數(shù)較低（與微帶線不直接接觸）[2]。另外，X波段信號(hào)耦合量小于-15dB時(shí)，對(duì)主路信號(hào)無(wú)影響，在探測(cè)信號(hào)的同時(shí)不影響系統(tǒng)正常工作[3,4]。

本探針采用的微帶形式借鑒單極子天線設(shè)計(jì)方法，將用于探測(cè)的微帶線底部的地去掉，從而形成開(kāi)放的電磁耦合結(jié)構(gòu)。調(diào)整用于探測(cè)的微帶線的長(zhǎng)度與寬度可將空間波阻抗變換到50ohm，從而實(shí)現(xiàn)匹配。本文創(chuàng)新點(diǎn)在于采用C形環(huán)達(dá)到空間磁耦合目的，從而將近場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電流，達(dá)到測(cè)試信號(hào)功率的目的。本文還有一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于采用互補(bǔ)磁耦合環(huán)結(jié)構(gòu)，不僅加強(qiáng)了耦合，還可以調(diào)節(jié)耦合平坦度。該微帶探針不僅可以應(yīng)用于X波段信號(hào)探測(cè)，對(duì)于其他頻段信號(hào)也可以探測(cè)（耦合度需要測(cè)試），因此該探針也能作為測(cè)試電磁泄漏的工具，在電磁空間探測(cè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。該探針?biāo)捎玫慕Y(jié)構(gòu)能被其他頻段射頻探針設(shè)計(jì)借鑒，是實(shí)用性很強(qiáng)的產(chǎn)品。

２ C形缺地微帶探針?lè)抡?/p>

2.1 類單極子C形缺地探針設(shè)計(jì)

四分之一波長(zhǎng)單極子天線要求延伸出的輻射電長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，其輻射場(chǎng)分為近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)，近場(chǎng)是比較復(fù)雜的電磁耦合轉(zhuǎn)換環(huán)境。本節(jié)所設(shè)計(jì)的類單極子C形缺地探針長(zhǎng)度也為四分之一波長(zhǎng)，利用近場(chǎng)的磁生電的原理進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。其結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示，主體由微帶50ohm饋線和C形缺地線組成：

圖1 C形缺地探針結(jié)構(gòu)示意圖

C形缺地線電長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)：

其中，c為光速，f為工作頻率，Er為相對(duì)介電常數(shù)。

該結(jié)構(gòu)的探針耦合度主要取決于與探測(cè)對(duì)象之間的距離以及C形環(huán)的開(kāi)口大小。注意：該探針C形環(huán)必須與所測(cè)對(duì)象平行！

下面仿真分析了探測(cè)對(duì)象與C形環(huán)的距離對(duì)耦合度的影響。當(dāng)C形環(huán)與背測(cè)微帶信號(hào)線平行相距1mm、1.2mm、1.4mm時(shí)，其耦合度在10GHz分別達(dá)到-19.45dB、-21.74dB、-23.46dB，其仿真結(jié)果如下圖2所示：

（1）相距1mm

（2）相距1.2mm

（3）相距1.4mm

圖2探針與被測(cè)對(duì)象的不同耦合距離的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，當(dāng)隨著耦合間距的加大，耦合度也在減小，而且x波段耦合度不平坦，達(dá)到7dB以上的幅度波動(dòng)。由于C形環(huán)長(zhǎng)度較小，且與頻率相關(guān)，因此本節(jié)不對(duì)C形環(huán)的長(zhǎng)度做相關(guān)仿真分析。

2.2增強(qiáng)型C型探針設(shè)計(jì)

由上節(jié)分析可知，C形環(huán)探測(cè)信號(hào)的耦合度受制于耦合間距。在間距達(dá)到1mm的情況下，在10GHz才達(dá)到-19.45dB。為了增強(qiáng)耦合度，本節(jié)在C形環(huán)旁邊添加了與它相反的C形環(huán)，達(dá)到電磁耦合互補(bǔ)，增加耦合度的作用。其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3所示。

圖3 增強(qiáng)型C形缺地探針結(jié)構(gòu)示意圖

添加的C形環(huán)受到相同的磁場(chǎng)耦合，產(chǎn)生與主線相反的電流，從而對(duì)主線進(jìn)行二次耦合，增強(qiáng)了主線的耦合度。仿真了1mm耦合間距的耦合度，仿真結(jié)果如下圖4所示。在10GHz耦合-18.72dB，x波段耦合度-17.25~-19.27dB，波動(dòng)2dB左右。

圖4 增強(qiáng)型C形缺地探針1mm耦合間距仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果分析可知，添加的反向C形環(huán)不僅增加了耦合度，而且具備調(diào)節(jié)耦合平坦度的功能。

2.3非接觸式C形微帶探針實(shí)測(cè)

根據(jù)上節(jié)仿真結(jié)果制作了實(shí)物，如下圖5所示。下方微帶直通線與探針平行耦合的間距為1mm，測(cè)得X波段探針耦合度為-19dB~-23dB，與仿真值偏離不大。

圖5 C形微帶探針實(shí)物圖

3結(jié)論

針對(duì)微波組件的探測(cè)需求，提出一種X波段非接觸式微帶探針結(jié)構(gòu)，以便于信號(hào)檢測(cè)。本探針采用的微帶形式借鑒單極子天線設(shè)計(jì)方法，將用于探測(cè)的微帶線底部的地去掉，從而形成開(kāi)放的電磁耦合結(jié)構(gòu)。調(diào)整用于探測(cè)的微帶線的長(zhǎng)度與寬度可將空間波阻抗變換到50ohm，從而實(shí)現(xiàn)匹配。該結(jié)構(gòu)形式易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)工藝無(wú)特殊要求，可適合于微組裝產(chǎn)品的測(cè)試排故。

參考文獻(xiàn)

1Arriola W A, et al. Wideband 3 dB branchline co upler basedon ( / 4 open circuited coupled lines [ J] . IEEE MicrowaveandWireless Component Letters, 2011, 21( 9) : 486- 488.

2Reed J.and Wheeler G..J..A method ofanalysis of symmetrical four-port networks[J].IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques,1956,50(4):246-252

3Shry-Sann Liao,Pou-Tou Sun,Nien-ChungChin,and Jen-Tee Peng,“A Novel Compact-SizeBranch-LineCoupler,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.15,no.9,pp.588–590,Sep.2005.

4陳振國(guó)等. 微波技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用. 人民郵電出版社.