一種大工作空間近場掃描系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)及電中心校準(zhǔn)

劉 浩，趙 遠(yuǎn)，閆麗萍，趙 翔*

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225)

0 引言

隨著高速集成電路和高頻電路的迅猛發(fā)展，電路復(fù)雜度和時鐘頻率的不斷提升帶來了日益嚴(yán)重的電磁兼容問題。由于電磁兼容問題中普遍存在的復(fù)雜電路/幾何/物理結(jié)構(gòu)條件下的場-路混合、多尺度問題(建模與分析困難)以及知識產(chǎn)權(quán)(未公開電路內(nèi)部結(jié)構(gòu))等原因，使用全波仿真技術(shù)進(jìn)行電磁兼容分析常常會耗費(fèi)巨大的計算代價亦或是無法進(jìn)行建模[1]。因此，使用近場掃描系統(tǒng)，通過掃描待測設(shè)備(DUT)的輻射近場，從而明確每一個電子元器件乃至整個系統(tǒng)的電磁輻射特征[2-3]，以此推導(dǎo)等效模型[4-5]的方法被運(yùn)用到越來越多的電磁兼容研究當(dāng)中，成為診斷和分析電磁兼容問題的有效方法[6-8]。

目前，最具代表性的近場掃描系統(tǒng)為加拿大EMSCAN研制的EMSCAN系統(tǒng)和瑞典DetectusAB公司推出的EMC-Scanners系統(tǒng)。其中，EMSCAN系統(tǒng)是由1 218個小型磁場探頭組成的探頭陣列，工作空間為316 mm×218 mm，空間分辨率為7.5 mm，具有實時連續(xù)掃描、捕捉瞬態(tài)電磁干擾的優(yōu)點，但其價格昂貴，且探頭固定，無法根據(jù)需求進(jìn)行更換；EMC-Scanners為單探頭逐點掃描系統(tǒng)，其工作空間為300 mm×200 mm×100 mm，最小步進(jìn)間隔1 mm，可擴(kuò)展性差且同樣價格昂貴。因此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套工作空間為600 mm×700 mm×600 mm，最小步進(jìn)間隔0.05 mm，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能進(jìn)行頻域測量且價格適中的電磁近場掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)以計算機(jī)為核心，通過串口連接的方式控制三軸運(yùn)動平臺按照預(yù)先設(shè)置的掃描范圍、路徑及步長運(yùn)動。通過LAN口連接的方式控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，讀取儀器探測的數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中存儲。經(jīng)過校準(zhǔn)后，系統(tǒng)可檢測DUT的近場磁場特性，定位輻射源。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件主要由機(jī)械傳動單元(支撐平臺、機(jī)械運(yùn)動平臺)、信號單元(近場探頭、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)和計算機(jī)單元3部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在進(jìn)行頻域測量時，信號單元啟用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)Agilent E8363C的1端口提供輸出信號給DUT，2端口接收輸入信號。計算機(jī)單元通過串口控制機(jī)械傳動單元運(yùn)動到指定位置后，等待探頭進(jìn)行測量。在探頭完成單點測量后，信號單元將測量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)單元中存儲。之后，機(jī)械傳動單元在計算機(jī)單元的控制下移動到下一個位置，再次進(jìn)行測量。如此循環(huán)直到遍歷完所有測量點。

圖1 近場掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the near-field scanning system

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文基于虛擬儀器平臺LabVIEW開發(fā)了一套控制系統(tǒng)[9]。在該平臺下編寫的近場掃描系統(tǒng)的前面板軟件界面如圖2所示。

圖2 近場掃描系統(tǒng)的前面板Fig.2 Front panel of the near-field scanning system

近場掃描系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。

圖3 近場掃描系統(tǒng)程序框圖Fig.3 Program flow chart of the near field scanning system

通過圖3所示的連線實現(xiàn)程序的運(yùn)行邏輯，再通過圖2所示的前面板選擇掃描的起始位置、掃描范圍、掃描步長及掃描速度等；選擇啟用相應(yīng)的儀器，設(shè)置相應(yīng)的采集頻率及采集點數(shù)。點擊運(yùn)行按鈕開始數(shù)據(jù)采集，并將采集回的信號傳遞給計算機(jī)單元，生成以當(dāng)前程序開始運(yùn)行時間為名的文本文檔儲存。當(dāng)掃描完設(shè)定范圍后，機(jī)械傳動單元按照預(yù)先的設(shè)置返回零點。停止按鈕實現(xiàn)緊急停止功能，按鈕被按下后，程序停止運(yùn)作，機(jī)械傳動單元停止運(yùn)動。

利用虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與儀器的連通，基于可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令對儀器進(jìn)行控制，實現(xiàn)了對VNA測量狀態(tài)以及測量數(shù)據(jù)的讀取。通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)了對三軸運(yùn)動裝置的控制，使運(yùn)動控制裝置在根據(jù)接收到的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動的同時，反饋自身的運(yùn)動狀態(tài)，從而能夠根據(jù)掃描需求進(jìn)行多平面蛇形運(yùn)動[10]及指定步長運(yùn)動。

在進(jìn)行近場掃描過程中，要保證程序的魯棒性，尤其是發(fā)生錯誤時對其進(jìn)行定位排查的能力，同時也要保證設(shè)備運(yùn)行的安全性，確保DUT和探頭不會因為操作者的錯誤設(shè)置而受到損壞。因此本文對每一個子虛擬儀器進(jìn)行了錯誤處理設(shè)計，以保證發(fā)生錯誤時，能根據(jù)錯誤代碼和錯誤提示迅速定位到錯誤的發(fā)生點；設(shè)計了對位置信息的負(fù)反饋，以確保掃描位置時刻處于工作空間內(nèi)；設(shè)置了緊急停止指令，以保證當(dāng)程序未能檢查到的錯誤發(fā)生時，操作者能迅速手動中止一切機(jī)械動作。

3 探頭因子的校準(zhǔn)

在進(jìn)行近場掃描的過程中，探頭檢測出的是傳感器耦合的輸出電壓，而不是等效建模所需的場值實際大小，因此定義探頭因子PF用于測得磁場的校準(zhǔn)：

(1)

式中，U(f)為探頭測得的電壓信號(單位：V)；H(f)為探頭所在位置處的磁場強(qiáng)度值(單位：A/m)。通過PF可以實現(xiàn)從電壓信號到磁場強(qiáng)度信息的轉(zhuǎn)換。PF值只與測量系統(tǒng)本身有關(guān)，與DUT無關(guān)。

為獲得PF值，以特征阻抗為50 Ω的微帶線作為校準(zhǔn)件[11]。根據(jù)本文系統(tǒng)的測量原理，將U(f)取值為VNA測得的正向電壓傳輸系數(shù)模值|S21|，即校準(zhǔn)件的激勵電壓信號強(qiáng)度為1 V時探頭測得的電壓值；H(f)取為全波仿真軟件計算得到的校準(zhǔn)件在同樣激勵條件下探頭位置處的磁場強(qiáng)度(對應(yīng)分量)大小。

校準(zhǔn)時探頭的校準(zhǔn)路徑(虛線)如圖4所示。

壓汞孔隙分析是目前測量孔隙分布的經(jīng)典方法，適合測試干燥試樣的孔隙分布。初始壓實狀態(tài)下的試樣孔隙分布特征如圖6所示。

圖4 校準(zhǔn)時探頭的校準(zhǔn)路徑(虛線)Fig.4 Calibration path of probe

校準(zhǔn)時，磁場探頭位于微帶線PCB板上方，使探頭按照如圖4中虛線所示校準(zhǔn)路徑掃過校準(zhǔn)件，測得校準(zhǔn)件在X方向磁場對應(yīng)的輸出電平。為排除掃描時環(huán)境噪聲對測量的影響，通過增大VNA端口的輸入功率、降低中頻帶寬以及控制測量高度的方式保證測量時其有用信號大于環(huán)境噪聲20 dB。

磁場探頭所測得結(jié)果取決于探頭線圈所包圍區(qū)域的磁場均值，而不是一個確定位置的場值。把測得的場強(qiáng)數(shù)據(jù)應(yīng)用到等效建模的過程中，需要測得的場值對應(yīng)一個確定的空間位置。為此，假定探頭所測得的場值數(shù)據(jù)對應(yīng)一個確定的空間點且該點的仿真數(shù)據(jù)與得到的測量數(shù)據(jù)匹配度最高，稱該點為探頭的電中心(Electrical Center，EC)。值得注意的是，EC位置與探頭線圈的幾何中心(Geometric Center，GC)不一定重合[12]，如圖5所示。

圖5 探頭電中心和幾何中心示意Fig.5 Schematic diagram of probe electrical center and geometric center

圖6為校準(zhǔn)件近場輻射的理論Hx分量和掃描測量重建的重建Hx分量，包括在921 MHz時，校準(zhǔn)路徑上GC高度為3 mm的測量數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的一系列EC高度從1.5～4.5 mm的仿真數(shù)據(jù)。做圖時，對每組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行以其最大值做歸一化并取對數(shù)處理。

圖6 在校準(zhǔn)路徑上不同高度的X方向磁場強(qiáng)度Fig.6 Hx component at different heights on calibration paths

為了確定EC的具體位置，文獻(xiàn)[13]提出了一種基于相關(guān)系數(shù)的校準(zhǔn)方法：

(2)

式中，xi為測量數(shù)據(jù)；yi為仿真數(shù)據(jù)；Rxy為該組測量數(shù)據(jù)與該組仿真數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)。利用該方法計算出在921 MHz、GC高度為3 mm時對應(yīng)的EC高度為3.2 mm，其X方向磁場強(qiáng)度如圖7所示。

為檢驗該方法得到的EC位置是否具有普適性，本文對不同GC高度、不同頻率的EC進(jìn)行了測定和計算，結(jié)果如表1所示。在選取2.0，2.5，3.0，3.5 mm四個不同的GC高度時，其對應(yīng)EC的PF具有一定差異。當(dāng)選定同一EC時，不同頻率下，其EC和GC的偏差不完全相同；當(dāng)選定同一頻率時，不同EC下，其EC和GC的偏差也不完全相同。由此說明，當(dāng)測量高度或測量頻率發(fā)生變化時，EC也會隨之變化。因此，在進(jìn)行近場掃描時面對不同的測量高度和不同的測量頻率，均應(yīng)先計算其EC，再根據(jù)選取的EC通過式(1)計算PF。

圖7 與校準(zhǔn)路徑上X方向磁場強(qiáng)度的測量數(shù)據(jù)為最佳匹配的仿真數(shù)據(jù)Fig.7 Measurement data and simulation data for Hx component on calibration paths-in best correlation case

表1 不同頻率不同GC下對應(yīng)的EC及其PF
Tab.1 CorrespondingECand itsPFat different frequencies andGC

頻率/GHzGC/mm2.02.53.03.5EC/mmPF/A·m-1·V-1EC/mmPF/A·m-1·V-1EC/mmPF/A·m-1·V-1EC/mmPF/A·m-1·V-10.332.35179.522.95176.253.50172.833.95180.760.482.30131.642.90128.083.50124.994.10121.210.622.35107.942.95104.903.10121.094.10101.930.772.4094.153.0091.553.15105.423.75102.110.922.4080.292.6589.463.2088.333.7586.921.072.2070.822.7071.153.2071.543.8568.071.222.2558.862.7559.343.3058.703.9057.051.372.3056.582.8555.963.3556.573.9554.931.522.4058.382.8061.573.4059.684.0058.191.662.3562.102.8063.923.4560.944.1058.341.812.3057.342.8057.953.4555.013.6562.111.962.3047.232.7548.673.5044.483.7050.172.112.2542.452.8041.953.0546.843.6545.122.262.2044.732.8542.213.1047.313.6047.372.412.2051.102.9047.483.1553.153.6553.34

4 測試結(jié)果及分析

為驗證近場掃描系統(tǒng)的可行性和探頭因子的準(zhǔn)確性，對某DUT進(jìn)行了頻域近場磁場掃描，其主體是尺寸為80 mm×50 mm×1.5 mm，材質(zhì)為FR4的PCB板；板的一面有如圖8所示的微帶線，另一面為接地面。激勵端連接VNA作為其輸入信號，2個負(fù)載端分別連接50 Ω的匹配負(fù)載。DUT的照片如圖9所示。按文獻(xiàn)[14-15]的頻域測量建議，設(shè)置掃描高度，即探頭GC據(jù)DUT的距離為3 mm，掃描步長1 mm，掃描范圍80 mm×50 mm。

圖8 DUT示意(單位：mm)Fig.8 Schematic diagram of the DUT with several microstrips(unit：mm)

圖9 DUT實物Fig.9 Photograph of the DUT

利用PF，將近場探頭得到的電壓信號轉(zhuǎn)換為場強(qiáng)的絕對值，獲得磁場強(qiáng)度分量近場分布圖。本文以921 MHz頻點為例，給出其測量數(shù)據(jù)如圖10和圖12所示以及仿真數(shù)據(jù)如所圖11和圖13示。可以看出，測量數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)有很好的一致性，在總體上能反映DUT的近場磁場信息。

圖10 921 MHz頻點的測量Hx分布Fig.10 Measured Hx eld mapping at 921 MHz

圖11 921 MHz頻點的仿真Hx分布Fig.11 Simulated Hx eld mapping at 921 MHz

圖12 921 MHz頻點的測量Hy分布Fig.12 Measured Hy eld mapping at 921 MHz

圖13 921 MHz頻點的仿真Hy分布Fig.13 Simulated Hy eld mapping at 921 MHz

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種電磁兼容近場掃描系統(tǒng)，通過計算機(jī)對VNA、機(jī)械運(yùn)動平臺進(jìn)行聯(lián)動控制，實現(xiàn)了對DUT的近場磁場掃描功能。用戶可自定義掃描步長和三維掃描范圍，根據(jù)DUT進(jìn)行調(diào)整以平衡掃描的準(zhǔn)確性和掃描效率。對不同高度、不同頻率下的EC和PF進(jìn)行了測定，提出在測量頻率或測量高度發(fā)生變化時應(yīng)重新測定和計算探頭EC及PF的建議。實驗結(jié)果和仿真結(jié)果良好的一致性驗證了本文近場掃描系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)還具有良好的可擴(kuò)展性，如進(jìn)一步開發(fā)運(yùn)動控制系統(tǒng)使其可根據(jù)場強(qiáng)變化做自適應(yīng)步長運(yùn)動以減少掃描時間，將VNA更換為示波器等其他設(shè)備實現(xiàn)時域測量以及其他更多類型的測量，利用其工作空間達(dá)到600 mm×700 mm×600 mm的特性，對中小型腔體通過孔縫外泄的輻射近場進(jìn)行測量。