利用印制电路板制作的光电式电场近场探头的制作方法
【专利摘要】本发明利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，涉及测量电磁变量的测量探针，其构成包括可调电源、电缆、激光器、黑皮光缆、固定孔、硅光电池阵列、微带隙结构、信号输出端子、信号线屏蔽、带状线、敷铜地、补偿电容和限流电阻；本发明是一种利用印制电路板制作的采用带状线和微带隙结构的微型接收天线，使用可调功率激光对探头电路进行电容参数调整，克服了现有电场近场探头易受干扰、探头频率测量范围窄和探头尺寸大的缺陷。
【专利说明】
利用印制电路板制作的光电式电场近场探头
技术领域
[0001] 本发明的技术方案涉及测量电磁变量的测量探针，具体地说是利用印制电路板制 作的光电式电场近场探头。
【背景技术】
[0002] 电子技术和电磁兼容的快速发展，带动了电子测量技术的进步，各种电子设备的 电磁兼容和辐射问题日益突显，针对电场近场探测的新技术和新设备层出不穷，作为电场 近场测量的核心部件，电场近场探头的性能参数成为制约整个电场测量系统的关键，其测 量频率范围、灵敏度和精度是主要的决定因素。为了适应较宽的频率范围，现有的电场测量 系统往往使用不同频段的探头联合测量，且探头尺寸较大，不能适应越来越小的微型电路 和越来越高的频率范围。
[0003] CN2869870Y公开了一种用于电磁兼容性近场测试的电场探头，但存在如下缺陷： ①探头制作工艺较复杂，不能保证批量生产的性能一致性;②探头测量频率范围有限;③测 量精度不高;④探头需借助低噪声功率放大器将探头微小信号放大，信号受干扰度较大。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供利用印制电路板制作的光电式电场近场探 头，是一种利用印制电路板制作的采用带状线和微带隙结构的微型接收天线，使用可调功 率激光对探头电路进行电容参数调整，克服了现有电场近场探头易受干扰、探头频率测量 范围窄和探头尺寸大的缺陷。
[0005] 本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:利用印制电路板制作的光电式电场 近场探头，是一种利用印制电路板制作的采用带状线和微带隙结构的微型接收天线，其构 成包括可调电源、电缆、激光器、黑皮光缆、固定孔、硅光电池阵列、微带隙结构、信号输出端 子、信号线屏蔽、带状线、敷铜地、补偿电容和限流电阻；上述部件的连接方式是:可调电源 通过电缆给激光器供电，激光器发出的激光经黑皮光缆传送到硅光电池阵列，硅光电池阵 列将不同功率的激光转换成电能并形成不同的电压，其后级通过限流电阻连接到利用印制 电路板上的铜箱走线制作的带状线上，具体说是将电压施加到带状线上，补偿电容被安置 在带状线和敷铜地之间，补偿电容是由两个51pF贴片电容和一个可变电容二极管组成，该 可变电容二极管和带状线相连以此接调整可调电源的输出功率，即调整激光器的激光发射 功率，进而改变施加到带状线上的电压，对应带状线的垂直位置利用敷铜地设计出利用印 制电路板上的铜箱走线制作的微带隙结构，在印制电路板和黑皮光缆的连接处设置固定 孔，在固定孔处利用螺丝扣将印制电路板和黑皮光缆固定在一起，在黑皮光缆旁边设置信 号输出端子，通过焊接到印制电路板上的SMA端子将信号引出，信号线屏蔽是根据四层印制 电路板中间倒F帶狀线的信号传输线的走向而设置的过孔，这些过孔构成一条作为信号护 送带的信号线屏蔽，将印制电路板的顶层和底层敷铜地相连通，微带隙结构与探头整体印 制电路板表面覆铜形成谐振效应，感应到空间的电场变化后，感应信号经过信号线屏蔽传 送到信号输出端子，由信号输出端子将信号输出到EMI测试仪即完成对信号的分析与图形 显不〇
[0006] 上述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，所述可调电源的输入电压为交 流220伏，电源的输出电流为直流，最大输出电流为1.5A，输出电压在0V到5V之间连续可调， 采用的可调电压芯片的型号为LM2596。
[0007] 上述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，所述激光器的型号为LD-E650H05,激光波长为650nm，功率为250mW，工作电压为直流3.3V到5V。
[0008] 上述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，所述黑皮光缆为直径3mm的导 光光缆。
[0009] 上述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，所述带状线以倒F天线为参考， 两条天线横臂的长为2.6mm，横臂的线宽为0.15mm，竖臂的长为6mm，竖臂的线宽为0.3mm，两 条横臂的间距为3mm，所述微带隙结构是在印制电路板的顶层和印制电路板的底层对应倒F 天线横臂的位置，其长宽均为2.4mm，去除此区域内的敷铜地，开口缝隙为0.15mm。
[0010] 上述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，所述补偿电容是由两个51pF贴 片电容和一个可变电容二极管组成，可变电容二极管和带状线相连接。
[0011] 上述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，所述印制电路板上的铜箱的厚 度是35um。
[0012] 上述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其所有构成零部件均通过公知 途径获得，所有构成零部件的安装和连接方式是本领域技术人员所能掌握的。
[0013] 本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点如下：
[0014] (1)本发明的设计的方法是:借助CST-MWS微波工作室仿真设计软件，对FR4材质中 嵌入带状线和表面设计微带隙结构进行建模仿真，利用参数扫描功能，对不同的带状线和 微带隙结构尺寸仿真得出不同的探头谐振频率，对比不同结果，选定尺寸和谐振频率比较 合适的参数来设计实际应用的利用印制电路板制作的光电式电场近场探头。实际应用的利 用印制电路板制作的光电式电场近场探头制作完成后利用矢量网络分析仪对其单端口接 收的S11参数进行测量，确定前期仿真设计的准确性，最后结合EMI测试仪和标准电场近场 探头对PCB探头的频率范围和灵敏度进行测定。
[0015] (2)本发明采用带状线和微带隙结构的微型接收天线，对电子设备或电路板进行 电场近场探测，设计思路明确，利用印制电路板制作的光电式电场近场探头采用光电式供 电方式，在保证抗干扰的前提下，实时对探头的测量主频率和灵敏度进行适度调节，在仿真 和实际测试中，该探头频率测量范围优于大部分同类测试探头。
[0016] (3)本发明的探头的主要探测频率取决于带状线和微带隙结构的尺寸和形状，在 带状线和敷铜地之间添加补偿电容可对探头探测频率进行适当调整，而整体探头的形状设 计微型化可大大提高其探测精度。
[0017] 与现有技术相比，本发明的显著进步如下：
[0018] (1)本发明采用带状线和微带隙结构制作微型接收天线，制作周期短，性能稳定， 测量重复性好。
[0019] (2)本发明的探头采用激光进行能量供应，最大程度避免了电缆对探头产生的干 扰。
[0020] (3)本发明的探头是一种带补偿的可实时调整测量频率和灵敏度的电场近场探 头。
[0021] (4)本发明的探头的探测部分尺寸长2.9mm宽1.6mm，能更好的对小尺寸电路板和 集成电路芯片进行电场近场测量。
[0022] (5)本发明的探头的测量精度高于现有专利技术，频率测量范围大于现有专利技 术。
[0023]总之，本发明克服了现有电场近场探头易受干扰、探头频率测量范围窄和探头尺 寸大的缺陷。
[0024]下列实施例将进一步证明本发明的显著进步。
【附图说明】
[0025] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0026] 图1为本发明的总体构成示意图。
[0027] 图2为本发明中的带状线和微带隙结构的结构示意图。
[0028] 图3为本发明的实际测试谐振频率曲线与仿真结果曲线比较示意图。
[0029] 图4为本发明的相同测试环境下与不同电场探头对比的灵敏度测试折线图。
[0030] 图5为本发明应用中不同激光功率对谐振频率点的S11参数影响曲线图。
[0031]图中，1.可调电源，2.电缆，3激光器，4黑皮光缆，5.固定孔，6.硅光电池阵列，7.微 带隙结构，8.信号输出端子，9.信号线屏蔽，10.带状线，11.敷铜地，12.补偿电容，13.限流 电阻。
【具体实施方式】
[0032]图1所示实施例表明，本发明的利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，是一 种利用印制电路板制作的采用带状线和微带隙结构的微型接收天线，其构成包括可调电源 1、电缆2、激光器3、黑皮光缆4、固定孔5、娃光电池阵列6、微带隙结构7、信号输出端子8、信 号线屏蔽9、带状线10、敷铜地11、补偿电容12和限流电阻13;上述部件的连接方式是:可调 电源1通过电缆2给激光器3供电，激光器3发出的激光经黑皮光缆4传送到硅光电池阵列6， 硅光电池阵列6将不同功率的激光转换成电能并形成不同的电压，其后级通过限流电阻13 连接到利用印制电路板上的铜箱走线制作的带状线10上，具体说是将电压施加到带状线10 上，补偿电容12被安置在带状线10和敷铜地11之间，补偿电容12是由两个51pF贴片电容和 一个可变电容二极管组成，该可变电容二极管和带状线10相连以此接调整可调电源1的输 出功率，即调整激光器3的激光发射功率，进而改变施加到带状线10上的电压，对应带状线 10的垂直位置利用敷铜地11设计出利用印制电路板上的铜箱走线制作的微带隙结构7,在 印制电路板和黑皮光缆4的连接处设置固定孔5,在固定孔5处利用螺丝扣将印制电路板和 黑皮光缆4固定在一起，在黑皮光缆4旁边设置信号输出端子8,通过焊接到印制电路板上的 SMA端子将信号引出，信号线屏蔽9是根据四层印制电路板中间倒F帶狀线的信号传输线的 走向而设置的过孔，这些过孔构成一条作为信号护送带的信号线屏蔽9,将印制电路板的顶 层和底层敷铜地11相连通，微带隙结构7与探头整体印制电路板表面覆铜形成谐振效应，感 应到空间的电场变化后，感应信号经过信号线屏蔽9传送到信号输出端子8,由信号输出端 子8将信号输出到EMI测试仪即完成对信号的分析与图形显示。
[0033]图2所示实施例表明，本发明探头中带状线10以倒F天线为参考，其两条天线横臂 的长为2.6mm，横臂的线宽为0.15mm，竖臂的长为6mm(即图中的3mm+3mm)，竖臂的线宽为 0.3mm，两条横臂的间距为3mm，微带隙结构7在印制电路板的顶层和印制电路板的底层对应 倒F天线横臂的位置，长宽均为2.4mm，去除此区域内的敷铜地，开口缝隙为0.15mm。
[0034] 图3所示实施例表明，本发明的实际测试谐振频率曲线（即频率/GHz-Sll增益/dB 曲线)与仿真结果基本吻合。
[0035] 图4所示实施例表明，本发明利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，在实际 电场环境下的灵敏度测试比较理想，尤其在2GHz频率以上，在离被测物体lcm处，相同条件 下，其灵敏度与市场上同类产品（包括德国Langer FR-E04、德国Langer-E 10、德国Langer-FR-U2.5-2)相比优势明显。
[0036] 图5所示实施例显示本发明在实际测试中，调节激光功率对测量谐振频率点的S11 (增益/dB)参数有明显影响，可直接对其特定谐振频率点的灵敏度进行调节。
[0037]表1列出了本发明在实际测试中，调节激光功率（电压X频率值)对测量谐振频率 点的SI 1 (增益/dB)参数的影响的数据。
[0038]表1.调节激光功率对测量谐振频率点的SI 1参数的影响
[0039]
[0040] 实施例
[0041] 本实施例的利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，是一种利用印制电路板 制作的采用带状线和微带隙结构的微型接收天线，按照图1所示实施例组装构成，其构成包 括可调电源1、电缆2、激光器3、黑皮光缆4、固定孔5、硅光电池阵列6、微带隙结构7、信号输 出端子8、信号线屏蔽9、带状线10、敷铜地11、补偿电容12和限流电阻13;上述部件的连接方 式是:可调电源1通过电缆2给激光器3供电，激光器3发出的激光经黑皮光缆4传送到硅光电 池阵列6,硅光电池阵列6将不同功率的激光转换成电能并形成不同的电压，其后级通过限 流电阻13连接到利用印制电路板上的铜箱走线制作的带状线10上，具体说是将电压施加到 带状线10上，补偿电容12被安置在带状线10和敷铜地11之间，补偿电容12是由两个51pF贴 片电容和一个可变电容二极管组成，该可变电容二极管和带状线10相连以此接调整可调电 源1的输出功率，即调整激光器3的激光发射功率，进而改变施加到带状线10上的电压，对应 带状线10的垂直位置利用敷铜地11设计出利用印制电路板上的铜箱走线制作的微带隙结 构7,在印制电路板和黑皮光缆4的连接处设置固定孔5,在固定孔5处利用螺丝扣将印制电 路板和黑皮光缆4固定在一起，在黑皮光缆4旁边设置信号输出端子8,通过焊接到印制电路 板上的SMA端子将信号引出，信号线屏蔽9是根据四层印制电路板中间倒F帶狀线的信号传 输线的走向而设置的过孔，这些过孔构成一条作为信号护送带的信号线屏蔽9,将印制电路 板的顶层和底层敷铜地11相连通，微带隙结构7与探头整体印制电路板表面覆铜形成谐振 效应，感应到空间的电场变化后，感应信号经过信号线屏蔽9传送到信号输出端子8,由信号 输出端子8将信号输出到EMI测试仪即完成对信号的分析与图形显示。
[0042] 上述可调电源1的输入电压为交流220伏，电源的输出电流为直流，最大输出电流 为1.5A，输出电压在0V到5V之间连续可调，采用的可调电压芯片的型号为LM2596;上述激光 器3的型号为LD-E650H05,激光波长为650nm，功率为250mW，工作电压为直流3.3V到5V;上述 黑皮光缆4为直径3mm的导光光缆;上述带状线10以倒F天线为参考，两条天线横臂的长为 2.6mm，横臂的线宽为0.15mm，竖臂的长为6mm，竖臂的线宽为0.3mm，两条横臂的间距为3mm， 所述微带隙结构7是在印制电路板的顶层和印制电路板的底层对应倒F天线横臂的位置，其 长宽均为2.4mm，去除此区域内的敷铜地，开口缝隙为0.15mm;上述补偿电容12是由两个 51pF贴片电容和一个可变电容二极管组成，可变电容二极管和带状线10相连接;上述印制 电路板上的铜箱的厚度是35um〇
[0043] 本实施例的利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其运行的方法是:可调 电源1的输入电压为交流220伏，电源1的可调输出范围为直流0V到5V，最大输出电流为 1.5A，电源1输出通过电缆2给激光器3供电，激光器3产生的激光通过黑皮光缆4传送到硅光 电池阵列6,硅光电池阵列6将激光转换为电能，通过限流电阻13将电压施加到带状线10上， 调整可调电源1的输出功率即可调整激光器3的激光发射功率，进而改变施加到带状线10上 的电压，带状线10、微带隙结构7和整体探头的表面覆铜形成谐振效应，感应到空间的电场 变化后，感应信号经过信号线屏蔽9传送到信号输出端子8,信号输出到EMI测试仪即可完成 对信号的分析与图形显示。
[0044] 上述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其所有构成零部件均通过公知 途径获得，所有构成零部件的安装和连接方式是本领域技术人员所能掌握的。
【主权项】
1. 利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其特征在于：是一种利用印制电路板 制作的采用带状线和微带隙结构的微型接收天线，其构成包括可调电源、电缆、激光器、黑 皮光缆、固定孔、硅光电池阵列、微带隙结构、信号输出端子、信号线屏蔽、带状线、敷铜地、 补偿电容和限流电阻;上述部件的连接方式是:可调电源通过电缆给激光器供电，激光器发 出的激光经黑皮光缆传送到硅光电池阵列，硅光电池阵列将不同功率的激光转换成电能并 形成不同的电压，其后级通过限流电阻连接到利用印制电路板上的铜箱走线制作的带状线 上，具体说是将电压施加到带状线上，补偿电容被安置在带状线和敷铜地之间，补偿电容是 由两个51pF贴片电容和一个可变电容二极管组成，该可变电容二极管和带状线相连以此接 调整可调电源的输出功率，即调整激光器的激光发射功率，进而改变施加到带状线上的电 压，对应带状线的垂直位置利用敷铜地设计出利用印制电路板上的铜箱走线制作的微带隙 结构，在印制电路板和黑皮光缆的连接处设置固定孔，在固定孔处利用螺丝扣将印制电路 板和黑皮光缆固定在一起，在黑皮光缆旁边设置信号输出端子，通过焊接到印制电路板上 的SMA端子将信号引出，信号线屏蔽是根据四层印制电路板中间倒F帶狀线的信号传输线的 走向而设置的过孔，这些过孔构成一条作为信号护送带的信号线屏蔽，将印制电路板的顶 层和底层敷铜地相连通，微带隙结构与探头整体印制电路板表面覆铜形成谐振效应，感应 到空间的电场变化后，感应信号经过信号线屏蔽传送到信号输出端子，由信号输出端子将 信号输出到EMI测试仪即完成对信号的分析与图形显示。2. 根据权利要求1所述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其特征在于:所述 可调电源的输入电压为交流220伏，电源的输出电流为直流，最大输出电流为1.5A，输出电 压在0V到5V之间连续可调，采用的可调电压芯片的型号为LM2596。3. 根据权利要求1所述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其特征在于:所述 激光器的型号为LD-E650H05,激光波长为650nm，功率为250mW，工作电压为直流3.3V到5V。4. 根据权利要求1所述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其特征在于:所述 黑皮光缆为直径3_的导光光缆。5. 根据权利要求1所述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其特征在于:所述 带状线以倒F天线为参考，两条天线横臂的长为2.6mm，横臂的线宽为0.15mm，竖臂的长为 6mm，竖臂的线宽为0.3mm，两条横臂的间距为3mm，所述微带隙结构是在印制电路板的顶层 和印制电路板的底层对应倒F天线横臂的位置，其长宽均为2.4mm，去除此区域内的敷铜地， 开口缝隙为0.15mm。6. 根据权利要求1所述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其特征在于:所述 补偿电容是由两个51pF贴片电容和一个可变电容二极管组成，可变电容二极管和带状线相 连接。7. 根据权利要求1所述利用印制电路板制作的光电式电场近场探头，其特征在于:所述 印制电路板上的铜箱的厚度是35um〇
【文档编号】G01R29/08GK106093597SQ201610371188
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月28日
【发明人】李尔平, 宋涛
【申请人】河北工业大学