【導讀】本文以X波段非接觸式探針為設計對象，參照單極子微帶天線設計方法，將50ohm微帶線延伸出去，形成C形環結構，并將這部分的地去處，達到圈住信號傳輸線周圍的磁場構成磁耦合的目的。
為了加強磁耦合，在C形環附近添加去地的反向C形微帶線結構以加強耦合，并調節耦合平坦度。根據仿真模型制作了實物，探針置于被測微帶傳輸線上方可獲得耦合信號，在X波段范圍內，耦合量在-19～-23dB之間。
１引言
微波組件向著集成、小型化方向發展，很多組件采用裸芯片工藝進行貼裝（比如T/R組件），常規的測試排故方法已難以滿足現代化測試要求，比如射頻板通過焊接半截線引出信號測試的方法，已完全不適合高集成度、高凈化度的組件測試。據此，本文開展了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試[1]。
信號在微帶傳輸線上傳輸時，在其周圍存在閉環的磁場，當外部線圈或外部微帶線圈住一定磁通量時，變化的磁場就產生變化的電流，進而就可通過耦合的方式探測出信號。相比于半截線測試射頻信號時，這種磁耦合方式無需額外接地。一般情況下，當該非接觸式探針與被測對象接觸時，短路危險系數較低（與微帶線不直接接觸）[2]。另外，X波段信號耦合量小于-15dB時，對主路信號無影響，在探測信號的同時不影響系統正常工作[3,4]。
本探針采用的微帶形式借鑒單極子天線設計方法，將用于探測的微帶線底部的地去掉，從而形成開放的電磁耦合結構。調整用于探測的微帶線的長度與寬度可將空間波阻抗變換到50ohm，從而實現匹配。本文創新點在于采用C形環達到空間磁耦合目的，從而將近場能量轉化為電流，達到測試信號功率的目的。本文還有一個創新點在于采用互補磁耦合環結構，不僅加強了耦合，還可以調節耦合平坦度。該微帶探針不僅可以應用于X波段信號探測，對于其他頻段信號也可以探測（耦合度需要測試），因此該探針也能作為測試電磁泄漏的工具，在電磁空間探測領域具有一定的應用價值。該探針所采用的結構能被其他頻段射頻探針設計借鑒，是實用性很強的產品。
2.C形缺地微帶探針仿真
2.1 類單極子C形缺地探針設計
四分之一波長單極子天線要求延伸出的輻射電長度為四分之一波長，其輻射場分為近場與遠場，近場是比較復雜的電磁耦合轉換環境。本節所設計的類單極子C形缺地探針長度也為四分之一波長，利用近場的磁生電的原理進行信號探測。其結構圖如下圖1所示，主體由微帶50ohm饋線和C形缺地線組成：
圖1 C形缺地探針結構示意圖
C形缺地線電長度為四分之一波長：
其中，c為光速，f為工作頻率，Er為相對介電常數。
該結構的探針耦合度主要取決于與探測對象之間的距離以及C形環的開口大小。注意：該探針C形環必須與所測對象平行！
下面仿真分析了探測對象與C形環的距離對耦合度的影響。當C形環與背測微帶信號線平行相距1mm、1.2mm、1.4mm時，其耦合度在10GHz分別達到-19.45dB、-21.74dB、-23.46dB，其仿真結果如下圖2所示：
（1）相距1mm
（2）相距1.2mm
（3）相距1.4mm
圖2探針與被測對象的不同耦合距離的仿真結果
仿真結果表明，當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，達到7dB以上的幅度波動。由于C形環長度較小，且與頻率相關，因此本節不對C形環的長度做相關仿真分析。
2.2增強型C型探針設計
由上節分析可知，C形環探測信號的耦合度受制于耦合間距。在間距達到1mm的情況下，在10GHz才達到-19.45dB。為了增強耦合度，本節在C形環旁邊添加了與它相反的C形環，達到電磁耦合互補，增加耦合度的作用。其結構示意圖如下圖3所示。
圖3 增強型C形缺地探針結構示意圖
添加的C形環受到相同的磁場耦合，產生與主線相反的電流，從而對主線進行二次耦合，增強了主線的耦合度。仿真了1mm耦合間距的耦合度，仿真結果如下圖4所示。在10GHz耦合-18.72dB，x波段耦合度-17.25~-19.27dB，波動2dB左右。
圖4 增強型C形缺地探針1mm耦合間距仿真結果
由仿真結果分析可知，添加的反向C形環不僅增加了耦合度，而且具備調節耦合平坦度的功能。
2.3非接觸式C形微帶探針實測
根據上節仿真結果制作了實物，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形微帶探針實物圖
3 結論
針對微波組件的探測需求，提出一種X波段非接觸式微帶探針結構，以便于信號檢測。本探針采用的微帶形式借鑒單極子天線設計方法，將用于探測的微帶線底部的地去掉，從而形成開放的電磁耦合結構。調整用于探測的微帶線的長度與寬度可將空間波阻抗變換到50ohm，從而實現匹配。該結構形式易于實現，對工藝無特殊要求，可適合于微組裝產品的測試排故。
參考文獻
1、Arriola 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.
2、 Reed 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
3、Shry-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、 陳振國等. 微波技術基礎與應用. 人民郵電出版社.
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