【摘 要】
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目前芯片向着高速、高密度、小型化的方向不断发展,其电磁干扰问题也在越来越严重,值得人们重视。电磁近场扫描技术无需探明芯片内部的结构细节,即可实时分析、快速诊断高速电路的电磁干扰问题,展现了极大的市场应用价值。国内这方面的研究快速发展,但是欧美仍占领着近场测量的领先地位。针对电子系统中的电磁干扰定位问题,本文提出了一种小型、宽带、非接触式的有源磁场检测方法和探头。该磁场探测方法采用有源磁场探测技术,
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（62001123）; 广东省重点领域研发计划项目（2019B010141002,2020B010179002,2018B010142001）
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目前芯片向着高速、高密度、小型化的方向不断发展,其电磁干扰问题也在越来越严重,值得人们重视。电磁近场扫描技术无需探明芯片内部的结构细节,即可实时分析、快速诊断高速电路的电磁干扰问题,展现了极大的市场应用价值。国内这方面的研究快速发展,但是欧美仍占领着近场测量的领先地位。针对电子系统中的电磁干扰定位问题,本文提出了一种小型、宽带、非接触式的有源磁场检测方法和探头。该磁场探测方法采用有源磁场探测技术,利用多层印刷电路版（Printed Circuit Board,PCB）制作无源探头,于无源探头的基础上,加入了有源放大器模块及其配套的电源管理芯片,提升超宽带类型探头的传输增益。论文从频率响应、空间分辨率、校准因子、差分电场抑制能力四个角度对探头进行了详尽的研究分析,并阐述了有源探头较无源探头的优势。论文完成了对整体近场测量系统实现功能性验证。实测结果表明,探头的传输增益达到-20 d B,空间分辨率达到900μm,有良好的差分电场抑制能力,该探头可用于超宽带下的PCB板与较复杂集成电路等场景的测量工作。论文在前期研究的基础上,基于TSMC 65nm的CMOS工艺设计了一款面向有源近场探头的超宽带、高增益、低噪声放大器,对无源探头传输来的电信号进行放大处理。该低噪声放大器（Low Noise Amplifier,LNA）采用共源-共源共栅级联架构来解决设计指标中高增益的问题;基于电路反馈机制与输入匹配网络理论计算所得到的等效电感,解决了宽带匹配问题;利用峰值电感技术解决了由于器件寄生电容引起的高频增益下降的问题。为了验证检测方法的可行性,论文设计了两款探头,测试结果表明:两款探头工作频率覆盖1GHz-15 GHz,其空间分辨率为0.9 mm,其中有源探头的S21为-30d B～-15.6d B,无源探头为-46d B～-30.8d B,有源探头的整体高出无源探头15d B。论文设计了一款1-21 GHz,增益21.2d B、增益平坦度1.06d B,噪声系数3.59 d B的超宽带低噪声放大器。上述设计性能都达到了设计指标。相比国内其他研究成果,有源探头的空间分辨率、工作带宽、增益具有一定优势。本文研究成果已应用于工业和信息化部电子第五研究所的集成电路芯片及模块表面电磁场扫描探测系统中。
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