基于局部增强有源磁场探针的印刷线迹时域电流波形重构技术研究

《IEEE Journal of Microwaves》：Time-Domain Current Waveform Reconstruction of a Printed Trace via a Locally Enhanced Active H-Field Probing System

本文针对传统时域积分方法在具有复杂频率响应波动（如局部增强特性）的有源磁场探针应用中精度受限的问题，研究人员开展了基于局部增强有源H场探测系统的印刷线迹时域电流波形重构技术研究。研究结果表明，所采用的宽带波形重构方法（BWRM）在波形保真度上显著优于传统方法（TWRM），尤其在处理频率响应波动时展现出高精度和强鲁棒性。该研究为电力电子故障诊断和高速PCB信号完整性分析提供了一种高灵敏度、高保真度的时域电流测量方案。

　　

在现代电子设备日益精密和高频化的今天，印刷电路板（PCB）上信号传输的完整性以及设备自身的电磁兼容性（EMC）变得至关重要。工程师们需要一种“听诊器”，能够非侵入式地“聆听”PCB线迹上流动的电流信号，从而诊断潜在的电磁干扰（EMI）问题或分析信号质量。传统的“听诊器”——无源磁场（H场）探针，虽然能够进行近场测量，但其灵敏度有限，尤其是在测量微弱的高频信号时，往往力不从心。更令人困扰的是，为了提高探测灵敏度而引入的有源（带放大器）探针，虽然增强了信号，但其频率响应曲线常常会出现波纹或凸起等“杂音”，这使得基于简单积分原理的传统时域波形重构方法（TWRM）的测量精度大打折扣，甚至无法准确还原快速变化的电流波形。这就像试图通过一个自带回声且频率响应不均的麦克风去还原一段纯净的音乐，其难度可想而知。

为了解决这一难题，发表在《IEEE Journal of Microwaves》上的一项研究提出了一种创新的解决方案：将一种先进的宽带波形重构方法（BWRM）与一种新型的局部增强有源H场探测系统相结合，旨在实现对印刷线迹上时域电流波形的高保真度、非接触式重构。这项研究不仅展示了该技术在实测中的优越性能，还通过系统的仿真分析，深入评估了其应对复杂频率响应波动的鲁棒性，为高灵敏度时域电磁测量提供了新的技术路径。

为了达成研究目标，作者团队主要依靠几个关键技术方法：首先是设计并制作了一种局部增强有源H场探针，该探针采用多层PCB工艺和差分检测结构，并在特定频率点（如0.9 GHz和1.43 GHz）实现了信号增强。其次，研究构建了标准的近场扫描校准系统，使用接地共面波导（GCPW）校准件和矢量网络分析仪（VNA）来精确测量探针系统的频率响应S₂₁(ω)。核心算法是宽带波形重构方法（BWRM），该方法通过构造时域奇谐信号并进行傅里叶变换处理，有效克服了传统积分法在频率响应波动和直流分量处理上的局限性。最后，研究搭建了包含脉冲信号源、示波器和机械定位装置的时域测量系统，并对1微秒脉冲调制正弦波和电快速瞬变（EFT）脉冲信号进行了实测验证和算法对比。

II. 探测系统与时域重构技术

A. 局部增强有源H场探测系统

研究人员设计了一种新型的局部增强有源H场探针。

该探针采用六层PCB工艺制造，顶层和底层作为屏蔽层，中间层用于信号检测和灵敏度增强。探测部分的核心是一个3x3 mm²的检测环，通过形成6匝检测结构来提高增益。探针集成了差分放大器芯片（OPA855），提供了约20 dB的增益。更重要的是，探针的寄生参数与外部阻抗形成的谐振电路，使其在特定频率点（如0.9 GHz和1.43 GHz）实现了信号的局部增强。

频率响应测试结果显示，该探针在10 MHz至2 GHz范围内响应优于-30 dB，并在0.9 GHz和1.43 GHz处具有明显的共振增强点。

B. 时域波形重构技术

1) 传统波形重构方法（TWRM）

该方法基于法拉第电磁感应定律。在校准阶段测得系统传输参数S₂₁(ω)后，假设探针等效电感L_s远小于50Ω，可忽略其影响，则输出信号u_o(t)与待测电流i_d(t)的关系可简化为u_o(ω) = jωM i_d(ω)。在时域测量后，通过对u_o(t)进行积分并除以互感系数M来重构电流。然而，当探针频率响应存在剧烈波动（如本文探针的局部增强特性）时，该方法的准确性会显著下降。

2) 宽带波形重构方法（BWRM）

BWRM方法旨在克服TWRM的局限性。

其关键步骤包括：首先，将时域测量的输出信号u_o(t)构造成一个奇谐信号，以方便傅里叶变换并避免直流分量问题；接着，对构造的信号进行快速傅里叶变换（FFT）得到U_o(ω)；然后，利用校准得到的S₂₁(ω)，通过公式i_d(ω) = U_o(ω) / (50 * S₂₁(ω))在频域求解电流；最后，对i_d(ω)进行逆快速傅里叶变换（iFFT）得到重构的时域电流i_d(t)。这种方法能够有效处理频率响应中的波动和共振点。

III. 印刷线迹上的时域测量与验证

A. 1微秒脉冲调制正弦波测量

研究团队搭建了时域测量系统对印刷线迹上的电流进行实测。

在100 MHz信号下，BWRM的重构误差仅为0.40%，远低于TWRM。而在探针具有局部增强效应的900 MHz频率点，

TWRM已无法有效重构波形，而BWRM仍能保持2.80%的较低误差，凸显了其在处理非理想频率响应方面的优势。

B. 电快速瞬变脉冲信号测量

为了验证方法对复杂瞬态信号的适用性，研究进一步对电快速瞬变（EFT）脉冲信号进行了测量。

在不同测试电压（500V, 1000V, 2000V）下，BWRM在脉冲上升时间误差和电流幅度误差方面均显著优于TWRM。例如，在2000V测试中，BWRM的上升时间误差和幅度误差分别为4.65%和1.11%，而TWRM则高达48.84%和17.78%。这表明BWRM能够更准确地捕获快速变化的瞬态电流特性。

IV. 通过仿真评估精度与鲁棒性

由于实验资源和案例有限，研究通过严格的仿真系统性地评估了BWRM的鲁棒性。仿真设计了多种具有不同非理想特征的频率响应曲线，包括增益变化、波纹间隔周期、波纹幅度和频率响应凸起。

仿真结果表明，在各种非理想条件下，BWRM的重构误差始终保持在5%以下，表现出极强的稳定性。而TWRM的误差在某些情况下（如存在频率响应凸起且信号上升时间较短时）可急剧上升至67.75%。这充分验证了BWRM算法在面对实际探测系统中常见的复杂频率响应波动时，具有更高的准确性和鲁棒性。

V. 结论

本研究首次将宽带波形重构方法（BWRM）与局部增强有源磁场探测系统相结合，成功解决了印刷线迹时域电流波形重构的难题。实验结果表明，BWRM在波形上升时间误差和幅度误差方面均显著优于传统方法（TWRM）。更为重要的是，通过系统的仿真分析，研究证实了BWRM对于增益变化、波纹干扰和频率响应凸起等多种非理想频率响应均具备优异的适应性，其重构误差能够稳定地维持在低水平。这项研究成果为电力电子故障诊断和高速PCB信号完整性分析提供了一种高灵敏度、高保真度且侵入性极小的时域电流测量与诊断工具，具有重要的工程应用价值。该方法所展现出的宽带适应性、高灵敏度和强鲁棒性优势，使其在未来的电磁测量与诊断领域具有广阔的应用前景。