采用矩形同轴耦合结构的射频电压和电流探头设计，以及用于实时反射测量的通用电路模型

提出了一种新型矩形同轴耦合结构（RCCS）及通用电路模型，为高功率电压电流（VI）探头的系统性设计提供理论支持。相较于传统圆形同轴结构（CCCS），RCCS在制造容差方面显著提升（阻抗变化率0.328Ω/mm，低于CCCS的8.65Ω/mm），且具有更高的功率承载能力。基于该模型设计的VI探头，在DC-100MHz频段内实现了低于0.0015dB/cm的传输损耗，验证了其适用于高功率实时反射监测的可行性。

　　

Kun Wang|Jin Jiao|Cheng Zhou|Wei Shen|Lang Hu|Hongxin Zhao

中国东南大学毫米波国家重点实验室，南京 211189

摘要

本文提出了一种新型矩形同轴耦合结构（RCCS），并给出了高功率电压-电流（VI）探针的通用电路模型及整体设计方法。与传统圆形同轴耦合结构（CCCS）相比，RCCS具有更高的设计灵活性、更简单的制造工艺以及相当高的功率容量。通用电路模型展示了VI探针与被测传输线之间的电磁耦合关系，据此提出了VI探针的整体设计方法。平面形状RCCS的特性阻抗对制造偏差的敏感度为0.328 Ω/mm，显著低于CCCS的8.65 Ω/mm，表明其制造公差更好。在相同横截面积的情况下，RCCS的功率容量也优于CCCS。利用该模型和RCCS设计出了一种高性能VI探针，其结构易于加工，并在整个工作频段内实现了最小的插入损耗。实验验证，在DC-100 MHz频段内，该探针的传输损耗低至0.0015 dB/cm。所提出的基于RCCS的VI探针为高功率射频系统中的实时反射监测提供了有前景的解决方案。

引言

在高功率射频系统中，射频电源与负载之间的不匹配是一个严重问题。射频信号和能量的反射会降低信息传输和功率传输的效率，还可能对射频电源造成损坏。因此，在射频等离子体刻蚀、高功率雷达系统和无线电力传输等应用中，使用实时反射测量设备至关重要。

为了支持实时反射测量，会在射频传输线中插入定向耦合器型传感器[1]、[2]、[3]或六端口耦合器[4]、[5]、[6]、[7]等在线设备。这些设备通过区分正向和反向传播的波来监测传输线的关键参数（如反射系数和阻抗）[8]、[9]。然而，这些设备体积庞大且在低频段的插入损耗较大，限制了其在高功率环境中的应用。因此，由于VI探针体积小且插入损耗低，已成为更优的选择。

VI探针通常安装在高功率射频电源和阻抗匹配网络之间，通过耦合电磁场来监测传输线的电压和电流以产生等离子体。大多数现有的VI探针基于圆形同轴结构设计，部分结构还加入了屏蔽层以减少两个探针之间的串扰。Lafleur等人发明的Vigilant探针[10]是一种典型的圆形同轴结构VI探针，采用锥形电压探针和带有轴对称槽的电流探针。由于采用了外导体嵌入式电流探针，两个探针之间的串扰得以最小化。然而，锥形电压探针需要极高的加工精度，而带有轴对称槽的电流探针由于外导体电流路径的变化而引入了较大的插入损耗。在[11]中，Kim等人在外圆同轴线上加入了双层法拉第屏蔽层以减少串扰，这在低功率环境下可能有效。不过，双层屏蔽在1 kW以上的射频功率水平下对串扰抑制效果有限，且可能降低功率容量。Kim等人在[12]中提出了一种带有浮动环形线圈的VI探针。该探针采用了一种新方法，利用双输出电流探针的信号差分和信号和。随着时谐信号监测技术的进步，脉冲信号监测也通过多种方法不断发展，以适应瞬态和宽带信号特性。有一些探针设计用于监测时域脉冲信号或电压和电流波形[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。例如[19]中，开发了一种带有B-Dot和D-Dot传感器的纳秒级探针用于脉冲测量。然而，这种探针缺乏相位敏感检测能力，无法准确监测负载和驻波。在[20]中，发明了一种具有非对称校准原理的双探针，用于测量高频正弦信号和脉冲信号，适用于低功率微带线系统。这种脉冲探针专为脉冲信号监测设计，不适合阻抗和驻波监测。此外，还有一些探针用于近场电磁特性检测[21]、[22]、[23]，但其设计原理与VI探针类似，尺寸较大。

尽管取得了这些进展，但仍存在一些挑战。首先，尚未开发出VI探针的通用电路模型，这是VI探针设计理论中的一个缺陷。其次，大多数现有设计基于CCCS，其对制造公差的敏感性较高，且在控制耦合比方面缺乏灵活性。这是由于主线特性阻抗、耦合比和抽头结构尺寸之间的紧密关联。第三，所提出结构的插入损耗尚未详细讨论，而在高功率场景中这一点非常重要。

在这项工作中，我们通过提出VI探针的通用电路模型来解决这些问题，从而建立了一种定量且更系统的VI探针设计方法。引入了RCCS（矩形同轴耦合结构）作为CCCS的替代方案，它具有更高的设计灵活性和更简单的制造工艺。基于RCCS和所提出的方法设计并测试了一种VI探针，验证了理论模型的准确性和RCCS结构的优势。

本文的结构如下：第二节提出了VI探针的通用电路模型，并在此基础上建立了整体设计方法。第三节介绍了RCCS（矩形同轴耦合结构）。第四节详细介绍了基于RCCS的VI探针的设计和仿真过程，并概述了加工细节。第五节展示了所提出的RCCS-VI探针的测量和测试结果，并与现有技术进行了比较。

电路模型

电压-电流探针的电路模型

在VI探针中，电压探针是一个具有电容特性的小导体，能够耦合同轴介质中的电场。电流探针是一个导电线圈，能够检测同轴介质中的磁场。等效电路图如图1(a)所示。

Z_load1是电流线圈的负载，Z_load2是电压探针的负载。两个探针的输出分别表示为(1)、(2)。

$I_{\text{out}1}=\frac{\mathrm{j\omega }\frac{M}{Z_{\text{load}1}+Z^{}}}{}$

RCCS简介

矩形同轴耦合结构（RCCS）是一种基于矩形同轴线（RCL）的新型耦合结构，作为传统圆形同轴耦合结构（CCCS）的替代方案，广泛应用于VI探针设计。RCL在微波工程中已有广泛应用，先前的研究证明了其优势，包括低传输损耗、高功率容量、易于加工和优越的信号隔离性能[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。RCCS继承了这些优点

三明治RCCS结构的设计

基于第三节中提到的设计原则和第四节中提出的RCCS结构，开发了一种新型VI探针——三明治RCCS，如图8所示。该结构由上下金属壳夹在一起，中间夹着四层FR-4 PCB板。结构的尺寸详见表II。

内导体直接安装在PCB上，通过通孔阵列连接四层铜层

RCCS-VI探针的测量与测试

对组装好的VI探针进行了S参数测量，结果如图11所示。探针的反射和插入损耗测量结果与仿真预期相符。在DC-100 MHz频段内，|S11|低于-48 dB，传输损耗低于0.02 dB，表明RCCS VI探针作为通信用测量仪器对传输线信号的影响微乎其微。

射频链路

结论

本文提出了一种VI探针的通用电路模型和关键设计方法，以及新型RCCS结构，为新型VI探针的设计奠定了基础。电路模型建立了物理参数与耦合性能之间的定量关系，为未来的VI探针设计和设计原理的改进提供了方法。RCCS为传统圆形同轴耦合结构提供了一种有前景的替代方案，提高了设计灵活性

CRediT作者贡献声明

Kun Wang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，形式分析。Jin Jiao：软件开发。Cheng Zhou：形式分析，数据管理。Wei Shen：方法论。Lang Hu：资金获取。Hongxin Zhao：项目管理，形式分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号62471125）和东南大学（项目编号X2200512A220）的支持。