在这篇文章中，我将展示一个简单的演示，说明设计不良的互连如何导致近场发射，这有时是可能的EMI故障的迹象。
EMI存在于原理图的留白处
在设计印刷电路板时，我们总是从原理图开始。它只告诉我们正在使用的组件，它们是如何连接的，以及系统的功能是什么。该原理图完全没有告诉我们关于信号完整性、电源完整性或电磁干扰(EMI)的任何信息。
当我们将原理图转化为物理实现时，信号完整性、电源完整性和电磁干扰问题都变得栩栩如生。一旦我们建立了连接，连接所要做的唯一一件事就是引入噪音，搅乱我们美丽的设计。我们遵循最佳设计实践来设计互连，使它们产生的噪声低于可接受的水平。
在这篇文章中，我着重于影响EMI的设计问题和测量近场排放的一种方法。电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)是指系统通过认证测试的能力。这些测试都是根据远场辐射成分的光谱来定义的。查看近场辐射排放是一项重要的合规前测试，因为这可以在台板上快速轻松地完成。用频谱分析仪观察近场发射通常可以预览远场EMC测试。
然而，有时使用实时范围观察近场发射可以获得额外的洞见。如果有一个同步信号可用来触发示波器，特定信号对发射的影响有时可以用实时示波器来识别。这可能指向对产品EMC产生负面影响的电磁干扰的根本原因。尽管示波器实际上并不测试电磁兼容，但它可以成为一个重要的工具，用于在时域和频域进行电磁兼容前测试和调试。
为什么EMC合规前测试很重要
EMC有许多认证测试。我们在这里要讨论的是美国联邦通信委员会(FCC)辐射排放第15部分，测试产品是否符合a类或B类可接受的远场辐射排放标准。这些测试非常相似:a类是指工业产品环境，B类是指消费者环境。
从根本上说，被测产品被放置在一个屏蔽的、消声室中，这样就没有来自环境的源或反射，只有来自产品的直接辐射排放。该产品位于地面上方一米的地方，天线放置在一定距离之外。如图1所示。
图1:FCC排放测试的典型设置。
对于B类(针对消费环境/产品的更严格测试)，天线在3米(约10英尺)以外。天线上下移动180度，围绕产品360度，寻找产品正常运行时所有方向的绝对最坏情况辐射发射，使用120千赫兹带宽探测器扫描，并扫描广泛的频率范围。测试证实，在该带宽范围内，该产品的峰值辐射排放在较宽的频谱范围内低于FCC要求的最大可接受电场水平。
表1显示了B类产品在不同频率范围内的几个最大可接受电场强度。
表1:FCC辐射最大允许排放量为B类产品的操作在不同的频率。
一般来说，如果一个产品通过了B类，它也将通过a类。B类标准通过的低频，大约100兆赫及以下，约100微伏每米(µV/m)。如果产品在3米外测量100 MHz及以下频率时，辐射电场小于100 μ V/m，则可以通过FCC测试。这是一个很好的经验法则，估计什么被认为是可接受的辐射排放的消费设备。
理解这个数字的一种方法是想象一个无线电台，以球形模式360度广播(见图2)。我们站在离这个无线电台3米远的地方测量它的电场强度。如果我们有一个向各向同性发射的射电源，为了在3米的距离上达到100 uV/m该射电源的辐射功率是多少?记住电场是振幅，而不是幂。功率用电场的平方来计算。
图2:广播站向120千赫BW各向同性广播的说明。
根据图2中的公式，E为电场强度，单位为V/m, R为从源到电场处的距离，单位为米，P为总辐射功率，单位为瓦，如果在3米处测量100 μ V/m，则总辐射功率，单位为瓦，单位为10 nW。这是所有。因此，如果B类设备在360度方向上辐射超过几纳瓦的功率，它将无法通过在美国运输产品所需的FCC测试。
这就是为什么通过辐射发射EMC测试如此困难的原因，因为它不需要非常大的功率辐射到FCC测试的120 kHz带宽就会失败，这也是为什么EMC涉及到这么多工程的原因。
在暗室中进行全fcc式测试非常昂贵。没有人愿意将他们的产品提交给这样的测试，除非他们相当确信产品将通过测试，这就是为什么遵从性前EMC测试对设计电子产品的人如此重要。
电路中的无意天线
这些辐射排放物从何而来?没有一个设计印刷电路板的人是在设计天线到他们的产品中，故意为无意的辐射。这些狡猾的天线并没有出现在示意图中。然而，我们可以通过一些互连功能在不知不觉中将它们引入到我们的产品中。我常说:“有两种设计师:一种是故意设计天线的，另一种不是故意设计的。”
有两个基本的天线模型-磁偶极子和电偶极子(见图3)。了解这些天线将有助于深入了解PCB结构的辐射。
图3。这两种基本类型的天线和PCB结构的例子。
磁偶极子天线由一个完整的环形电流回路组成。在典型的电路板应用中，所有传输线和信号返回路径，如果操作正确，都是磁偶极子天线，信号路径和返回路径构成一个完整的环路。为了保持阻抗控制，我们将返回路径直接路由到信号轨迹的下方。这使环的面积保持较小，并降低了磁偶极子天线的辐射发射效率。
电偶极子天线有一个中心电压源，两端各有几根电线。当电压源产生交流电压时，电流就会在电线中来回晃动。电流必须形成一个完整的回路。它是如何在空间中的电线之间返回的?答案是通过位移电流沿着两根导线之间变化的条纹电场线流动。这是电流在电容器中流动的相同路径。
电路板中无意偶极子天线的一个完美例子是有噪声的地平面，同轴电缆的屏蔽连接到该平面的一端。
当然，在接地面上不存在均匀的电压。在地面上总是会有噪音，通常被称为“地面反弹”。地面反射电压可以大或小,所以飞机的不同部分是不同的电压,这意味着我们有一个电压发生器。如果地平面的一部分连接到机箱，另一部分连接到外部电缆的屏蔽，我们就创建了一个电偶极子天线。接地面上的不同电压将驱动公共电流到电缆屏蔽上，这些公共电流将辐射并通过位移电流返回到平面或机箱。
磁偶极子天线的效率通常比电偶极子天线的效率低很多很多。换句话说，相同数量的电流通过位移电流从电偶极子天线辐射比在磁偶极子环中有效得多。这就是为什么来自电偶极子天线的共电流将成为EMC故障的主要原因。
任何时候我们产生一个电压源可以驱动两边的两个导体，如果有外部电缆连接到飞机上，或者即使我们在飞机上有足够大的面积，我们就会有辐射排放。这就是贴片天线的本质。
如果我们已经创建了一个电偶极子天线，我们可以使用这个简单的近似来估计远场辐射发射:
这是电流流过导线的远场电场强度，给定频率，导线长度，以及到源的距离。我们需要多少普通电流在100兆赫的外部电缆中流动，电场强度在3米时为100µV/m，并失败FCC测试?当你输入数字时，它只有3µa。这并不多，这就是为什么我们担心这些共同的潮流。它们是FCC故障最常见的来源，不需要太多的普通电流就可以使FCC测试失败。
普通电流的一个主要根本原因是信号返回路径的不连续。返回路径的不连续会产生三个问题:它会产生反射噪声、串扰和电磁干扰。
如果在接地面上有接地反弹噪声，则接地面上的一个区域与另一个区域的电压不同。这是电压源。外部电线可以是连接到飞机上的电缆，与地面有一些共同的阻抗。电缆代表以地板为返回点的传输线。如果我们有100 mV的地面反弹噪声，假设1 kW的阻抗典型的1米电缆在地板上，将有大约100 μ a的公共电流流经电缆屏蔽，远高于3 μ a的FCC限制。这是一个4000 μ V/m的电场在3米远。这就是为什么以一种减少地面反弹噪声的方式布置电路板是如此重要，而不是减少反射和串扰，而是减少EMI。
为了减少外部屏蔽电缆上的共电流，应将屏蔽连接到机箱上。并且，为信号提供一个连续的返回路径，要么在屏蔽电缆中使用一个单独的返回导体，要么也将屏蔽绑在信号的返回平面上。
近场与远场辐射发射
当我们在工作台上为EMC测试产品时，我们在典型的噪声环境中非常接近该产品。在测量下面的100 MHz范围和频率成分,为波长大于1英尺。当我们距离电路板超过1英尺时，我们只能测量近场。重要的是要记住，在前面描述的FCC测试中，近场测量与远场(3米或更多)测量是不同的，原因如下。
当我们有一些源产生辐射时，取决于电流分布和源的形状，我们会有各种各样的多极矩辐射:偶极，四极，六极，等等。将会有不同的电场辐射模式基于当前循环的模式。它们都有辐射，但来自不同多极的辐射场随距离以不同的速率衰减。偶极子场下降最慢，并存活到最远的场。如图4所示。
图4。近场发射的多极膨胀。
不幸的是，当我们靠近产品时，我们测量的是所有的近场强度，而在远场中我们可能看不到因为有些强度衰减得太快了。
这意味着我们必须非常小心地解释近场测量的结果。近场会给我们所有时刻的辐射，不仅仅是偶极项。缺点是在近场中测量到的东西并不总是远场中测量到的东西。大量的近场辐射可能并不表明潜在的催化裂化失效。
另一方面，如果我们没有通过FCC测试，那么我们绝对会看到近场排放，所以任何可以减少近场排放的措施都将有助于通过FCC远场测试，尽管这并不能保证。
时域近场辐射发射测试
我们可以在时间域或频域使用实时范围对近场发射进行简单的台式测量。时域的优点是，如果我们有一个同步信号触发范围，我们可以直接测量开关信号或与之切换的信号对辐射发射的影响。
在时域中，我们可以看到近场排放的特征，从而获得有关这些排放的根本原因的信息。这是一种兼容前EMC测试，可以在任何实验室中轻松完成，使用几乎任何范围，而不需要花费消声室。
在这一系列的实验中，我们使用了以下设备来演示一些引起近场发射的互连结构:
- 一个实时示波器(我们使用Teledyne LeCroy 12位WavePro HD)
- 一个信号发生器
- 电流探头(我们使用Teledyne LeCroy CP30A钳式霍尔效应电流探头)
- 一个磁环“嗅探器”探针(或一个10倍的无源探针环来创建一个“嗅探器”)
- DUT
时域测试的关键是在一些有可能影响辐射发射的信号(如开关信号)上触发示波器。如果我们能触发开关信号，我们就能找到与该信号同步的近场辐射。时域可以帮助我们精确地确定何时有排放，何时有通道中的di/dt。
这些示例中的DUT(参见图5)是一个4层测试板，它是为我在科罗拉多大学博尔德分校的一个班级设计的，用于演示地面反弹对辐射发射的影响。
图5。返回路径不连续的简单2层测试板示例。
有三个部分。每个部分包含一对跟踪。每个截面的顶部轨迹穿过一个或多个返回平面的间隙。每个部分的底部轨迹看到一个连续的返回平面。
在微带区域内，一条迹线穿过均匀的宽平面，另一条迹线穿过间隙。这是一个典型的返回路径不连续的例子。当信号沿着穿过缺口的轨迹发送时，返回电流必须绕着缺口蜿蜒返回，在信号和返回电流之间形成一个环路。在不连续区域的环路电感增加，导致板子右侧的电压不同于板子左侧的电压。因此，我们将会看到环形天线的辐射辐射是由回流电流在缝隙周围产生的，而贴片天线是由板子两边不同的电压产生的。
信号(由函数发生器产生)是一个10千赫方波，上升时间边缘为9纳斯。
通过微带的信号在线路的远端短路，这样电流就会通过返回平面和返回平面上的间隙返回。
为了有信号触发示波器，告诉我们电流何时通过间隙，我们在远端(短路)环上夹一个电流探头来测量电流。在我们的测试中，大约100毫安的峰峰电流作为方波通过环路(黄色的C1迹)。
嗅探探头使用SMA电缆连接到瞄准镜的通道2。
当dI/dt通过间隙时，我们期望在嗅探器中看到辐射发射和近场检测。这与围绕缺口的回路电流是同步的。是di/dt引起了辐射发射。当电流恒定时，我们有磁场，但它没有变化，也没有辐射。使用电流边缘触发范围，我们可以看到嗅探探头中的同步近场噪声，在图6的测量中。
图6。设置近场发射测试(右)和结果显示共振(左)。
为了获得最好的视图，我们放大，以便我们只看到屏幕上的C1触发器边缘，垂直灵敏度为20 mA/div，近场探头为50 mV/div。当我们沿着微带的缝隙移动嗅探探头时，我们可以在粉色的C2中看到一些大的磁场被采集，在嗅探回路中产生电压。在板子周围移动嗅探探头表明，发射是非常局部的不连续。
C2测量也有振铃现象。为什么会有铃声?你应该马上就能认出什么是电缆中的反射。
让我们考虑一下我们的结构。低阻抗源环沿板上的迹线下行，在缺口附近诱发di/dt。近场发射在具有低阻抗源的拾取线圈中诱发电压。来自线圈的电压沿着50欧姆的电缆移动到示波器，它被设置为1mw的阻抗，所以信号从电缆的50w阻抗到示波器的1mw阻抗。它会反射回来，看到短线的低阻抗在另一端近场探头所在的地方，改变符号，来回反弹。我们在这里看到的是由于引入低阻抗电压源而在电缆中产生的铃声。我们并没有看到近场辐射。相反，我们在电缆中看到的是近场辐射。这就是为什么在瞄准镜中终止电缆是如此重要。
当我们将终端设置为50w时，振铃被移除，我们看到的是结构本身的近场发射。这是一种直接测量近场发射信号的单边缘激励在轨迹和返回路径的间隙。
图7显示了微带和两个带隙和无隙作为参考的条带结构的近场测量结果。
图7。对于相同dI/dt的各种微带和带状线结构的近场测量的总结。
最大的近场辐射来自带间隙的微带。在没有间隙的情况下，如底部轨迹所示，微带发射非常低，振幅约为1 mV，相比之下，有间隙时的噪声为200 mV。当固体返回面移近轨迹时，带状线层中间隙的影响显著减小。在没有间隙的情况下，带状线的辐射辐射存在于噪声中。
返回面的间隙是许多有铜填充的板近场发射的共同来源，例如，在一层上引入信号返回路径的不连续。
结论
不需要太多的普通电流就可以通过FCC测试。辐射发射失效最常见的原因是回程路径不连续造成的共电流。这些可以在近场测量，用一个简单的工具，如实时瞄准镜和拾取线圈，如近场探头。只要注意探头电缆瞄准镜系统中的反射工件，你就可以从开关电流中得到一个清晰的发射信号。
为进一步的信息
奥特,亨利,电磁兼容性威利,2009
Joffe和锁,接地的理由威利,2010
保罗,C。电磁兼容性威利,2006
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