在我的咨询工作中，我注意到辐射发射(RE)和辐射免疫(RI)对我的大多数客户来说已经成为更加普遍的问题。这有几个原因，包括转向更紧凑的设计，更便携的产品，以及随着电源电压的降低，数字逻辑电平的噪声边际继续降低的事实(使用基于ARM的架构的普及意味着3.3V系统取代5V系统)。
失败的RE和RI的根本原因可能是糟糕的布局设计，未屏蔽的噪声节点，噪声耦合电缆等。其中，很大一部分故障与系统的结构共振有关。结构共振可能出现在大型系统中，其中两个系统通过电缆连接，或者安装在主PCB上的小子板。在大多数情况下，结构共振在其谐振频率下会导致辐射发射失效，由于相互作用，在相同频率范围内也会导致辐射免疫试验失效。(互易性意味着如果一个结构辐射良好，那么它也会很好地吸收能量，反之亦然。)
以前在这个问题上已经做了大量的工作。在[2]中，演示了平面和腔的共振，并给出了实际的例子来说明共振背后的物理。[3]涵盖了谐振背后的传输线理论，并给出了各种例子来说明这一点。史密斯的网站[4]有超过10篇关于共振结构的短文(他称之为技术花闻)，主要是关于使用磁场环的测量技术。其他测量谐振的方法包括使用频谱分析仪和天线[5]。固定共振的方法也包括在[1]-[5]中。
固定谐振最有效的方法是阻尼(通过使用多个连接或电阻连接)，铁氧体方法(同样，使用铁氧体的电阻部分而不是电感部分，因为纯电感产生反射)，应用EMC屏蔽(取决于地面结构，我们将在后面讨论)，或简单地重新设计(通常说的容易做的难)。
本文介绍了该领域的一些案例研究;我已经尝试了字面回顾中介绍的所有方法，并使用最具成本效益的(在财务和时间框架上)方法来识别和定位共振结构。解决这个问题取决于产品设计，因为通常有很多限制。解决这个问题最经济有效的方法就是不断尝试不同的方法。
案例研究1 -与mosfet相关的辐射发射
识别共振结构
在EMC测试中，DC-DC变换器同时经历了传导和辐射发射。由于它是一个开关模式电源(SMPS)，经验告诉我们，交换节点(与交换设备和布局相关联)通常是罪魁祸首。本产品使用的交换器件为TO-247封装的mosfet。
从EMC的角度来看，使用表面安装的开关优于通孔设备的优点在[6]中有介绍。基本上，to -247封装的长引线引入约10nH的电感，加上MOSFET的自电容(在这种情况下估计为4nF)，因此形成了一个lc槽电路。在开关事件中观察到的振铃显示了20MHz的谐振频率，它与在进行的发射测试中观察到的故障很好地一致。
该装置在250和360MHz的辐射发射测试中也未通过。对MOSFET布局的视觉检查(见图1)显示PCB有一个与MOSFET冷却垫相同大小的切割区域，因此MOSFET可以通过PCB切割区域的螺钉连接安装到散热器上。(这是机械团队的梦想，但却是EMC的噩梦)。这种设计的另一个“有趣”的特点是，mosfet和PCB切割区域都位于PCB的边缘，因此它们可以非常有效地辐射。这个结构很容易像我们预期的那样产生共鸣。
数字1:在PCB边缘上的mosfet，切割区域设计成允许螺钉安装在散热器上的mosfet (a)前视图(b)后视图
看待它的方法
在可以用来测量结构共振的技术中，[7]中介绍的方法可能是最简单和最便宜的设置。网络分析仪或带跟踪发生器的频谱分析仪可以完成这项工作。需要一个定向耦合器(如迷你电路ZFDC-20-5+或ZFDC-10-5+)与频谱分析仪一起工作，而网络分析仪则不需要定向耦合器(因为它可以确定回波损耗)。
其基本思想是，一个小环辐射射频能量取决于它的环面积。由于这种情况下的区域很小，它只会有效地辐射3 GHz左右。在这个频率以下，大部分射频能量由于反射而反弹回来。定向耦合器引导一些反射能量，因此人们期望在跟踪发生器的结果上看到一个平坦的曲线。然而，如果环路接近共振结构，射频能量可能被该共振结构吸收，导致频谱分析仪跟踪生成图结果下降。参见[8]中的视频演示。
图2显示了测试设置(使用频谱分析仪、定向耦合器和屏蔽磁环)。对于这种测试，屏蔽环路应该表现得更好，因为它避免了环路本身的电容耦合。但是，在现实中，屏蔽和非屏蔽环路在大多数情况下都同样有效。
数字2:采用[7][8]中介绍的技术，在频谱分析仪跟踪发生器的结果中很容易看到共振点。在这种情况下，两个未通过辐射发射测试的谐振点都被定位了。
修复
由于问题是在后期发现的，而被测试的系统相当大(因为PCB只是系统的一部分)，重新设计PCB是不可能的。然而，有两种节省成本的方法来减少共振的影响。
- 在晶体管腿上放一个小的有损耗的方形环芯通常对这类问题是有好处的。这是一项在20世纪90年代使用的技术，但它仍然可以在今天的设计中找到它的方式:参见图3(a)。铁芯增加了电感，但环是阻尼的。因此，共振的频率和振幅下降。此外，方形回路材料延迟电流上升，使开关更软。
- 在设备和PCB之间插入一个电磁干扰柔性吸收板可以帮助。现代吸收板通常具有高渗透性，可以作为良好的热传导材料，因此它们是这种应用的完美选择。
数字3.(a)通孔装置漏管引线上有损耗的小环芯(b)柔性电磁干扰吸收片有时也具有良好的导热性
案例研究2 -更换IC引起的辐射免疫
改造一个新的IC来取代现有产品中的旧技术通常并不像听起来那么容易。可能会出现无法可靠运行或导致EMI问题等问题。通常，这种故障是在市场上原有的IC不再可用后才发现的。
在以下示例中，一家公司惊讶地发现，他们设计并安装在原IC引脚位置上的新IC子板存在辐射免疫问题。由于该产品是一个声音产品，当机组暴露在1.2GHz到1.4GHz左右的辐射发射时，发现了音调问题。原来的IC在超过10年的使用时间后不再可用。新集成电路基于ARM架构，采用3.3V供电。
识别共振结构
原始IC和取代它的小子板分别如图4 (a)和(b)所示。子板的背面显示，在连接点上销腿也是90度弯曲，这就不可避免地在两板之间的连接中引入了电感。
子板(约374毫米)2面积，5毫米距离主板)形成电容约1pf(基于简单的公式C=ε0εR/ h)。从子板到主板的长轨迹很容易有10nH的电感。该板的自谐振估计为1.5GHz，表明系统在该频率范围内更有可能存在免疫问题。
数字4(a)原IC (b)新子板(c)子板背面的引脚腿
测量
可以使用与前面案例研究相同的方法来识别/定位结构共振。当探测子板周围的场探针时，可以在导致免疫问题的频率范围内看到跟踪生成器结果的下降(参见图5)。
数字5确定谐振点
或者，如果没有频谱分析仪，可以使用能够产生感兴趣频率范围内信号的信号源(在本例中频率高达2.1GHz)和高带宽示波器(在本例中至少为1GHz)，以及两个方形磁场环。设置如图6所示，其中一个磁环用于在子板上产生宽频率的噪声，另一个磁环放置在主板上的0V迹线旁边。当射频噪声到达谐振频率时，可以看到示波器测量到的信号振幅突然上升。振幅的跳跃表明在共振频率下，两块板之间的“地面反弹”变得更加明显。磁场环路基本上是通过迹线与环路一侧的相互感应耦合来接收噪声的。使用这种方法的一个注意事项是要注意两个磁场探头之间的紧密场耦合。
数字6另一个设置使用两个磁场探头，一个射频源和高带宽示波器
问题，挑战和解决方案
免疫测试中结构共振的问题之一是，一旦射频能量被结构吸收，射频电流就开始在多氯联苯的痕迹上流动。一个特殊的问题是“地弹”造成的共模电流流动之间的子板0V和主板。事实上，人们认为这是导致该产品音调变化问题的主要问题，因为扬声器的驱动级相当弱，主板设计上没有接地平面。
这里的挑战是，在如此高的频率下，测量“地面反弹”是极其困难的，特别是在没有高频精密测量设备的情况下。试图用FET探头测量这一点可能不够好，因为1pF电容(通常是FET探头的固有电容)在1.3GHz时的阻抗为122欧姆。使用典型的无源探针是行不通的，因为10pF(通常是高阻抗无源探针的固有电容)在1.3GHz时仅为12欧姆。事实上，使用无源探针，即使是最短的引线，也能提供被测板两个0V之间的完美路径。因此，豁免问题“神奇地”消失了，这种体验甚至会让经验丰富的工程师感到非常沮丧。这在[9]视频中演示过。
在产品方面，约束条件是:
- 主板是多年前设计的，它只是一个没有接地/电源平面的2层PCB。本次修改不能更改设计。
- 制造商已经生产了数以万计的子板。清除它们将是昂贵的，也不利于环境。
- 解决这个问题的方案需要具有成本效益，这通常是批量生产厂商的要求。
本设计采用了以前参考文献中介绍的缓解方法。结果和意见载于表1．似乎没有一种方法能完美地工作，而且表中列出的方法在装配过程中需要大量的手工工作。
一种有效的方法是在pcb之间插入一个灵活的电磁干扰吸收片(如图7所示)。为了插入子板，需要打孔16个引脚(一些制造商可以额外成本)。有人可能会想，是不是简单地把床单放在女儿板上面就能起作用。答案是否定的，因为共振实际上是在pcb之间引起的。由于周围有许多吸收板，选择应集中在衰减的频率范围和这些材料的深度(通常较厚的板表现更好)。
另一种方法与上面讨论的方法非常相似，即使用连接器电磁干扰抑制板。Fair-Rite碰巧有一个零件与原始IC的引脚布局相同(高度也合适)。因此，它可以被认为是一种替代方法;需要两块板来达到所需的衰减:见图7(c)。
表格1解决这个问题的一些方法
选项 |
描述 |
结果与评论 |
子板上的电容栅栏 |
在子板上放置多个22pF和10pF高频mlcc;这个想法是为了增强脱钩 |
在这种情况下是行不通的，因为子板上没有地平面。噪音仍然会传到引脚。 |
在子板周围加一个护盾 |
在子板或主板上放置一个屏蔽并将其连接到0V上 |
没有工作，因为，子板和主板都没有地/动力平面;没有“安静的”射频参考来连接屏蔽。 |
用电阻元件阻尼共振 |
两个板之间有一个0V连接;然而，在子板上有另一个0V点可以通过电阻连接到主板 |
在子板的另一个角落做了50欧姆的连接。有进步，但还不够好。一个较低的电阻值，如20欧姆可能是一个更好的选择。 |
数字7(a)在pcb之间插入一个EMI吸收片(b)放大视图(c)使用来自Fair-rite的两个EMI抑制板来实现衰减
结论
本文综述了结构共振及其电磁干扰影响方面的工作。提出了识别和定位结构共振的方法，讨论了挑战，并使用实际实例提出了修复建议。
