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1.電源/地平面電磁場(chǎng)輻射機(jī)理

1.1多層PCB簡(jiǎn)介

現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路使得封裝密度極大地提高、互連線大量集中，從而導(dǎo)致一系列復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題的出現(xiàn)，如噪聲、串?dāng)_、寄生電容等。所以，印制電路板設(shè)計(jì)必須致力于使信號(hào)線長(zhǎng)度最小以及避免平行路線等。在大量互連和交叉需求的情況下，電路板要達(dá)到一個(gè)滿意的性能，就必須將板層擴(kuò)大到兩層以上，因而出現(xiàn)了多層電路板。多層電路板的層數(shù)可從4層到50層以上，典型的4層板結(jié)構(gòu)如下圖所示。

第1層為信號(hào)層，放置高頻元件和傳輸線，第2層為地層，第3層為電源層，第4層為信號(hào)層，放置低頻元件和傳輸線。

六層板結(jié)構(gòu)如下圖所示，第1、2層為信號(hào)層，第3層為地層，第4層為電源層，第5、6層為信號(hào)層。

1.2電源/地平面結(jié)構(gòu)分析

在高速多層印制電路板設(shè)計(jì)中，采用電源/地平面供電，電源/地平面又常常稱為參考平面，電源/地平面的結(jié)構(gòu)如下圖所示。通常來(lái)說(shuō)，PCB布線中將電源平面和地平面設(shè)計(jì)成緊鄰的平行板電容器，目的是形成耦合電容，并與PCB板上的去耦電容共同作用，降低電源平面阻抗，為電流提供了一條低阻抗電流通路，同時(shí)獲得較寬的濾波效果。這種低阻抗通路提高了高速功率傳輸?shù)男?、高速信?hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量并減小了高速信號(hào)的EMI問(wèn)題。但是在更高的頻率上，這些平板的尺寸變得可以和介質(zhì)中的波長(zhǎng)相比擬，整個(gè)電源地結(jié)構(gòu)將類似一個(gè)諧振腔，會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。

諧振腔是中空的金屬腔，電磁波在腔內(nèi)以某些特定頻率振蕩腔壁(邊界)制約著腔內(nèi)的電磁波的形態(tài)。諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的電磁波，受到了金屬腔壁的制約，金屬腔壁成為電磁場(chǎng)存在的邊界，因而討論導(dǎo)體界面的邊界條件十分重要。諧振腔問(wèn)題就是有界空間的電磁波傳播問(wèn)題，它們屬于電磁場(chǎng)的邊值問(wèn)題。在理想的無(wú)耗諧振腔內(nèi)，任何電磁擾動(dòng)一旦發(fā)生就永不停歇，當(dāng)擾動(dòng)頻率恰使腔內(nèi)的平均電能和平均磁能相等時(shí)便發(fā)生諧振，這個(gè)頻率稱為諧振頻率。腔內(nèi)的電磁場(chǎng)可根據(jù)諧振腔的邊界條件求解麥克斯韋方程組而得出，它是一組具有一定正交性的電磁場(chǎng)模式的疊加。按波導(dǎo)兩端被短路的觀點(diǎn)，腔內(nèi)的電磁場(chǎng)也可認(rèn)為是波在腔壁上來(lái)回反射而形成的駐波場(chǎng)。當(dāng)腔長(zhǎng)等于某種模式的1/2波導(dǎo)波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)，該模式發(fā)生諧振，稱為諧振模。

電源/地平面屬于扁平結(jié)構(gòu)，上下的金屬平面在z方向構(gòu)成電壁，能夠約束電磁場(chǎng)在z方向傳播，同時(shí)由于金屬平面對(duì)于有效介電常數(shù)的影響，在金屬平面邊緣構(gòu)成磁壁，能夠約束電磁場(chǎng)在xy方向的傳播。由于z方向疊層非常小，電磁場(chǎng)沿著z方向無(wú)變化，也就是在z方向不存在諧振，所以只需要考慮xy方向。在中低頻時(shí)，電源/地平面對(duì)被當(dāng)作一個(gè)理想電容來(lái)看待，其等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感都很小。在頻率很高的情況下，電源地平面對(duì)變成了一個(gè)諧振腔，當(dāng)電磁場(chǎng)的頻率和 xy方向的金屬平面尺寸滿足一定關(guān)系的時(shí)候，電磁場(chǎng)就發(fā)生諧振現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)候?qū)?yīng)的頻率就是諧振頻率，這個(gè)時(shí)候的場(chǎng)分布就是諧振模式。在諧振頻率點(diǎn)附近，電源/地平面的阻抗變得很大，如果信號(hào)工作頻率或者其高次諧波正好在這個(gè)諧振頻率上，那么整個(gè)系統(tǒng)就是一個(gè)巨大的干擾輻射源。

1.3電源/地平面的邊緣輻射

電源/地平面對(duì)構(gòu)成了平行板諧振腔。對(duì)于PEC(理想電導(dǎo)體)邊界，即邊緣短路的情況下，在PCB邊緣處電場(chǎng)總是等于零，這種結(jié)構(gòu)平面的邊緣不會(huì)向外輻射電磁場(chǎng)。對(duì)于PMC(理想磁導(dǎo)體)邊界，即邊緣開(kāi)路的情況下，場(chǎng)的最大值位于邊緣，因此電源噪聲能導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁場(chǎng)輻射。因此電源噪聲與電源/地平面結(jié)構(gòu)的諧振模式關(guān)系密切。

在高速數(shù)字電路中，當(dāng)數(shù)字集成電路加電工作時(shí)，它內(nèi)部的門電路輸出會(huì)發(fā)生從高電平到低電平或者從低電平到高電平的切換，即0和1間的轉(zhuǎn)換。在變化的過(guò)程中門電路中的晶體管將不停地導(dǎo)通和截止，這時(shí)會(huì)有電流從所接電源流入門電路，或者從門電

路流入地線，使電源線或者地線上的電流產(chǎn)生不平衡，從而產(chǎn)生一個(gè)瞬間變化的電流△I，這個(gè)電流在流經(jīng)回流路徑上存在的電感時(shí)會(huì)形成交流電壓降，進(jìn)而引起噪聲。導(dǎo)致電源噪聲的源頭有兩種：

(1)同步開(kāi)關(guān)噪聲(Simultaneous Switch Noise，SSN)是指當(dāng)多個(gè)器件同時(shí)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生瞬間變化的電流，在經(jīng)過(guò)回流途徑上存在的電感時(shí)，形成交流壓降，從而引起的噪聲。

(2)信號(hào)透過(guò)過(guò)孔換層走線時(shí)，參考平面發(fā)生改變，返回電流不連續(xù)所引起的地彈。當(dāng)過(guò)孔開(kāi)關(guān)電流的諧波分量與電源/地平面平面組成的諧振腔的固有頻率一致時(shí)，平面就會(huì)產(chǎn)生諧振，在諧振頻率附近，PCB平面會(huì)向周圍輻射大量的電磁波，該電磁輻射是通過(guò)PCB邊緣向外輻射，即邊緣輻射，如下圖所示。

1.4微帶天線輻射機(jī)理

典型的PCB結(jié)構(gòu)含有大量的過(guò)孔，每一個(gè)過(guò)孔即可以作為激勵(lì)源也可以作為其他過(guò)孔的接受體，同時(shí)也是PCB邊緣反射能量的接受體。過(guò)孔可以等效成一根同軸電纜，將能量饋入PCB板之間。PCB電源/地平面的輻射原理與微帶天線本質(zhì)相同，微帶天線的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

微帶天線的輻射機(jī)理可由矩形微帶貼片來(lái)理解。如下圖所示，貼片尺寸為W×L，介質(zhì)基片厚度為h<<λ0，λ0為自由空間波長(zhǎng)。微帶貼片可看作為寬W長(zhǎng)L的一段微帶傳輸線，其終端(W邊)處因?yàn)槌尸F(xiàn)開(kāi)路，將形成電壓波腹。一般取L≈λm/2，λm為微帶線上波長(zhǎng)。

于是另一端(W邊)處也呈電壓波腹此時(shí)電場(chǎng)可近似表達(dá)為(設(shè)沿貼片寬度和基片厚度方向電場(chǎng)無(wú)變化)：

天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成。由等效原理知，窄縫上的電場(chǎng)的輻射可由面磁流的輻射來(lái)等效。等效的面磁流密度為：

可以看到，沿兩條W邊的磁流是同向的，故其輻射場(chǎng)在貼片法線方向(z軸)同相相加，呈最大值，且隨偏離此方向的角度的增大而減小，形成邊射方向圖。沿每條L邊的磁流都由反對(duì)稱的兩部分構(gòu)成，它們?cè)贖面(yz平面)上各處的輻射相互抵消；而兩條L邊的磁流又彼此呈反對(duì)稱分布，因而在E面(xz平面)上各處，它們的場(chǎng)也都相消，在其它平面上這些磁流的輻射不會(huì)完全相消，但與沿兩條W邊的輻射相比，都相當(dāng)弱。