近场与遠(yuǎn)场EMI：PCB产生噪声的原因是什么

2020-06-29

如果您是天線(xiàn)设计师，那么您可(kě)能(néng)会熟悉近场辐射与遠(yuǎn)场辐射的所有(yǒu)方面。鉴于一连串的辐射EMI问题会在電(diàn)子设备内部和外部引起噪声，因此人们可(kě)能(néng)会突然意识到他(tā)们的新(xīn)产品起着坚固的天線(xiàn)的作用(yòng)。要了解EMI如何影响電(diàn)路，可(kě)以帮助您准确了解PCB的近场辐射与遠(yuǎn)场辐射如何影响您通过EMC检查并影响電(diàn)路的能(néng)力。

正如我们将很(hěn)快看到的那样，设备内的辐射EMI通常是由近场辐射引起的，这可(kě)能(néng)是由于不良的隔离，叠层设计，接地或屏蔽引起的。相反，在遠(yuǎn)处测试了设备发出的辐射的行為(wèi)，以检查其如何将辐射传输到另一产品，从而潜在地在受害设备中产生噪声和干扰。这是每种辐射的工作方式以及區(qū)别近场与遠(yuǎn)场的原因。

近场与遠(yuǎn)场辐射和EMI

區(qū)分(fēn)两种类型的辐射需要比较从任何辐射EMI的源到辐射信号波長(cháng)的距离。在近场状态下，源和接收器之间的距离遠(yuǎn)小(xiǎo)于波長(cháng)。在遠(yuǎn)场政权中，情况恰恰相反。源和接收器之间的距离遠(yuǎn)大于发出的辐射的波長(cháng)。随着辐射从源发出，辐射最终以平面波或球形/椭圆形波的形式从源传播出去。

在EMC测试中，辐射的强度是在遠(yuǎn)场而不是近场中测量的。非常接近或接近于近场，来自源的辐射方向图仍然受源的几何形状影响，并且電(diàn)场可(kě)能(néng)尚未稳定為(wèi)清晰的谐波信号或传播的脉冲包络。由于PCB中的各种噪声源可(kě)以以各种频率辐射，因此被测信号将是各种噪声信号的简单叠加。这会产生通常在EMC测试中测量的噪声频谱。

还根据传播信号中的磁场和電(diàn)场所看到的自由空间阻抗来定义这两种状态。在近场中，磁场强度比電(diàn)场强，因此磁感应将主导噪声。有(yǒu)一个中间状态，称為(wèi)菲涅耳状态，其中波長(cháng)类似于到光源的距离。在菲涅耳状态下，磁场强度很(hěn)快变得与電(diàn)场强度非常相似。在遠(yuǎn)场状态下，两个场强相等。总结如下。

从近场政权向遠(yuǎn)场政权的过渡

遠(yuǎn)场发射功率是EMC测试中测量的主要量，尽管以長(cháng)波長(cháng)发射的附近设备（例如，以30 MHz的发射在1至10 m内发射）仍会将EMI引入附近设备的近场状态。进行遠(yuǎn)场测量的原因是可(kě)以使用(yòng)它来计算近场和菲涅耳區(qū)域的强度，从而使您可(kě)以全面了解所有(yǒu)重要情况下的EMI磁化率。

PCB中的近场辐射EMI

在PCB中，即使有(yǒu)快速数字信号（例如，带宽高达20 GHz），PCB辐射部分(fēn)发出的磁场通常也会在近场中出现，或者在较大的電(diàn)路板中会出现在菲涅耳區(qū)域中。其工作频率约為(wèi)75 GHz，其中Dk = 4的基板中的波長(cháng)降至1 mm ，因此辐射EMI处于遠(yuǎn)场。在实际電(diàn)路板上发生的串扰情况取决于我们在看数字信号还是模拟信号。

来自模拟信号的近场EMI

由于近场辐射具有(yǒu)强磁性，因此主要通过磁感应来接收。即使在高频下，紧密相隔的走線(xiàn)也可(kě)以将電(diàn)感耦合的近场EMI作為(wèi)串扰接收。在低于GHz的频率下，除非板子很(hěn)大，否则在板子的任何地方都可(kě)能(néng)接收到强烈辐射的EMI。本质上，電(diàn)路板上的每个電(diàn)路都像一组耦合的電(diàn)感器一样工作，并且可(kě)以在任何频率下接收谐波。这应该说明关键電(diàn)路块之间需要强隔离。

来自数字信号的近场EMI

同样，近场辐射始终是强磁性的，但是在开关事件期间，感应耦合的信号只会在附近的走線(xiàn)上产生。在这种情况下，描述这些脉冲在近场中的行為(wèi)需要在自由空间中使用(yòng)脉冲响应函数。信号处理(lǐ)社區(qū)应该熟悉这个想法。从本质上讲，这将产生大多(duō)数设计人员熟悉的经典電(diàn)感耦合串扰尖峰（FEXT和NEXT）。

解决这些近场辐射EMI问题仅是抑制串扰的问题。由于近场状态在磁场方面占主导地位，因此主要的设计解决方案包括：通过智能(néng)堆叠设计和迹線(xiàn)尺寸减小(xiǎo)环路電(diàn)感；使用(yòng)带有(yǒu)隔离结构的表面层网格来抑制電(diàn)路块之间的辐射EMI；在必要/可(kě)行的情况下，在关键電(diàn)路上添加EMI滤波器。