PCB布局中的微波谐振腔辐射

2020-11-03

在设计数字電(diàn)路板时，通常不考虑信号的带宽，除非您正在进行极快的设计。数字世界实际上是模拟世界中多(duō)个范围的总和。换句话说，许多(duō)模拟效果相互求和，以创建通常被视為(wèi)仅限于数字系统的效果。这是一个广泛的學(xué)科(kē)，以至于产生了自己的数學(xué)领域，即变换理(lǐ)论，其中拉普拉斯和傅立叶变换是工程师中最著名的。

在这里，我不想集中讨论高速PCB设计中的传输理(lǐ)论。但是，由于数字和模拟系统中微波频率下的共振，会产生一些影响。高频谐振腔只是高频下模拟信号完整性和電(diàn)源完整性问题的许多(duō)原因之一，但是带宽较宽的数字信号也会产生相同的效果。之所以会产生这些效果，是因為(wèi)PCB的复杂结构就像是微波谐振腔，并且有(yǒu)助于理(lǐ)解这些谐振在PCB中是如何产生的。

了解微波腔谐振器

微波谐振腔的工作原理(lǐ)与其他(tā)谐振腔相同。如果以正确的频率提供谐振器，则您会在谐振频率处看到很(hěn)大的响应。在電(diàn)磁谐振器中，接地平面和電(diàn)源平面，过孔和其他(tā)导體(tǐ)的布置使電(diàn)磁波被捕获在基板的不同區(qū)域中。

為(wèi)了更好地了解空腔共振，最好将您的PCB基板视為(wèi)一个矩形盒，其中有(yǒu)一个波在其中传播。请注意，当信号在走線(xiàn)上传播时，该信号会在导體(tǐ)及其参考平面之间发射一些電(diàn)场和磁场。由于信号在高和低状态（数字信号）之间切换，或以某个频率（模拟信号）振荡，因此该信号会产生一个波，该波传播遠(yuǎn)离走線(xiàn)。

下图显示了PCB上微带走線(xiàn)的典型情况。图像中的方程式显示了横截面共振（沿x和y方向），这些共振可(kě)以通过沿轨迹传播的信号来激发。这些共振还定义了微带结构内激发的不同模式的截止频率。准TEM模式是低频的主导模式。如果它看起来像一个波导，那您就离目标不遠(yuǎn)了。使用(yòng)等效波导模型是推导微带传输線(xiàn)特征阻抗的正确方法。

微带線(xiàn)的谐振，它基本上是一个長(cháng)的，带有(yǒu)开放侧边的微波腔谐振器。

在此，微带基本上起开放式微波腔谐振器的作用(yòng)。一旦線(xiàn)路上的频率超过一定水平，就会激发TE01模式，并且電(diàn)磁场的空间分(fēn)布也会改变。对于FR4上与其参考平面相隔0.785 mm的典型微带線(xiàn)，TE01模式在〜90 GHz处被激发。但是，您无需激发更高阶的谐振就可(kě)以在PCB的其他(tā)地方看到空腔谐振。微带的发射会激发PCB其他(tā)區(qū)域的谐振腔。如果信号的频率/带宽足够大，PCB中各种导體(tǐ)之间的尺寸将决定可(kě)能(néng)激发的其他(tā)可(kě)能(néng)的谐振。

因為(wèi)微带上的信号发射的辐射線(xiàn)遠(yuǎn)离走線(xiàn)，所以它的作用(yòng)就像是EM辐射源，它会激发電(diàn)路板其他(tā)區(qū)域的其他(tā)谐振。这就是為(wèi)什么除了串扰和光纤编织效应之类的影响之外，我们还在微波频率处产生谐振腔的原因。由于数字信号具有(yǒu)较宽的带宽，可(kě)以跨越分(fēn)配给PCB中其他(tā)结构的多(duō)个谐振腔谐振频率，因此它可(kě)以激发多(duō)个谐振腔谐振，从而从板的边缘产生宽频谱的发射。

PCB的边缘发射在研究界被称為(wèi)腔共振边缘效应（CREE）。各种边缘发射模式非常难以预测，并且不通过简单的整数倍相互关联。相反，在高频下执行EMI测试时，您将测量由多(duō)个源（包括谐振腔）引起的大量峰值。请参阅本文(wén)以获取有(yǒu)关CREE和辐射EMI的更多(duō)信息。

PDN中的微波腔谐振

如果查看典型的PDN阻抗频谱，您会看到在高达GHz范围的低频处出现的一系列峰谷。PDN设计的目标是通过使所有(yǒu)阻抗谐振低于某个目标值，在整个相关信号带宽内设计相对平坦的PDN阻抗。当谐振腔开始主导PDN阻抗时，当您看到超过1 GHz的频率时，阻抗峰值的设置将变得更加复杂。

PDN阻抗谱示例（自阻抗）。约1 GHz以上的复杂频谱是由于PDN阻抗中的谐振腔引起的。

PDN上发生的纹波还会产生一些场发射，当它激发附近结构中的微波腔谐振器模式时，会以表面和边缘发射的形式出现。在上面的PDN频谱中，阻抗图中1至7 GHz的共振和反共振归因于PDN结构内部和附近的腔體(tǐ)共振。分(fēn)立電(diàn)容器与PDN電(diàn)容并联出现，通过提供一定的阻尼，它们还将在整个阻抗谱中加宽这些峰值。有(yǒu)关在PDN的阻尼腔谐振中使用(yòng)分(fēn)立電(diàn)容器的更多(duō)信息。

抑制微波腔共振

不幸的是，要防止腔共振的发生还没有(yǒu)很(hěn)多(duō)事情可(kě)以做。它们将一直发生，这是在实际的EMI / EMC测试中是否会注意到它们的问题。设计電(diàn)路板时，需要考虑一些选项：

请使用(yòng)Dk值较低的PCB基板材料。从上面可(kě)以看出，这将高阶谐振推向了高频。这对信号完整性有(yǒu)利，但对功率完整性不利，因為(wèi)它降低了平面间電(diàn)容。

选择HDI布局和路由。使用(yòng)物(wù)理(lǐ)上更小(xiǎo)的结构还将各种谐振腔谐振频率推到更高的值。物(wù)理(lǐ)上较小(xiǎo)的迹線(xiàn)也会发出较少的能(néng)量，因此任何激发的共振都不会那么强烈。

包括隔离结构。这是一个活跃的研究领域，尤其是在防护痕迹和通过围栏的隔离结构中。诸如共面波导或基片集成波导之类的模拟信号的替代结构也是一种选择，因為(wèi)它们可(kě)以提供更大的自然隔离度。

保形涂料。这些涂层在高GHz频率下可(kě)能(néng)具有(yǒu)吸收性，并且已知可(kě)以抑制PDN反共振。