掌握EMC秘诀：打造卓越性能的射频PCB设计

关于设计电磁兼容（EMC）的PC板布局。电磁兼容性，简称EMC，是指你的电路板或系统能够在射频干扰存在的情况下正常运行，同时确保你的系统不会干扰其他系统。以下是一些关于电磁合规性的基本定义。

在某些情况下，设计为在低频下工作的电路可能会忽略高频射频信号。这通常是由于PCB设计技术不佳所导致的。例如，在接地平面上跨越间隙传输50MHz的数字通信信号可能会引起射频发射。如果这些发射离开PCB并通过空气传播，则被视为辐射。

另一方面，如果辐射通过电缆传播，则被视为传导辐射。射频辐射可能被其他电路接收并影响电路性能。受射频辐射影响的电路可能对此问题敏感或不敏感。例如，长的PCB走线或电缆可能充当良好的天线，并且特别容易受到干扰。电路对射频干扰的敏感程度称为电路的射频敏感性或免疫性。

最后，应该注意的是，有些电路会故意辐射，而有些辐射则是无意的。例如，手机被设计为传输射频信号，因此它是一个故意辐射器。另一方面，我们之前提到的数字通信并不是为了辐射射频噪声。本内容的主要目标之一是提供方法，以最小化无意辐射，并提高电路对射频噪声的免疫性。

上图中：

下图展示了10MHz数字方波如何包含高达Ghz的频率成分。从技术上讲，我们这里考虑的波形是梯形波，因为该波形具有有限的上升和下降时间。傅里叶定理指出，任何周期性信号都可以表示为无穷多个正弦波的叠加，这被称为傅里叶级数。梯形波的傅里叶级数如右侧所示。方波的频率为10MHz。这意味着傅里叶级数将具有一个10MHz的基波成分，然后理论上将包含直至无限高频的频率成分。幸运的是，谐波成分迅速衰减，因此从实际角度来看，在某些高频处，谐波较小。

分析傅里叶级数表明，在略高于基波的频率处，谐波的衰减斜率为20dB/十倍（每十倍衰减20dB），然后在更高频率处增加到40dB/十倍。衰减斜率从20dB/十倍变为40dB/十倍的点被视为射频辐射带宽。在带宽限制之后，从辐射角度来看，谐波被认为是不显著的。带宽是通过取上升时间的倒数再乘以π的倒数来计算的。因此，方波的上升时间是决定谐波延伸频率范围的关键因素。

这里显示的两个方波具有相同的基波频率，但上升时间不同。第一个示例具有快速的1ns上升时间，带宽限制为318MHz。第二个具有较慢的5ns上升时间，其带宽限制为64MHz。稍后，我们将看到测量结果，展示不同上升时间下的射频辐射情况。

以下是我们为印刷电路板（PC板）上的电磁波提供的速度和波长的方程。速度是通过将光速除以PC板介电材料的相对磁导率的平方根来确定的。FR4是最常见的介电材料类型，其相对介电常数约为4.5。这个数值的控制并不精确，可能会有较大变化。高频电路板通常会使用控制更好的介电材料，无论如何，使用FR4介电材料并应用该方程，计算出的速度为1.414×10^8米/秒。

电磁信号的波长是通过将速度除以应用频率来确定的。因此，对于10Ghz的信号，波长为14毫米。波长对于PC板设计很重要，因为它可以指示走线或电缆作为天线的性能如何。长度为四分之一波长的倍数的走线可以作为良好的天线。从射频角度来看，长度短于十分之一波长的走线被视为短走线。我们将在本文中多次引用这些方程。

一个关键问题是，我们不希望在PCB设计中产生非预期辐射。当PCB上的长走线像天线一样工作时，就可能会发生非预期辐射。此外，在PCB走线下方保持一个连续的接地平面也很重要。如果接地平面上存在如右侧所示的缝隙，这可能会引起辐射问题。我们稍后将详细讨论这一点，但现在我希望大家知道，任何能作为发射天线的结构，同样也能作为接收天线良好工作。天线既能作为发射器也能作为接收器同样有效工作的原理被称为互易性。请记住，当我们讨论导致发射的PCB设计问题时，同样的设计也可能引发抗噪性问题。

在上面的例子中，跨接地平面的分裂处传输数字信号会引起辐射。将低电平模拟信号放置在分裂处上方不太可能引起辐射问题，但由于互易性，它会成为一个良好的接收器，并接收到射频噪声。最后，如果你想创建一个有意发射器，比如蓝牙设备，一种创建天线的方法是在接地平面上跨分裂处传输信号。左侧的图片是一个维瓦尔第（Vivaldi）PCB天线，其中信号在顶层跨接地平面的分裂处传输。请注意这个结构与非预期天线的相似性。我们将再次回到跨接地回路中的间隙传输信号的例子，因为这是最常见的电磁兼容性（EMC）设计错误之一。

在GND（地线）回路中的间隙上传输低电平模拟信号会使其容易受到射频辐射的干扰。

以下我们介绍一些基本的PCB布局定义。左侧的图是一个四层PCB，包括顶层和底层，以及两个内层。通常，内层用于接地平面和电源平面，而外层用于信号走线。PCB上的功能顺序和层数称为层叠结构。因此，例如，一个四层板可能有以下层叠结构：顶层信号、内层1接地、内层2电源、底层信号。PCB中的各层由一种称为介电材料的玻璃纤维绝缘材料分隔。最常用的介电材料是FR4。

高频设计可能需要使用更昂贵的介电材料，但我们这里只讨论FR4。PCB芯板是一种带有两层铜的刚性介电材料。四层板是通过在芯板的顶部和底部添加一层称为预浸料的薄介电材料，然后再覆上顶层和底层铜层来制作的。这里需要重点注意的是，与预浸料的厚度相比，芯板的厚度通常较大。因此，顶层和底层非常接近内层。从电磁兼容性（EMC）的角度来看，这一点非常重要。

除了了解基本的PCB构造外，了解一些常见的PCB几何结构也很重要。微带线是位于铜平面上方的一条单一PCB走线，而带状线则是置于两个返回平面之间的一条PCB走线。走线的长度和宽度以及介电材料的厚度会影响PCB的各种特性，如阻抗。我们将在后续内容中多次提及微带线和带状线的配置。

上图中：

• 预浸料/介电材料（Prepreg / Dielectric） – 用于核心与顶层或底层铜箔之间（或多个核心之间）的绝缘玻璃纤维材料。FR4是一种常见的介电材料。
• 芯板（Core） – 单面或双面覆铜的刚性基材。
• 层叠结构（Stackup） – PCB中层的顺序和数量。（例如，四层层叠结构：顶层=信号，内层1=接地，内层2=电源，底层=信号2）。
• 微带线（Microstrip） – 位于接地平面或电源平面上方的信号走线。
• 带状线（Stripline） – 夹在两个平面之间的信号走线。

下图展示了一个典型的混合信号系统。来自桥式传感器的低电平模拟信号被输入到仪表放大器中，然后经过一个高速运算放大器。运算放大器驱动一个模数转换器，该转换器连接到一个精密电压基准和微控制器。在这个系统中，应关注快速瞬变，因为它们是射频辐射最可能的噪声源。数字I/O信号、参考输入和模数转换器输入都与开关瞬变相关。有许多技术可以用来最小化噪声。例如，确保接地回路连续是非常重要的。合理的布局和去耦电容的选择也有助于最小化噪声。

从数字角度来看，最小化过冲和反射可以减少噪声和串扰。敏感的低电平模拟信号可能不是噪声源，但它很容易受到噪声的影响，从而导致较大的测量误差。对于低电平信号，最小化走线长度并使其远离瞬变可以帮助防止噪声耦合。使用差分线和适当的滤波也可以减少噪声对模拟器件的影响。

Tips：一些关于PCB的EMC设计常见的问题及回答

1、以下哪个会产生更高频率的射频发射：

a)一个上升时间为1ns的10MHz方波。

b)一个上升时间为5ns的50MHz方波。

回答：正确答案是“a”，即上升时间为1ns的10MHz方波。请记住，方波会包含高频成分。方波的上升时间将决定该信号在频率上的扩展范围。可以使用公式1/(π*tr)来估算方波的上限频率。2、你可能会在低电平直流模拟信号中遇到哪种电磁兼容（EMC）问题？a)它可能会成为一个非预期的发射源。
b)它可能会成为一个非预期的接收器。回答：正确答案是“b”，它可能会成为一个非预期的接收器。

在电磁环境中，各种电子设备会发射和接收电磁波。低电平直流模拟信号由于其信号幅值较低，对外部电磁干扰更为敏感。当周围环境中存在其他电子设备发射的电磁场时，这些电磁场可能会耦合到低电平直流模拟信号电路中，对其产生干扰。

具体来说，如果低电平直流模拟信号电路的布局或屏蔽措施不当，它可能会“接收”到来自其他设备的电磁干扰信号。这些干扰信号可能会叠加在原始信号上，导致信号失真或产生误差。例如，在精密测量或控制系统中，低电平直流模拟信号可能用于检测微小的物理量变化，如压力、温度或电流等。如果受到外部电磁干扰，这些测量或控制结果可能会变得不准确。

3、为什么根据互易性原理，一个作为发射天线效果良好的结构，同样也会作为接收天线表现出良好的性能。回答：天线是一种能量转换和传输装置，它能够将导波能量转化为电磁波能量，或者将电磁波能量转化为导波能量。

无论是发射天线还是接收天线，它们的基本功能都是实现这种能量的转换。因此，一个结构如果能够有效地将导波能量转化为电磁波能量并发射出去（即作为发射天线效果良好），那么它同样也应该能够有效地将电磁波能量转化为导波能量并接收下来（即作为接收天线表现出良好的性能）。

根据互易定理，同一天线在发射和接收状态下的主要参数是相同的，如方向图函数、阻抗等。这些参数与天线工作的收发模式无关，是天线本身的固有属性。因此，一个结构如果作为发射天线具有良好的方向性和阻抗匹配特性，那么它同样也会作为接收天线表现出良好的方向性和阻抗匹配特性。