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技術(shù)專題
PCB布局中的微波諧振腔輻射
在設(shè)計(jì)數(shù)字電路板時(shí)，通常不考慮信號(hào)的帶寬，除非您正在進(jìn)行極快的設(shè)計(jì)。數(shù)字世界實(shí)際上是模擬世界中多個(gè)范圍的總和。換句話說(shuō)，許多模擬效果相互求和，以創(chuàng)建通常被視為僅限于數(shù)字系統(tǒng)的效果。這是一個(gè)廣泛的學(xué)科，以至于產(chǎn)生了自己的數(shù)學(xué)領(lǐng)域，即變換理論，其中拉普拉斯和傅立葉變換是工程師中最著名的。
在這里，我不想集中討論高速PCB設(shè)計(jì)中的傳輸理論。但是，由于數(shù)字和模擬系統(tǒng)中微波頻率下的共振，會(huì)產(chǎn)生一些影響。高頻諧振腔只是高頻下模擬信號(hào)完整性和電源完整性問(wèn)題的許多原因之一，但是帶寬較寬的數(shù)字信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生相同的效果。之所以會(huì)產(chǎn)生這些效果，是因?yàn)?span>PCB的復(fù)雜結(jié)構(gòu)就像是微波諧振腔，并且有助于理解這些諧振在PCB中是如何產(chǎn)生的。
了解微波腔諧振器
微波諧振腔的工作原理與其他諧振腔相同。如果以正確的頻率提供諧振器，則您會(huì)在諧振頻率處看到很大的響應(yīng)。在電磁諧振器中，接地平面和電源平面，過(guò)孔和其他導(dǎo)體的布置使電磁波被捕獲在基板的不同區(qū)域中。
為了更好地了解空腔共振，最好將您的PCB基板視為一個(gè)矩形盒，其中有一個(gè)波在其中傳播。請(qǐng)注意，當(dāng)信號(hào)在走線上傳播時(shí)，該信號(hào)會(huì)在導(dǎo)體及其參考平面之間發(fā)射一些電場(chǎng)和磁場(chǎng)。由于信號(hào)在高和低狀態(tài)（數(shù)字信號(hào)）之間切換，或以某個(gè)頻率（模擬信號(hào)）振蕩，因此該信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波，該波傳播遠(yuǎn)離走線。
下圖顯示了PCB上微帶走線的典型情況。圖像中的方程式顯示了橫截面共振（沿x和y方向），這些共振可以通過(guò)沿軌跡傳播的信號(hào)來(lái)激發(fā)。這些共振還定義了微帶結(jié)構(gòu)內(nèi)激發(fā)的不同模式的截止頻率。準(zhǔn)TEM模式是低頻的主導(dǎo)模式。如果它看起來(lái)像一個(gè)波導(dǎo)，那您就離目標(biāo)不遠(yuǎn)了。使用等效波導(dǎo)模型是推導(dǎo)微帶傳輸線特征阻抗的正確方法。
微帶線的諧振，它基本上是一個(gè)長(zhǎng)的，帶有開放側(cè)邊的微波腔諧振器。
在此，微帶基本上起開放式微波腔諧振器的作用。一旦線路上的頻率超過(guò)一定水平，就會(huì)激發(fā)TE01模式，并且電磁場(chǎng)的空間分布也會(huì)改變。對(duì)于FR4上與其參考平面相隔0.785 mm的典型微帶線，TE01模式在?90 GHz處被激發(fā)。但是，您無(wú)需激發(fā)更高階的諧振就可以在PCB的其他地方看到空腔諧振。微帶的發(fā)射會(huì)激發(fā)PCB其他區(qū)域的諧振腔。如果信號(hào)的頻率/帶寬足夠大，PCB中各種導(dǎo)體之間的尺寸將決定可能激發(fā)的其他可能的諧振。
因?yàn)槲系男盘?hào)發(fā)射的輻射線遠(yuǎn)離走線，所以它的作用就像是EM輻射源，它會(huì)激發(fā)電路板其他區(qū)域的其他諧振。這就是為什么除了串?dāng)_和光纖編織效應(yīng)之類的影響之外，我們還在微波頻率處產(chǎn)生諧振腔的原因。由于數(shù)字信號(hào)具有較寬的帶寬，可以跨越分配給PCB中其他結(jié)構(gòu)的多個(gè)諧振腔諧振頻率，因此它可以激發(fā)多個(gè)諧振腔諧振，從而從板的邊緣產(chǎn)生寬頻譜的發(fā)射。
PCB的邊緣發(fā)射在研究界被稱為腔共振邊緣效應(yīng)（CREE）。各種邊緣發(fā)射模式非常難以預(yù)測(cè)，并且不通過(guò)簡(jiǎn)單的整數(shù)倍相互關(guān)聯(lián)。相反，在高頻下執(zhí)行EMI測(cè)試時(shí)，您將測(cè)量由多個(gè)源（包括諧振腔）引起的大量峰值。請(qǐng)參閱本文以獲取有關(guān)CREE和輻射EMI的更多信息。
PDN中的微波腔諧振
如果查看典型的PDN阻抗頻譜，您會(huì)看到在高達(dá)GHz范圍的低頻處出現(xiàn)的一系列峰谷。PDN設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)使所有阻抗諧振低于某個(gè)目標(biāo)值，在整個(gè)相關(guān)信號(hào)帶寬內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)平坦的PDN阻抗。當(dāng)諧振腔開始主導(dǎo)PDN阻抗時(shí)，當(dāng)您看到超過(guò)1 GHz的頻率時(shí)，阻抗峰值的設(shè)置將變得更加復(fù)雜。
PDN阻抗譜示例（自阻抗）。約1 GHz以上的復(fù)雜頻譜是由于PDN阻抗中的諧振腔引起的。
PDN上發(fā)生的紋波還會(huì)產(chǎn)生一些場(chǎng)發(fā)射，當(dāng)它激發(fā)附近結(jié)構(gòu)中的微波腔諧振器模式時(shí)，會(huì)以表面和邊緣發(fā)射的形式出現(xiàn)。在上面的PDN頻譜中，阻抗圖中1至7 GHz的共振和反共振歸因于PDN結(jié)構(gòu)內(nèi)部和附近的腔體共振。分立電容器與PDN電容并聯(lián)出現(xiàn)，通過(guò)提供一定的阻尼，它們還將在整個(gè)阻抗譜中加寬這些峰值。有關(guān)在PDN的阻尼腔諧振中使用分立電容器的更多信息。
抑制微波腔共振
不幸的是，要防止腔共振的發(fā)生還沒(méi)有很多事情可以做。它們將一直發(fā)生，這是在實(shí)際的EMI / EMC測(cè)試中是否會(huì)注意到它們的問(wèn)題。設(shè)計(jì)電路板時(shí)，需要考慮一些選項(xiàng)：
請(qǐng)使用Dk值較低的PCB基板材料。從上面可以看出，這將高階諧振推向了高頻。這對(duì)信號(hào)完整性有利，但對(duì)功率完整性不利，因?yàn)樗档土似矫骈g電容。
選擇HDI布局和路由。使用物理上更小的結(jié)構(gòu)還將各種諧振腔諧振頻率推到更高的值。物理上較小的跡線也會(huì)發(fā)出較少的能量，因此任何激發(fā)的共振都不會(huì)那么強(qiáng)烈。
包括隔離結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，尤其是在防護(hù)痕跡和通過(guò)圍欄的隔離結(jié)構(gòu)中。諸如共面波導(dǎo)或基片集成波導(dǎo)之類的模擬信號(hào)的替代結(jié)構(gòu)也是一種選擇，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└蟮淖匀桓綦x度。
保形涂料。這些涂層在高GHz頻率下可能具有吸收性，并且已知可以抑制PDN反共振。