近場(chǎng)與遠場(chǎng)EMI：是什么導致電路設計中的噪聲問(wèn)題

2020-05-26

如果您是天線(xiàn)設計師，那么您可能會(huì )熟悉近場(chǎng)輻射與遠場(chǎng)輻射的所有方面。鑒于一連串的輻射EMI問(wèn)題會(huì )在電子設備內部和外部引起噪聲，因此人們可能會(huì )突然意識到他們的新產(chǎn)品就像一根堅固的天線(xiàn)。要了解EMI如何影響電路，可以幫助您準確了解電路設計的近場(chǎng)輻射與遠場(chǎng)輻射如何影響您通過(guò)EMC檢查并影響電路的能力。

就像我們將很快看到的那樣，設備內的輻射EMI通常是由近場(chǎng)輻射引起的，這可能是由于不良的隔離，疊層設計，接地或屏蔽引起的。相反，在遠處測試了設備發(fā)出的輻射的行為，以檢查其如何將輻射傳輸到另一種產(chǎn)品，從而可能在受害設備中產(chǎn)生噪聲和干擾。這是每種輻射的工作方式以及區別近場(chǎng)與遠場(chǎng)的方法。

近場(chǎng)與遠場(chǎng)輻射和EMI

區分兩種類(lèi)型的輻射需要比較從任何輻射EMI的源到輻射信號的波長(cháng)的距離。在近場(chǎng)狀態(tài)下，源和接收器之間的距離遠小于波長(cháng)。在遠場(chǎng)政權中，情況恰恰相反。源和接收器之間的距離遠大于發(fā)出的輻射的波長(cháng)。隨著(zhù)輻射從源發(fā)出，輻射最終以平面波或球形/橢圓形波的形式傳播遠離源。

在EMC測試中，輻射的強度是在遠場(chǎng)而不是近場(chǎng)中測量的。非常接近或在近場(chǎng)之內，來(lái)自源的輻射方向圖仍然受源的幾何形狀影響，并且電場(chǎng)可能尚未穩定為清晰的諧波信號或傳播的脈沖包絡(luò )。由于電路設計中的各種噪聲源可以以各種頻率輻射，因此被測信號將是各種噪聲信號的簡(jiǎn)單疊加。這會(huì )產(chǎn)生通常在EMC測試中測量的噪聲頻譜。

還根據傳播信號中的磁場(chǎng)和電場(chǎng)所看到的自由空間阻抗來(lái)定義這兩種狀態(tài)。在近場(chǎng)中，磁場(chǎng)強度比電場(chǎng)強，因此磁感應將主導噪聲。有一個(gè)中間狀態(tài)，稱(chēng)為菲涅耳狀態(tài)，其中波長(cháng)類(lèi)似于到光源的距離。在菲涅耳狀態(tài)下，磁場(chǎng)強度很快變得與電場(chǎng)強度非常相似。在遠場(chǎng)狀態(tài)下，兩個(gè)場(chǎng)強相等?？偨Y如下。

遠場(chǎng)發(fā)射功率是在EMC測試中測量的主要量，盡管以長(cháng)波長(cháng)發(fā)射的附近設備（例如，以30 MHz的發(fā)射在1至10 m內發(fā)射）仍會(huì )將EMI引入附近設備的近場(chǎng)狀態(tài)。進(jìn)行遠場(chǎng)測量的原因是可以使用它來(lái)計算近場(chǎng)和菲涅耳區域的強度，從而使您可以全面了解所有重要情況下的EMI磁化率。

電路設計中的近場(chǎng)輻射EMI

在電路設計中，即使有快速數字信號（例如，帶寬高達20 GHz），電路設計輻射部分發(fā)出的磁場(chǎng)通常也會(huì )在近場(chǎng)中出現，或者在較大的電路板中會(huì )出現在菲涅耳區域中。mmWave板例外，其工作頻率約為75 GHz，其中Dk = 4的基板中的波長(cháng)降至1 mm ，因此輻射EMI處于遠場(chǎng)。實(shí)際電路板在串擾方面會(huì )發(fā)生什么情況，取決于我們在看數字信號還是模擬信號。

來(lái)自模擬信號的近場(chǎng)EMI

由于近場(chǎng)輻射具有強磁性，因此主要通過(guò)磁感應來(lái)接收。即使在高頻下，緊密耦合的走線(xiàn)也可以將電感耦合的近場(chǎng)EMI作為串擾接收。在低于GHz的頻率下，除非板子很大，否則在板子的任何地方都可能接收到強烈輻射的EMI。本質(zhì)上，電路板上的每個(gè)電路都像一組耦合的電感器一樣工作，并且可以接收任何頻率的諧波。這應該說(shuō)明關(guān)鍵電路塊之間需要強隔離。

來(lái)自數字信號的近場(chǎng)EMI

同樣，近場(chǎng)輻射始終是強磁性的，但是在開(kāi)關(guān)事件期間，感應耦合的信號只會(huì )在附近的走線(xiàn)上產(chǎn)生。在這種情況下，描述這些脈沖在近場(chǎng)中的行為需要在自由空間中使用脈沖響應函數。信號處理社區應該熟悉這個(gè)想法。本質(zhì)上，這將產(chǎn)生大多數設計人員熟悉的經(jīng)典電感耦合串擾尖峰（FEXT和NEXT）。

解決這些近場(chǎng)輻射EMI問(wèn)題僅僅是抑制串擾的問(wèn)題。由于近場(chǎng)狀態(tài)在磁場(chǎng)方面占主導地位，因此主要的設計解決方案包括：通過(guò)智能堆疊設計和跡線(xiàn)尺寸減小環(huán)路電感；使用帶有隔離結構的表面層網(wǎng)格來(lái)抑制電路塊之間的輻射EMI；在必要/可行的情況下，在關(guān)鍵電路上添加EMI濾波器。