PCB布局中的微波諧振腔輻射

2020-11-03

在設計數字電路板時(shí)，通常不考慮信號的帶寬，除非您正在進(jìn)行極快的設計。數字世界實(shí)際上是模擬世界中多個(gè)范圍的總和。換句話(huà)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字系統的效果。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(zhù)名的。

在這里，我不想集中討論高速PCB設計中的傳輸理論。但是，由于數字和模擬系統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，但是帶寬較寬的數字信號也會(huì )產(chǎn)生相同的效果。之所以會(huì )產(chǎn)生這些效果，是因為PCB的復雜結構就像是微波諧振腔，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。在電磁諧振器中，接地平面和電源平面，過(guò)孔和其他導體的布置使電磁波被捕獲在基板的不同區域中。

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。請注意，當信號在走線(xiàn)上傳播時(shí)，該信號會(huì )在導體及其參考平面之間發(fā)射一些電場(chǎng)和磁場(chǎng)。由于信號在高和低狀態(tài)（數字信號）之間切換，或以某個(gè)頻率（模擬信號）振蕩，因此該信號會(huì )產(chǎn)生一個(gè)波，該波傳播遠離走線(xiàn)。

下圖顯示了PCB上微帶走線(xiàn)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)沿軌跡傳播的信號來(lái)激發(fā)。這些共振還定義了微帶結構內激發(fā)的不同模式的截止頻率。準TEM模式是低頻的主導模式。如果它看起來(lái)像一個(gè)波導，那您就離目標不遠了。使用等效波導模型是推導微帶傳輸線(xiàn)特征阻抗的正確方法。

微帶線(xiàn)的諧振，它基本上是一個(gè)長(cháng)的，帶有開(kāi)放側邊的微波腔諧振器。

在此，微帶基本上起開(kāi)放式微波腔諧振器的作用。一旦線(xiàn)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。對于FR4上與其參考平面相隔0.785 mm的典型微帶線(xiàn)，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其他區域的諧振腔。如果信號的頻率/帶寬足夠大，PCB中各種導體之間的尺寸將決定可能激發(fā)的其他可能的諧振。

因為微帶上的信號發(fā)射的輻射線(xiàn)遠離走線(xiàn)，所以它的作用就像是EM輻射源，它會(huì )激發(fā)電路板其他區域的其他諧振。這就是為什么除了串擾和光纖編織效應之類(lèi)的影響之外，我們還在微波頻率處產(chǎn)生諧振腔的原因。由于數字信號具有較寬的帶寬，可以跨越分配給PCB中其他結構的多個(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(chēng)為腔共振邊緣效應（CREE）。各種邊緣發(fā)射模式非常難以預測，并且不通過(guò)簡(jiǎn)單的整數倍相互關(guān)聯(lián)。相反，在高頻下執行EMI測試時(shí)，您將測量由多個(gè)源（包括諧振腔）引起的大量峰值。請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GHz范圍的低頻處出現的一系列峰谷。PDN設計的目標是通過(guò)使所有阻抗諧振低于某個(gè)目標值，在整個(gè)相關(guān)信號帶寬內設計相對平坦的PDN阻抗。當諧振腔開(kāi)始主導PDN阻抗時(shí)，當您看到超過(guò)1 GHz的頻率時(shí)，阻抗峰值的設置將變得更加復雜。

PDN阻抗譜示例（自阻抗）。約1 GHz以上的復雜頻譜是由于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，當它激發(fā)附近結構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。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結構內部和附近的腔體共振。分立電容器與PDN電容并聯(lián)出現，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測試中是否會(huì )注意到它們的問(wèn)題。設計電路板時(shí)，需要考慮一些選項：

請使用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。這對信號完整性有利，但對功率完整性不利，因為它降低了平面間電容。

選擇HDI布局和路由。使用物理上更小的結構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(xiàn)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 )那么強烈。

包括隔離結構。這是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，尤其是在防護痕跡和通過(guò)圍欄的隔離結構中。諸如共面波導或基片集成波導之類(lèi)的模擬信號的替代結構也是一種選擇，因為它們可以提供更大的自然隔離度。

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。