EMC學習之電磁輻射

06-26

EMC學習之電磁輻射

我們在接觸新鮮事物的時候，通常習慣用自己熟悉的知識去解釋自己不熟悉的事物。EMC知識更多的涉及到微波和射頻，對於像我這種專註於信號完整性而對EMC知識知之甚少的菜鳥來說，最初也只能用SI的一些基礎知識去撬開EMC設計的大門了。在我的認知里，EMI關注的是電磁能量的輻射，包括外部電磁環境對自身系統的干擾，以及自身輻射的電磁能量對外部系統的干擾。這些干擾都不能超過一個限度，超過了這個限度就會引起問題，這些干擾歸根結底還是影響了系統的信號完整性。

電路板上的電磁能量是怎麼輻射出去的？

說到這裡，我就想起了下面這幅圖，這也是我對電磁輻射最基本的印象。

圖1 PCB的電磁輻射

早期的PCB是單層板的，晶元之間是通過導線連接起來，電源線和信號線沒啥區別，僅僅是連通的導線而已。這又讓我想到了自己的畢業設計，是一個單片機控制的LED顯示屏，這個系統很簡單，就幾個IC以及色環電阻，電容都沒幾個，通過簡單的焊接，電路就可以工作了。根本就沒有用到微帶線，帶狀線，雙絞線，同軸電纜這些東東。

學習高速設計之後，我明白了，隨著頻率的上升，信號跳變產生的電磁能量也在增加。晶元之間再也不能這樣簡單的連接起來了，像圖1這種連接方法，會使迴路電感很大，迴路電感很大，就會使得交流信號的感抗很大，信號根本不會老老實實沿導線傳播，而是會輻射到空間中去。

怎麼解決電路板的電磁輻射問題？

在SI工程師眼中，使用微帶線或者帶狀線是為了給信號提供一個低阻抗的傳輸路徑。這在EMC工程師眼中也是電磁屏蔽的需要。在使用了微帶線或者帶狀線之後，電磁能量就被控制在了導體之間的介質中了。

為什麼在使用了微帶線和帶狀線後，電磁能量大部分會被束縛在介質中呢？主要原因是信號路徑與迴流路徑靠的更近，這樣整個迴路的電感就減小了。不信我們來使用軟體計算一下

迴流路徑靠的近

迴流路徑靠的遠

由上圖可知，參考平面對傳輸線的單位長度有效電感的影響是很大的。可以想像，在高頻條件下，如果信號擁有很好的迴流路徑，那麼它所感受到的迴路電感就會很小，信號就會按照人們的意願從發射端傳輸到接收端，如果信號感受到的迴路電感很大就會產生輻射問題。

小結

在低頻的時候，可以不考慮電磁干擾的問題，低頻時導線周圍的電磁場變化沒有那麼強烈，導線的電感效應也不會表現的那麼明顯。但是到了高頻，電磁場變化劇烈，應該充分考慮信號路徑與返迴路徑的耦合問題，利用信號路徑與返迴路徑的耦合來減小整個迴路的電感，控制導線向空間發射的電磁能量。