我們經(jīng)常在教科書或者原廠的PCBDesignGuide里看到一些關(guān)于高頻高速信號的設(shè)計原則,其中就包括在PCB電路板的邊緣不要走高速信號線,而對于板載PCB天線的設(shè)計來說,又建議天線要盡量靠近板邊放置。這是什么科學(xué)道理?
我們在初中階段就已經(jīng)知道,安培右手定則中導(dǎo)線電流沿著拇指的方向傳播,則導(dǎo)線上會產(chǎn)生對應(yīng)的磁場,磁場的方向與右手手指握拳的方向一致,而導(dǎo)體中的帶電電荷會產(chǎn)生電場,電場和磁場為一對好基友,統(tǒng)稱為電磁場。
按照麥克斯韋電磁場理論,變化的電場在其周圍空間要產(chǎn)生變化的磁場,而變化的磁場又要產(chǎn)生變化的電場。這樣,變化的電場和變化的磁場之間相互依賴,相互激發(fā),交替產(chǎn)生,并以一定速度由近及遠地在空間傳播出去,這就是電磁輻射。這便產(chǎn)生了兩個截然相反的影響:好的方面,所有的RF通信、無線互聯(lián)、感應(yīng)應(yīng)用都受益于電磁輻射的好處;而有害的方面則是,電磁輻射導(dǎo)致了串?dāng)_和電磁兼容性等方面的問題。
當(dāng)電磁波頻率較低時,主要籍由有形的導(dǎo)電體才能傳遞;當(dāng)頻率逐漸提高時,電磁波就會外溢到導(dǎo)體之外,不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量,這就是一種輻射。在低頻的電振蕩中,磁電之間的相互變化比較緩慢,其能量幾乎全部反回原電路而沒有能量輻射出去。然而,在高頻率的電振蕩中,磁電互變甚快,能量不可能反回原振蕩電路,于是電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去。
根據(jù)以上的理論,每一段流過高頻電流的導(dǎo)線都會有電磁輻射,輻射強度與頻率成正比。PCB上有的導(dǎo)線用作信號傳輸,如DDR時鐘信號,LVDS差分信號傳輸線等,就不希望有太多的電磁輻射損耗能量并且對系統(tǒng)中的其他電路造成干擾;而有的導(dǎo)線用作天線,如PCB天線,就希望能盡可能地將能量轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去。
對于PCB上的高速信號傳輸線而言(如:DDR時鐘信號,HDMILVDS高速差分傳輸線),我們總是希望盡量降低其信號傳輸時產(chǎn)生的輻射,降低信號傳輸線產(chǎn)生的電磁輻射的方法有專家總結(jié)出了一些設(shè)計原則,如要降低信號傳輸線的EMI,則盡量使得該信號傳輸線與其構(gòu)成信號回流路徑的參考平面的間距盡量靠近,如果傳輸線的寬度W與參考平面的間距H的比值小于1:3,則能夠顯著降低該微帶傳輸線的對外輻射強度。
對于微帶傳輸線而言,采用寬而完整的參考平面也可以降低電場的對外輻射強度,微帶傳輸線對應(yīng)的參考平面至少要為傳輸線的3倍寬度以上,參考平面越寬越好。
而如果參考平面相對于微單傳輸線而言寬度不夠大,則電場與參考平面的耦合就小,電場對外的輻射顯著增加。
所以說,如果要降低高度信號傳輸微帶線的電磁輻射,則需要是的微帶傳輸線對應(yīng)的參考平面盡量大,而如果該高速微帶傳輸線靠近PCB板邊來平行走線的話,相對而言,參考平面對于該高速信號線的耦合就變少了,自然就好造成電場對外輻射量顯著增大。
同理,高速的IC,晶振等等也盡量遠離板邊放置,高速IC也需要完整而寬大的參考平面進行電磁耦合,以降低EMI。
而對于板載天線而言,我們則希望盡量多多地向空間中輻射電磁波,所以板載天線的設(shè)計與高速傳輸線的設(shè)計原則相反,板載天線需要放置在板邊,而且天線區(qū)域所處的位置要禁止有銅箔平面,對,所有的層需要設(shè)置銅箔禁止區(qū)。而且天線要與PCB的地平面拉開距離。
同樣的理論,針對不同的應(yīng)用設(shè)計有不同的設(shè)計原則
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