淺談電路設(shè)計中的近場輻射EMI

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

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

近場與遠場輻射和EMI

區(qū)分兩種類型的輻射需要比較從任何輻射EMI的源到輻射信號的波長的距離。在近場狀態(tài)下，源和接收器之間的距離遠小于波長。在遠場政權(quán)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。隨著輻射從源發(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而不是近場中測量的。非常接近或在近場之內(nèi)，來自源的輻射方向圖仍然受源的幾何形狀影響，并且電場可能尚未穩(wěn)定為清晰的諧波信號或傳播的脈沖包絡(luò)。由于電路設(shè)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單疊加。這會產(chǎn)生通常在EMC測試中測量的噪聲頻譜。

還根據(jù)傳播信號中的磁場和電場所看到的自由空間阻抗來定義這兩種狀態(tài)。在近場中，磁場強度比電場強，因此磁感應(yīng)將主導噪聲。有一個中間狀態(tài)，稱為菲涅耳狀態(tài)，其中波長類似于到光源的距離。在菲涅耳狀態(tài)下，磁場強度很快變得與電場強度非常相似。在遠場狀態(tài)下，兩個場強相等?？偨Y(jié)如下。

遠場發(fā)射功率是在EMC測試中測量的主要量，盡管以長波長發(fā)射的附近設(shè)備（例如，以30 MHz的發(fā)射在1至10 m內(nèi)發(fā)射）仍會將EMI引入附近設(shè)備的近場狀態(tài)。進行遠場測量的原因是可以使用它來計算近場和菲涅耳區(qū)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(shè)計中的近場輻射EMI

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

來自模擬信號的近場EMI

由于近場輻射具有強磁性，因此主要通過磁感應(yīng)來接收。即使在高頻下，緊密耦合的走線也可以將電感耦合的近場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(yīng)該說明關(guān)鍵電路塊之間需要強隔離。

來自數(shù)字信號的近場EMI

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

解決這些近場輻射EMI問題僅僅是抑制串擾的問題。由于近場狀態(tài)在磁場方面占主導地位，因此主要的設(shè)計解決方案包括：通過智能堆疊設(shè)計和跡線尺寸減小環(huán)路電感；使用帶有隔離結(jié)構(gòu)的表面層網(wǎng)格來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。
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