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技術專題
PCB布局中的微波諧振腔輻射
在設計數字電路板時，通常不考慮信號的帶寬，除非您正在進行極快的設計。數字世界實際上是模擬世界中多個范圍的總和。換句話說，許多模擬效果相互求和，以創建通常被視為僅限于數字系統的效果。這是一個廣泛的學科，以至于產生了自己的數學領域，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，會產生一些影響。高頻諧振腔只是高頻下模擬信號完整性和電源完整性問題的許多原因之一，但是帶寬較寬的數字信號也會產生相同的效果。之所以會產生這些效果，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基板視為一個矩形盒，其中有一個波在其中傳播。請注意，當信號在走線上傳播時，該信號會在導體及其參考平面之間發射一些電場和磁場。由于信號在高和低狀態（數字信號）之間切換，或以某個頻率（模擬信號）振蕩，因此該信號會產生一個波，該波傳播遠離走線。
下圖顯示了PCB上微帶走線的典型情況。圖像中的方程式顯示了橫截面共振（沿x和y方向），這些共振可以通過沿軌跡傳播的信號來激發。這些共振還定義了微帶結構內激發的不同模式的截止頻率。準TEM模式是低頻的主導模式。如果它看起來像一個波導，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特征阻抗的正確方法。
微帶線的諧振，它基本上是一個長的，帶有開放側邊的微波腔諧振器。
在此，微帶基本上起開放式微波腔諧振器的作用。一旦線路上的頻率超過一定水平，就會激發TE01模式，并且電磁場的空間分布也會改變。對于FR4上與其參考平面相隔0.785 mm的典型微帶線，TE01模式在?90 GHz處被激發。但是，您無需激發更高階的諧振就可以在PCB的其他地方看到空腔諧振。微帶的發射會激發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的其他可能的諧振。
因為微帶上的信號發射的輻射線遠離走線，所以它的作用就像是EM輻射源，它會激發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的影響之外，我們還在微波頻率處產生諧振腔的原因。由于數字信號具有較寬的帶寬，可以跨越分配給PCB中其他結構的多個諧振腔諧振頻率，因此它可以激發多個諧振腔諧振，從而從板的邊緣產生寬頻譜的發射。
PCB的邊緣發射在研究界被稱為腔共振邊緣效應（CREE）。各種邊緣發射模式非常難以預測，并且不通過簡單的整數倍相互關聯。相反，在高頻下執行EMI測試時，您將測量由多個源（包括諧振腔）引起的大量峰值。請參閱本文以獲取有關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設計的目標是通過使所有阻抗諧振低于某個目標值，在整個相關信號帶寬內設計相對平坦的PDN阻抗。當諧振腔開始主導PDN阻抗時，當您看到超過1 GHz的頻率時，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上發生的紋波還會產生一些場發射，當它激發附近結構中的微波腔諧振器模式時，會以表面和邊緣發射的形式出現。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電容并聯出現，通過提供一定的阻尼，它們還將在整個阻抗譜中加寬這些峰值。有關在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，要防止腔共振的發生還沒有很多事情可以做。它們將一直發生，這是在實際的EMI / EMC測試中是否會注意到它們的問題。設計電路板時，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。物理上較小的跡線也會發出較少的能量，因此任何激發的共振都不會那么強烈。
包括隔離結構。這是一個活躍的研究領域，尤其是在防護痕跡和通過圍欄的隔離結構中。諸如共面波導或基片集成波導之類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。