高速PCB设计中的电磁辐射检测技术

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目前大部分硬件工程师还只是凭经验来设计PCB，在调试过程中，很多需要观测的信号线或者芯片引脚被埋在PCB中间层，无法使用示波器等工具去探测，如果产品不能通过功能测试，他们也没有有效的手段去查找问题的原因。要想验证产品的EMC特性，只有把产品拿到标准电磁兼容测量室去测量，由于这种测量只能测产品对外辐射情况，就算没有通过也不能为解决问题提供有用的信息，因此工程师只能凭经验去修改PCB，并重复试验。这种试验方法非常昂贵，而且可能耽误产品的上市时间。
       
        当然，现在有很多高速PCB分析和仿真设计工具，可以帮助工程师解决一些问题，可是目前在器件模型上还存在很多限制，例如能解决信号完整性（SI）仿真的IBIS模型就有很多器件没有模型或者模型不准确。要精确仿真EMC问题，就必须用SPICE模型，但目前几乎所有的ASIC都不能提供SPICE模型，而如果没有SPICE模型，EMC仿真是无法把器件本身的辐射考虑在内的（器件的辐射比传输线的辐射大得多）。另外，仿真工具往往要在精度和仿真时间上进行折中，精度相对较高的，需要的计算时间很长，而仿真速度快的工具，其精度又很低。因此用这些工具进行仿真，不能完全解决高速PCB设计中的相互干扰问题。
       
        我们知道，在多层PCB中高频信号的回流路径应该在该信号线层临近的参考地平面（电源层或者地层）上，这样的回流和阻抗最小，但是实际的地层或电源层中会有分割和镂空，从而改变回流路径，导致回流面积变大，引起电磁辐射和地弹噪声。如果工程师能清楚电流路径的话，就能避免大的回流路径，从而有效控制电磁辐射。但信号回流路径由信号线布线、PCB电源和地分布结构以及电源供电点、去耦电容和器件放置位置和数量等多种因素所决定，故而对复杂系统的回流路径从理论上进行判定非常困难。
       
        所以在设计阶段排除辐射噪声问题非常关键。我们用示波器能看到信号的波形，从而可帮助解决信号完整性问题，那么有没有设备能看到辐射的“图形”以及电路板上的回流呢？
       
        电磁场高速扫描测量技术
       
        在各种电磁辐射测量方法中，有一种近场扫描测量方法能解决这个问题，该方法基于这样的原理设计，即电磁辐射是被测设备（DUT）上的高频电流回路形成的。如加拿大EMSCAN公司的电磁辐射扫描系统Emscan就是根据这个原理制成的，它采用H场阵列探头（有32×40＝1280个探头）来探测DUT上的电流，在测量期间，DUT直接放在扫描器的上面。这些探头可以检测由于高频电流发生变化而引起的电磁场的变化，系统可提供RF电流在PCB上空间分布的视觉图像。
       
        Emscan电磁兼容扫描系统已经在通信、汽车、办公电器以及消费电子等工业领域得到广泛应用，通过该系统提供的电流密度图，工程师在进行电磁兼容性标准测试前就能发现有EMI问题的区域并采取相应措施。
       
        近场扫描原理Emscan的测量主要在活性近场区域