電磁場高速自動(dòng)掃描技術(shù)在高速PCB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
當(dāng)然，現(xiàn)在有很多高速PCB分析和仿真設(shè)計(jì)工具，可以幫助工程師解決一些問題，可是目前在器件模型上還存在很多限制，例如能解決信號(hào)完整性(SI)仿真的IBIS模型就有很多器件沒有模型或者模型不準(zhǔn)確。要精確仿真EMC問題，就必須用SPICE模型，但目前幾乎所有的ASIC都不能提供SPICE模型，而如果沒有SPICE模型，EMC仿真是無法把器件本身的輻射考慮在內(nèi)的(器件的輻射比傳輸線的輻射大得多)。另外，仿真工具往往要在精度和仿真時(shí)間上進(jìn)行折中，精度相對(duì)較高的，需要的計(jì)算時(shí)間很長，而仿真速度快的工具，其精度又很低。因此用這些工具進(jìn)行仿真，不能完全解決高速PCB設(shè)計(jì)中的相互干擾問題。
我們知道，在多層PCB中高頻信號(hào)的回流路徑應(yīng)該在該信號(hào)線層臨近的參考地平面(電源層或者地層)上，這樣的回流和阻抗最小，但是實(shí)際的地層或電源層中會(huì)有分割和鏤空，從而改變回流路徑，導(dǎo)致回流面積變大，引起電磁輻射和地彈噪聲。如果工程師能清楚電流路徑的話，就能避免大的回流路徑，從而有效控制電磁輻射。但信號(hào)回流路徑由信號(hào)線布線、PCB電源和地分布結(jié)構(gòu)以及電源供電點(diǎn)、去耦電容和器件放置位置和數(shù)量等多種因素所決定，故而對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的回流路徑從理論上進(jìn)行判定非常困難。
所以在設(shè)計(jì)階段排除輻射噪聲問題非常關(guān)鍵。我們用示波器能看到信號(hào)的波形，從而可幫助解決信號(hào)完整性問題，那么有沒有設(shè)備能看到輻射的“圖形”以及電路板上的回流呢？
電磁場高速掃描測量技術(shù)在各種電磁輻射測量方法中，有一種近場掃描測量方法能解決這個(gè)問題，該方法基于這樣的原理設(shè)計(jì)，即電磁輻射是被測設(shè)備(DUT)上的高頻電流回路形成的。如加拿大EMSCAN公司的電磁輻射掃描系統(tǒng)Emscan就是根據(jù)這個(gè)原理制成的，它采用H場陣列探頭(有32×40＝1280個(gè)探頭)來探測DUT上的電流，在測量期間，DUT直接放在掃描器的上面。這些探頭可以檢測由于高頻電流發(fā)生變化而引起的電磁場的變化，系統(tǒng)可提供RF電流在PCB上空間分布的視覺圖像Emscan電磁兼容掃描系統(tǒng)已經(jīng)在通信、汽車、辦公電器以及消費(fèi)電子等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，通過該系統(tǒng)提供的電流密度圖，工程師在進(jìn)行電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)測試前就能發(fā)現(xiàn)有EMI問題的區(qū)域并采取相應(yīng)措施。
近場掃描原理Emscan的測量主要在活性近場區(qū)域(r<<λ/2π)進(jìn)行，DUT上發(fā)出的輻射信
號(hào)大部分被耦合到磁場探頭上，少量能量擴(kuò)散到自由空間。磁場探頭耦合了近H場的磁通線以及PCB上的電流，另外它也獲取一些近E場的微量成分。
大電流低電壓電流源主要與磁場相關(guān)，而高電壓小電流電壓源則主要與電場相關(guān)，在PCB上
，純電場或者純磁場都是很少見的。RF和微波電路中，電路的輸入阻抗以及連接用的微帶或者微帶線，其阻抗都被設(shè)計(jì)為50歐姆，這種低阻抗設(shè)計(jì)使得這些元器件產(chǎn)生大電流和低電壓變化，此外數(shù)字電路的趨勢也是使用更低電壓差的邏輯器件，同時(shí)活性近場區(qū)域內(nèi)的磁場波阻抗遠(yuǎn)小于電場波阻抗。綜合這些因素，大部分PCB活性近場區(qū)域能量都包含在近磁場中，因此Emscan掃描系統(tǒng)采用的磁場環(huán)適合于這些PCB的近場診斷。
所有的環(huán)是一樣的，然而它們在反饋網(wǎng)絡(luò)中的位置不同，因此反饋網(wǎng)絡(luò)可感應(yīng)各個(gè)環(huán)的響應(yīng)，每個(gè)環(huán)相對(duì)參考源的響應(yīng)都被測量出來并考慮為濾波轉(zhuǎn)移函數(shù)。為了保證測量的線性度，Emscan測量的是這個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)的倒數(shù)。
由于采用了陣列天線和電子自動(dòng)切換天線技術(shù)，因此測量速度大大加快，比手工單探頭測量方案快幾千倍，也比自動(dòng)單探頭測量方案快幾百倍，能夠快速有效判斷電路修改前后的效果快速掃描技術(shù)及其先進(jìn)幅度保持掃描技術(shù)和同步掃描技術(shù)使該系統(tǒng)能有效捕捉瞬態(tài)事件，同時(shí)它采用能提升頻譜分析儀測量精度的技術(shù)，提高了測量的精確性和可重復(fù)性。評(píng)估PCB近場輻射干擾的測量方法。
PCB輻射干擾情況的檢查可分幾步進(jìn)行。首先確定需要掃描的區(qū)域，然后選擇能充分采樣掃描區(qū)域的探頭(柵格7.5mm)，在100kHz～3GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻譜掃描，并存儲(chǔ)每個(gè)頻
率點(diǎn)的最大電平。注意，比較大的頻率點(diǎn)可利用空間掃描在掃描區(qū)域內(nèi)作進(jìn)一步檢查，這樣可以定位干擾源以及關(guān)鍵電路路徑。被測板必須盡可能靠近掃描器板，因?yàn)殡S著距離增加，接收信噪比會(huì)降低，而且還會(huì)有“分離”效應(yīng)。實(shí)際測量中，這個(gè)距離應(yīng)該小于1.5cm。我們可以看到，對(duì)元件面的測量有時(shí)候可能會(huì)因?yàn)樵骷母叨榷箿y量出現(xiàn)問題，因此元器件的高度必須要考慮，以對(duì)測量的電壓電平進(jìn)行校正。