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技術(shù)專(zhuān)題
近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)EMI：是什么導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)中的噪聲問(wèn)題
如果您是天線(xiàn)設(shè)計(jì)師，那么您可能會(huì)熟悉近場(chǎng)輻射與遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的所有方面。鑒于一連串的輻射EMI問(wèn)題會(huì)在電子設(shè)備內(nèi)部和外部引起噪聲，因此人們可能會(huì)突然意識(shí)到他們的新產(chǎn)品就像一根堅(jiān)固的天線(xiàn)。要了解EMI如何影響電路，可以幫助您準(zhǔn)確了解電路設(shè)計(jì)的近場(chǎng)輻射與遠(yuǎn)場(chǎng)輻射如何影響您通過(guò)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(chǎng)輻射引起的，這可能是由于不良的隔離，疊層設(shè)計(jì)，接地或屏蔽引起的。相反，在遠(yuǎn)處測(cè)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(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的方法。
近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)輻射和EMI
區(qū)分兩種類(lèi)型的輻射需要比較從任何輻射EMI的源到輻射信號(hào)的波長(zhǎng)的距離。在近場(chǎng)狀態(tài)下，源和接收器之間的距離遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。在遠(yuǎn)場(chǎng)政權(quán)中，情況恰恰相反。源和接收器之間的距離遠(yuǎn)大于發(fā)出的輻射的波長(zhǎng)。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(yuǎn)離源。
在EMC測(cè)試中，輻射的強(qiáng)度是在遠(yuǎn)場(chǎng)而不是近場(chǎng)中測(cè)量的。非常接近或在近場(chǎng)之內(nèi)，來(lái)自源的輻射方向圖仍然受源的幾何形狀影響，并且電場(chǎng)可能尚未穩(wěn)定為清晰的諧波信號(hào)或傳播的脈沖包絡(luò)。由于電路設(shè)計(jì)中的各種噪聲源可以以各種頻率輻射，因此被測(cè)信號(hào)將是各種噪聲信號(hào)的簡(jiǎn)單疊加。這會(huì)產(chǎn)生通常在EMC測(cè)試中測(cè)量的噪聲頻譜。
還根據(jù)傳播信號(hào)中的磁場(chǎng)和電場(chǎng)所看到的自由空間阻抗來(lái)定義這兩種狀態(tài)。在近場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度比電場(chǎng)強(qiáng)，因此磁感應(yīng)將主導(dǎo)噪聲。有一個(gè)中間狀態(tài)，稱(chēng)為菲涅耳狀態(tài)，其中波長(zhǎng)類(lèi)似于到光源的距離。在菲涅耳狀態(tài)下，磁場(chǎng)強(qiáng)度很快變得與電場(chǎng)強(qiáng)度非常相似。在遠(yuǎn)場(chǎng)狀態(tài)下，兩個(gè)場(chǎng)強(qiáng)相等。總結(jié)如下。
遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射功率是在EMC測(cè)試中測(cè)量的主要量，盡管以長(zhǎng)波長(zhǎng)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(huì)將EMI引入附近設(shè)備的近場(chǎng)狀態(tài)。進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的原因是可以使用它來(lái)計(jì)算近場(chǎng)和菲涅耳區(qū)域的強(qiáng)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(jì)中的近場(chǎng)輻射EMI
在電路設(shè)計(jì)中，即使有快速數(shù)字信號(hào)（例如，帶寬高達(dá)20 GHz），電路設(shè)計(jì)輻射部分發(fā)出的磁場(chǎng)通常也會(huì)在近場(chǎng)中出現(xiàn)，或者在較大的電路板中會(huì)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(zhǎng)降至1 mm ，因此輻射EMI處于遠(yuǎn)場(chǎng)。實(shí)際電路板在串?dāng)_方面會(huì)發(fā)生什么情況，取決于我們?cè)诳磾?shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào)。
來(lái)自模擬信號(hào)的近場(chǎng)EMI
由于近場(chǎng)輻射具有強(qiáng)磁性，因此主要通過(guò)磁感應(yīng)來(lái)接收。即使在高頻下，緊密耦合的走線(xiàn)也可以將電感耦合的近場(chǎng)EMI作為串?dāng)_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(qiáng)烈輻射的EMI。本質(zhì)上，電路板上的每個(gè)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(shuō)明關(guān)鍵電路塊之間需要強(qiáng)隔離。
來(lái)自數(shù)字信號(hào)的近場(chǎng)EMI
同樣，近場(chǎng)輻射始終是強(qiáng)磁性的，但是在開(kāi)關(guān)事件期間，感應(yīng)耦合的信號(hào)只會(huì)在附近的走線(xiàn)上產(chǎn)生。在這種情況下，描述這些脈沖在近場(chǎng)中的行為需要在自由空間中使用脈沖響應(yīng)函數(shù)。信號(hào)處理社區(qū)應(yīng)該熟悉這個(gè)想法。本質(zhì)上，這將產(chǎn)生大多數(shù)設(shè)計(jì)人員熟悉的經(jīng)典電感耦合串?dāng)_尖峰（FEXT和NEXT）。
解決這些近場(chǎng)輻射EMI問(wèn)題僅僅是抑制串?dāng)_的問(wèn)題。由于近場(chǎng)狀態(tài)在磁場(chǎng)方面占主導(dǎo)地位，因此主要的設(shè)計(jì)解決方案包括：通過(guò)智能堆疊設(shè)計(jì)和跡線(xiàn)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(lái)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。