一次通过EMI合规性测试——第2部分：PCB辐射示例
对于任何需要高速时钟的产品设计，电磁兼容性合规问题可能是一大困扰。本文从电磁(EM)场定向的角度概述了印刷电路板(PCB)设计，旨在帮助读者一次性通过电磁干扰测试。用于降低 EMI 的技术也将减轻干扰，这体现了通用的 PCB布局 理念。本文分为三个部分。第2部分通过几个PCB互连示例，清晰地说明了如何实施第1部分提出的技术。最后，第3部分将讨论满足所提议解决方案的复杂电路板的 PCB布局 策略。
为了说明为什么需要使用传输线来约束布局中的场能量以管理电磁干扰，第1部分介绍了所有必要的物理知识。文章最后简单列出了需要应对的常见印刷电路板(PCB)布局挑战，如下所示。
在PCB上，发生以下情况时，通常会失去场约束：
1. 信号在层间转换
2. 信号在公共接地层上方共用相同的空间
3. 信号在共用接地层上方相互交叉
4. 信号并行运行
5. 出现场边缘效应
6. 信号沿微带线或其他有缺陷的传输线路传播
针对这些问题，本文通过两个例子，剖析了甚至连经验丰富的工程师也容易忽视的最常见 PCB辐射 来源。
假设有一个逻辑门，其输出电压即将升高。而IC的去耦电容就在附近，那么即将被利用的能量应储存在哪里呢？它储存在本地，即去耦电容内部的电介质（空间）中。接下来，设想IC将电荷移动到先前处于地电位的输出引脚，从而提高其输出电压。移动的电荷会产生一个电磁场，该电磁场以光速向外传播，并对遇到的其他电荷施加力。幸运的是，接地平面是最近的电荷源，而且它具有良好的导电性，只需要很少的能量就能在走线正下方产生一个抵消电荷。电场可确保该抵消电荷尽可能接近逻辑门提供的原始电荷。从此时起，在这个小偶极子之外的较远位置，电磁场将接近于零。而且，距离这两个相互抵消的电荷越远，时间越长，电磁场就越接近于零。对于加速电荷产生的电磁场，去耦电容中以及输出走线和接地平面之间发生电压转换的电介质中，都会出现位移电流。整个电气小环路中都存在加速电荷（其中一部分由变化的电场提供，即电流）。当电流环路的尺寸相对于观察距离而言很小时，环路加速段的电磁效应会相互抵消。因此，从远处看，净加速电荷似乎为零。
法拉第定律描述的相对论场对于理解EMI至关重要。所有电荷都有库仑场，但当电荷移动（相对而言）和加速时，还会产生其他两种电场，这些电场共同形成总电场。运动和加速会“扭曲”库仑场，使其变成三个分量之和。当电荷作相对运动时，狭义相对论的空间压缩效应会使原本电中性的电路出现净电荷。从数学上讲，这种现象被称为磁场，而其本质是相对运动产生的电场。第三个电场，也是最后一个电场，源于电荷的加速，其与原始加速度方向相反且垂直。这两个额外电场中包含的能量与库仑场中储存的能量不同。磁场和横向电场都是相对论效应的产物，这意味着，它们所蕴含的能量会因情况而异。只有在正交维度视角下，能量才具有真实意义，这导致了一个有趣的结果：空间的一个维度似乎消失了。库仑场的能量储存在三维空间中，而这种横向场的能量则存在并储存于二维空间中。根据法拉第定律，这意味着当存在该横向场时（即当电荷加速时），沿任何闭合路径计算的电场线积分将不为零。这也意味着，该能量随距离衰减的速度比库仑场要慢，其扩散是基于表面积，而非体积。
源于加速电荷的横向场会产生一个相反的场，这个场也会作用于接地平面中的电荷。接地平面中的电荷基于所有三种电力的叠加而移动，净效应导致抵消电流从所需的方向移动，以消除原始加速电荷的变化磁场。掌握了这些知识，我们就能准确预测信号前沿沿传输线传播时会发生什么。当位移电流沿传输线移动时，去耦电容以及传播前沿之前的传输线会看到固定的前向和返回电流。然而，微小电气片段（长度等于信号走线和接地平面之间距离）沿着传输线传播时，只有波前沿的位移电流才会产生辐射。这段位移电流没有闭合的回流路径，所以它产生的电磁场会扩散，引起辐射和EMI。如前所述，前沿之前和之后的传输线部分不会产生任何电活动。传输线上电压发生变化的位置所发生的位移电流，是一种经常被忽视的常规辐射源。这段非常微小的加速电荷可能看似无关紧要，但在复杂的电路板上，会有成千上万条传输线在同一时钟信号下运行。通常情况下，同频时钟产生的辐射会在网络分析仪上以复杂的方式相互叠加，进而可能会形成一个相当可观的辐射源。
除了不理想的传输线之外，普通PCB上还存在着大量谐振电路。这些都是必要的模拟连接，包括运算放大器输入/输出网络、开关电源互连、测量路径等等。问题是，对于大多数设计人员而言，它们与传输线并没有什么区别。我们可以通过将传输线端接电容（或短路），而不是电阻，来将一个正确端接的传输线转变为谐振电路。经过这一简单的改变，整个电路现在仅包含电抗元件，即传输线的L和C以及容性或感性终端。如果线路足够长或容性端电极足够大，此电路便可能在较低频率产生谐振，进而影响电磁辐射。尤其当线路中的电流很大时，这种影响尤为显著。电流越大，产生的辐射也越强。
在正确端接的传输线中，对于每个边沿，能量只会单向传输一次。即使对于0.66倍光速的长传输线，哪怕PCB走线非常长，这段小小的辐射也不会持续太久。参见图1。相比之下，谐振电路没有任何电阻来消耗能量，因此当输入一个阶跃信号时，线路会以1/2π
的频率持续振荡，直到能量以辐射的形式散失出去。