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射频前端电路PCB板电磁兼容性研究(5)
图3.1为EMC,EMI,EMS之间的关系:
图3.1EMC,EMI,EMS的关系
3.2 PCB中射频能量的产生与传输线概述
3.2.1 PCB中射频能量的产生
将麦克斯韦方程式简化,将电磁场理论与PCB布线相联系。为了应用它,我们可以将麦克斯韦方程式和欧姆定律产生关联,如式3.1和3.2:
欧姆定律(时域): V = I * R (式3.1)
欧姆定律(频域): Vrf=Irf * Z (式3.2)
V是电压,I是电流,R是电阻,Z是阻抗(R + jX),rf是指射频能量。如果射频电流存在于PCB走线中,且此走线具有一个固定的阻抗值,则一个射频电压将被产生,而且和射频电流成正比。请注意,在电磁波模型中,R是被Z取代,Z是复数,它具有电阻(属于实数)和电抗(属于虚数)。
根据麦克斯韦方程组,当电流流过传输线或PCB线条时,就有磁通产生。当时变电流(AC波形)流过传输线时,就产生了环绕传输线的磁通,传输线上的电流量决定了磁通密度。由麦克斯韦复杂
数学
关系可以知道,时变磁场会产生电场,同样地时变电场会产生磁场。随时间变化的电流(时变电流)既产生电场又产生磁场,会使PCB中的高速信号不可避免地产生电磁场。有电流回路就存在磁场,就会向自由空间辐射电磁能量。这些不同传输导线间的电场、磁场变换会使传输导线上的信号相互影响产生感生电流或磁场。[13][16][17][19]
3.2.2 传输线概述
传输线是将射频能量从一处传输到另一处的的装置,传输线又是PCB中最常见、最不可或缺的一种装置。电路工作在50MHz时,将产生传输线效应和信号的完整性问题;而当系统时钟达到120MHz时,除非使用高速电路设计知识,否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。由于射频能量对传输线上信号的恶劣影响,减少射频能量对电路的电磁兼容性影响是非常必要的,对传输线的研究与使用成为非常重要的问题。
一般所讨论的传输线是指微波传输线,其理论是长线理论。而当传输线的几何尺寸与电磁波的波长可以相比拟时,必须考虑传输线的分布参数(或称寄生参数)。传输线理论是研究高速数字(或射频)电路的基础。在PCB中,最常用的是微带线和带状线,如图3.2所示。
图3.2微带线和带状线示意图
传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟,我们主要讨论特性阻抗。传输线是一个分布参数系统,它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示。分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数,给定某一种传输线,这些参数的值也就确定了,这些参数反映着传输线的内在因素,它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。
一个传输线的微分线段可以用等效电路描述如图3.3:
图3.3微带线段等效电路
传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成,如图3.4所示:
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