電磁場高速自動掃描技術在高速PCB設計中的應用

　　電磁兼容測試對即將進入市場的電子產品是非常重要的一項測試，但以往的測試只能得出能否通過的結果，不能提供更多有用信息。本文介紹利用高速自動掃描技術測量電磁輻射，檢測PCB板上電磁場的變化情況，使工程技術人員在進行電磁兼容性標準測試前就能發(fā)現(xiàn)相關問題并及時予以糾正。
　　
　　
　　隨著當今電子產品主頻提高、布線密度增加以及大量BGA封裝器件和高速邏輯器件的使用，設計人員不得不通過增加PCB板的層數(shù)來減少信號與信號間的相互影響。同時在大量便攜式終端設備中，為了降低系統(tǒng)功耗必須采用多電平方案，而這些設備還有模擬或者RF電路，需要采用多種地，又必須使用電源平面和地平面分割的技術。因此PCB板上的信號之間存在大量輻射干擾，造成設備功能故障或者工作不穩(wěn)定，而且所有信號對外形成很強電磁輻射，使得EMC測試也成為產品上市的一個障礙。
　　
　　目前大部分硬件工程師還只是憑經驗來設計PCB，在調試過程中，很多需要觀測的信號線或者芯片引腳被埋在PCB中間層，無法使用示波器等工具去探測，如果產品不能通過功能測試，他們也沒有有效的手段去查找問題的原因。要想驗證產品的EMC特性，只有把產品拿到標準電磁兼容測量室去測量，由于這種測量只能測產品對外輻射情況，就算沒有通過也不能為解決問題提供有用的信息，因此工程師只能憑經驗去修改PCB，并重復試驗。這種試驗方法非常昂貴，而且可能耽誤產品的上市時間。
　　
　　當然，現(xiàn)在有很多高速PCB分析和仿真設計工具，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間上進行折中，精度相對較高的，需要的計算時間很長，而仿真速度快的工具，其精度又很低。因此用這些工具進行仿真，不能完全解決高速PCB設計中的相互干擾問題。
　　
　　我們知道，在多層PCB中高頻信號的回流路徑應該在該信號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，但是實際的地層或電源層中會有分割和鏤空，從而改變回流路徑，導致回流面積變大，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。但信號回流路徑由信號線布線、PCB電源和地分布結構以及電源供電點、去耦電容和器件放置位置和數(shù)量等多種因素所決定，故而對復雜系統(tǒng)的回流路徑從理論上進行判定非常困難。
　　
　　所以在設計階段排除輻射噪聲問題非常關鍵。我們用示波器能看到信號的波形，從而可幫助解決信號完整性問題，那么有沒有設備能看到輻射的“圖形”以及電路板上的回流呢？
　　
　　電磁場高速掃描測量技術
　　
　　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問題，該方法基于這樣的原理設計，即電磁輻射是被測設備(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)這個原理制成的，它采用H場陣列探頭(有32