微波暗室：構建低電磁干擾原型的關(guān)鍵步驟

       本文探討在微波暗室一致性測試之前構建低電磁干擾(EMI)原型的關(guān)鍵步驟，包括設計低輻射的電路以及預兼容檢測。預兼容檢測包括使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件對印刷電路板(PCB)版圖模型進(jìn)行仿真及EMI分析，再使用頻譜分析儀(SA)對原型PCB進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。*后，執行微波暗室測試驗證設計。

*低EMI電路設計

        要確保低輻射發(fā)射(RE)，設計電路原理圖和PCB版圖時(shí)必須應用*佳實(shí)踐經(jīng)驗，包括為供電回路、USB數據線(xiàn)、以太網(wǎng)等信號添加鐵氧體磁珠以過(guò)濾 EMI。此外，供電回路上適當放置充足數量的去耦合電容器可以*大限度地減少電源分配網(wǎng)絡(luò )阻抗，進(jìn)而降低數字負載產(chǎn)生的噪聲紋波幅度，并減少輻射風(fēng)險。同 時(shí)，優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的閉合回路補償網(wǎng)絡(luò )設計以實(shí)現穩定閉合回路，能夠確保電壓輸出可控，并*大幅度地降低開(kāi)關(guān)噪聲紋波幅度。噪聲紋波幅度降低可以顯著(zhù)抑制原 型的EMI風(fēng)險。

        高頻或快上升/下降沿信號的PCB走線(xiàn)應參考連續回路(例如參考地平面)，以降EMI風(fēng)險。走線(xiàn)不能經(jīng)過(guò)任何分割平面和孔洞。如果信號需要通過(guò)過(guò)孔完成層間傳輸，緊鄰信號過(guò)孔位置應放置至少一個(gè)接地過(guò)孔，作為信號電流從接收端返回發(fā)射端的回流路徑。如果沒(méi)有適當的回流路 徑，返回電流可能在PCB中隨意傳輸，成為潛在的EMI源。

       出色的接地方案也是*大限度降低EMI的關(guān)鍵因素。所有PCB設計都必須避免接地回路，因為返回信號電流經(jīng)過(guò)時(shí)接地回路將形成輻射發(fā)射機。設計接地為寬參考面可以構建出色的接地方案。不同電路組(例如射頻、模擬和數字電路)的地平面應當物理隔離，并通過(guò)鐵氧體磁珠建立電路連接，以幫助防止高頻噪聲在電路組之間傳播。

       完成PCB版圖設計后應執行仿真進(jìn)行EMI分析，以便在制造前確保PCB具有較低的輻射發(fā)射風(fēng)險。省略EMI仿真可能無(wú)法保證PCB的EMI性能，會(huì )導致重新設計。如果EMI仿真結果符合技術(shù)規范要求，設計人員即可開(kāi)始PCB制造，然后使用頻譜分析儀對原型PCB執行近場(chǎng)電磁掃描。EMI仿真和近場(chǎng)電磁 掃描等預兼容檢測可以增加設計人員的信心，確信原型具有較低的EMI。完成預兼容檢測后，被測器件即可執行實(shí)際微波暗室EMI一致性測試。

仿真EMI分析

        完成PCB版圖設計后，將版圖文件導入EMPro 2013.07 執行3D EMI仿真。選擇差分信號進(jìn)行有限元法(FEM)三維電磁場(chǎng)仿真。三維電磁場(chǎng)仿真是設置電磁邊界條件和模型網(wǎng)格尺寸并求解麥克斯韋方程的過(guò)程。為確保仿真結果精度，邊界尺寸應設為PCB厚度的8倍以上，網(wǎng)格尺寸應設為PCB寬度的1/5以下。運行三維電磁場(chǎng)的計算機需要配置16G以上的內存和100G以上的存儲容量，以確保分析順 利進(jìn)行。

        設置遠場(chǎng)傳感器捕獲發(fā)射電磁場(chǎng)，并利用EMPro的EMI仿真模版計算遠場(chǎng)發(fā)射功率，然后設置10m距離的電場(chǎng)探頭，繪制頻域響應圖。再執行時(shí)域有限差分法(FDTD)模式的三維電磁場(chǎng)仿真，并與FEM模式的仿真結果進(jìn)行對比。

        參見(jiàn)30MHz～1GHz頻率的電場(chǎng)強度仿真圖(圖1)(電場(chǎng)強度單位dBμV，頻率單位GHz)，輻射功率電平(藍色曲線(xiàn)為FEM模式仿真，紅色曲線(xiàn)為FDTD模式仿真)低于約45dBμV的FCC*大閾值(綠色虛線(xiàn))。

圖1：仿真EMI圖。

近場(chǎng)電磁測量

       制成并組裝原型PCB后，使用頻譜分析儀對原型進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。連接頻譜分析儀的單匝線(xiàn)圈捕獲原型發(fā)射的近區電磁場(chǎng)。圖2是30MHz～1GHz頻率范圍的頻域信號(電磁場(chǎng)功率電平單位dB，頻率單位Hz)。

圖2：電磁掃描測量圖。

         400MHz附近時(shí)出現*大功率強度(-66.4dBm)的尖峰。作為近區傳感器的線(xiàn)圈在距離被測器件3英寸的范圍內移動(dòng)。30kHz的頻譜分析儀 分辨率帶寬可以實(shí)現低本底噪聲(-80dBm)測量，因此尖峰(不同離散頻率的輻射)清晰可見(jiàn)。要增強原型通過(guò)微波暗室遠場(chǎng)(3m和10m)EMI一致性測試的信心，近區功率峰值應低于-65dBm。

EMI一致性測試

         圖3為原型在微波暗室的3m遠場(chǎng)EMI一致性測試結果。紅線(xiàn)顯示的是CISPR 11 A類(lèi)*大輻射發(fā)射功率電平：30MHz～1GHz頻率范圍內低于56dBμV。紅線(xiàn)下方的棕色曲線(xiàn)表示是德科技(原安捷倫)EMC指南中規定的保護頻段。 輻射波的垂直和水平分量分別由藍色和綠色曲線(xiàn)表示。400MHz和560MHz頻率時(shí)出現兩個(gè)分別為38dBμV 和37 dBμV的功率峰值，均低于*大閾值。

圖3：3m輻射發(fā)射測量結果。

總結

           低EMI電路設計和預兼容檢測(例如三維EMI仿真和近場(chǎng)電磁掃描)十分重要，可以避免不必要的PCB重新制造，節省開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，并且能夠縮短微波暗室EMI一致性測試時(shí)間，確保電子器件按時(shí)甚至提前投放市場(chǎng)。