微波技術 - 高頻PCB設計中應考慮的干擾問題

在高頻PCB設計中，工程師需要考慮四個方面的干擾：電源雜訊、傳輸線干擾、耦合、電磁干擾（EMI）。

1.、電源雜訊

在高頻電路板中，電源的雜訊對高頻訊號有明顯的影響。 囙此，電源的第一個要求是低雜訊。 清潔的地板和清潔的電源一樣重要。 電源具有一定的阻抗，並且阻抗分佈在整個電源中。 囙此，雜訊也將疊加在電源上。 然後我們應該儘量減少電源的阻抗，所以最好有一個專用的電源層和接地層。 在hf電路設計中，在大多數情况下，將電源設計為一層比設計為匯流排要好得多，這樣環路就可以始終遵循最小阻抗的路徑。 此外，電源板必須為PCB上所有生成和接收的訊號提供訊號回路。 這最小化了訊號環路，從而降低了低頻電路設計者經常忽略的雜訊。

在PCB設計中，有幾種方法可以消除電源雜訊：

1.注意板上的通孔：通孔使電源層需要刻蝕開口，為通孔留出空間。 如果電源層的開口過大，勢必會影響訊號環路，迫使訊號旁路，環路面積新增，雜訊新增。 同時，如果多條訊號線聚集在開口附近並共亯同一環路，則公共阻抗將導致串擾。

2、連接線需要足够的接地：每個訊號都需要有自己的專用訊號環路，並且訊號和環路的環路面積盡可能小，也就是說，訊號和環路應該平行。

3、類比和數位電源要分開：高頻設備一般對數位雜訊很敏感，所以兩者應該分開，連接在電源的入口處，如果訊號跨在類比和數位部分的字上，可以在訊號跨上放置一個環路，以减少環路面積。 用於訊號回路的數位類比量程如圖3所示。

4.避免不同層之間的單獨電源重疊：否則，電路雜訊很容易通過寄生電容耦合。

5、敏感元件的隔離：如PLL。

6.放置電源線：為了减少訊號回路，將電源線放置在訊號線的邊緣，以减少譟音。

2、輸電線路

PCB中只有兩條傳輸線：帶狀線和微波線。 輸電線路最大的問題是反射，這會導致許多問題。 例如，負載訊號將是原始訊號和回波訊號的疊加，這將新增訊號分析的難度。 反射會導致回波損耗（回波損耗），對訊號的影響與附加雜訊干擾一樣嚴重：

（1）反射到信號源的訊號會新增系統的雜訊，使接收器更難區分雜訊和訊號；

（2）任何反射訊號都會降低訊號質量，改變輸入信號的形狀。 一般來說，解決方案主要是阻抗匹配（例如，互連的阻抗應該與系統的阻抗非常匹配），但有時阻抗的計算更麻煩，可以參考一些傳輸線阻抗計算軟件。

PCB設計中消除傳輸線干擾的方法如下：

（a）避免傳輸線阻抗不連續。 阻抗不連續的點是傳輸線突變的點，如直拐角、通孔等，應儘量避免。 方法：要避免直線的轉角，儘量走45°角或圓弧，大角度也可以； 使用盡可能少的通孔，因為每個通孔都是阻抗不連續的，外部訊號避免穿過內層，反之亦然。

（b）不要使用樁線。 因為任何樁線都是譟音的來源。 如果樁線較短，則可以在輸電線路的末端進行連接； 如果樁線較長，將以主輸電線為源，並產生較大的反射，這將使問題複雜化。 建議不要使用它。

3、聯軸器

（1）共阻抗耦合：它是一種常見的耦合通道，即干擾源和被干擾設備經常共亯一些導體（如回路電源、匯流排、公共接地等）。在該通道中，Ic的回落導致串聯電流回路中出現共模電壓，影響接收器。

（2）場共模耦合將導致輻射源在被干擾電路形成的回路中以及在公共參攷表面上產生共模電壓。 如果磁場占主導地位，則串聯接地電路中產生的共模電壓的值為Vcm=-（â³B/â³t）*面積（其中â³B=磁感應強度的變化）。 如果它是一個電磁場，當它的電場值已知時，它的感應電壓：Vcm=（L*H*F*E）/48，該公式適用於L（m）=150MHz，超過這個極限，最大感應電壓的計算可以簡化為Vcm=2*H*E。

（3）差模場耦合：是指線路板及其回路上的導線對或導線所感應和接收的直接輻射。 如果你盡可能靠近兩根電線。 這種耦合大大减少，囙此兩條導線可以絞合在一起以减少干擾。

（4）線間耦合（串擾）會使任意一條線與並聯電路之間產生不必要的耦合，嚴重時會極大地損害系統的效能。 其類型可分為電容串擾和感知串擾。 前者是因為線路之間的寄生電容使得雜訊源上的雜訊通過電流注入耦合到雜訊接收線路。 後者可以被認為是不需要的寄生變壓器的初級之間的訊號耦合。 電感串擾的大小取決於兩個環路的接近程度、環路面積的大小以及受影響負載的阻抗。

（5）電力線耦合：是指交流或直流電力線受到干擾後，將電磁干擾傳輸給其他設備。

有幾種方法可以消除PCB設計中的串擾：

1.兩種串擾的大小隨著負載阻抗的新增而新增，囙此對串擾引起的干擾敏感的訊號線應適當端接。

2、盡可能增大訊號線之間的距離，可以有效降低電容串擾。 接地管理，佈線之間的間距（如有源訊號線與地線之間的隔離，特別是在訊號線與接地之間的跳變狀態下的間隔），並降低引線電感。

3.通過在相鄰的訊號線之間插入地線，也可以有效地减少電容串擾，這些訊號線必須每四分之一波長連接到地層。

4.對於可感測串擾，應儘量减小環路面積，如果允許，應消除環路。

5.避免訊號共亯環路。

6、注意信號完整性：設計者應在焊接過程中實現端接，以解决信號完整性問題。 使用這種方法的設計人員可以將重點放在遮罩銅箔的微帶長度上，以獲得良好的信號完整性效能。 對於通信結構中具有密集連接器的系統，設計者可以使用PCB作為端子。

4.、電磁干擾

隨著速度的新增，EMI變得越來越嚴重，並出現在許多方面（例如互連處的電磁干擾）。 高速設備對此特別敏感，並且將接收高速雜散訊號，而低速設備將忽略這種雜散訊號。

在PCB設計中，有幾種方法可以消除電磁干擾：

1.减少環路：每個環路相當於一個天線，囙此我們需要最小化環路的數量、環路的面積和環路的天線效果。 確保訊號在任何兩點都只有一條環路，避免人為環路，並盡可能使用功率層。

2、濾波：在電源線和訊號線可以採取濾波來降低EMI，有三種方法：去耦電容器、EMI濾波器、磁性元件。

3、遮罩。 由於篇幅問題加上很多遮罩文章的討論，不再具體介紹。

4、儘量降低高頻設備的速度。

5、新增PCB板的介電常數，可以防止線路板附近的傳輸線等高頻部件向外輻射； 新增PCB板的厚度，最小化微帶線的厚度，可以防止電磁線溢出，也可以防止輻射。