本文探討在微波暗室一致性測(cè)試之前構(gòu)建低電磁干擾（emi）原型的關(guān)鍵步驟，包括設(shè)計(jì)低輻射的電路以及預(yù)兼容檢測(cè)。預(yù)兼容檢測(cè)包括使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)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(duì)原型pcb進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。最后，執(zhí)行微波暗室測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)。
最低emi電路設(shè)計(jì)
要確保低輻射發(fā)射（re），設(shè)計(jì)電路原理圖和pcb版圖時(shí)必須應(yīng)用最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，包括為供電回路、usb數(shù)據(jù)線、以太網(wǎng)等信號(hào)添加鐵氧體磁珠以過濾emi.此外，供電回路上適當(dāng)放置充足數(shù)量的去耦合電容器可以最大限度地減少電源分配網(wǎng)絡(luò)阻抗，進(jìn)而降低數(shù)字負(fù)載產(chǎn)生的噪聲紋波幅度，并減少輻射風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，優(yōu)化開關(guān)電源的閉合回路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉合回路，能夠確保電壓輸出可控，并最大幅度地降低開關(guān)噪聲紋波幅度。噪聲紋波幅度降低可以顯著抑制原型的emi風(fēng)險(xiǎn)。
高頻或快上升/下降沿信號(hào)的pcb走線應(yīng)參考連續(xù)回路（例如參考地平面），以降emi風(fēng)險(xiǎn)。走線不能經(jīng)過任何分割平面和孔洞。如果信號(hào)需要通過過孔完成層間傳輸，緊鄰信號(hào)過孔位置應(yīng)放置至少一個(gè)接地過孔，作為信號(hào)電流從接收端返回發(fā)射端的回流路徑。如果沒有適當(dāng)?shù)幕亓髀窂?，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最大限度降低emi的關(guān)鍵因素。所有pcb設(shè)計(jì)都必須避免接地回路，因?yàn)榉祷匦盘?hào)電流經(jīng)過時(shí)接地回路將形成輻射發(fā)射機(jī)。設(shè)計(jì)接地為寬參考面可以構(gòu)建出色的接地方案。不同電路組（例如射頻、模擬和數(shù)字電路）的地平面應(yīng)當(dāng)物理隔離，并通過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(shè)計(jì)后應(yīng)執(zhí)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(xiǎn)。省略emi仿真可能無法保證pcb的emi性能，會(huì)導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)。如果emi仿真結(jié)果符合技術(shù)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)人員即可開始pcb制造，然后使用頻譜分析儀對(duì)原型pcb執(zhí)行近場(chǎng)電磁掃描。emi仿真和近場(chǎng)電磁掃描等預(yù)兼容檢測(cè)可以增加設(shè)計(jì)人員的信心，確信原型具有較低的emi.完成預(yù)兼容檢測(cè)后，被測(cè)器件即可執(zhí)行實(shí)際微波暗室emi一致性測(cè)試。
仿真emi分析
完成pcb版圖設(shè)計(jì)后，將版圖文件導(dǎo)入empro 2013.07 執(zhí)行3d emi仿真。選擇差分信號(hào)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(shè)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程。為確保仿真結(jié)果精度，邊界尺寸應(yīng)設(shè)為 pcb厚度的8倍以上，網(wǎng)格尺寸應(yīng)設(shè)為pcb寬度的1/5以下。運(yùn)行三維電磁場(chǎng)的計(jì)算機(jī)需要配置16g以上的內(nèi)存和100g以上的存儲(chǔ)容量，以確保分析順利進(jìn)行。
設(shè)置遠(yuǎn)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(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射功率，然后設(shè)置10m距離的電場(chǎng)探頭，繪制頻域響應(yīng)圖。再執(zhí)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(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
參見30mhz~1ghz頻率的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真圖（圖1）（電場(chǎng)強(qiáng)度單位dbμv,頻率單位ghz），輻射功率電平（藍(lán)色曲線為fem模式仿真，紅色曲線為fdtd模式仿真）低于約45dbμv的fcc最大閾值（綠色虛線）。
圖1:仿真emi圖。
近場(chǎng)電磁測(cè)量
制成并組裝原型pcb后，使用頻譜分析儀對(duì)原型進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。連接頻譜分析儀的單匝線圈捕獲原型發(fā)射的近區(qū)電磁場(chǎng)。圖2是30mhz~1ghz頻率范圍的頻域信號(hào)（電磁場(chǎng)功率電平單位db，頻率單位hz）。
圖2:電磁掃描測(cè)量圖。
400mhz附近時(shí)出現(xiàn)最大功率強(qiáng)度（-66.4dbm）的尖峰。作為近區(qū)傳感器的線圈在距離被測(cè)器件3英寸的范圍內(nèi)移動(dòng)。30khz的頻譜分析儀分辨率帶寬可以實(shí)現(xiàn)低本底噪聲（-80dbm）測(cè)量，因此尖峰（不同離散頻率的輻射）清晰可見。要增強(qiáng)原型通過微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)（3m和10m）emi一致性測(cè)試的信心，近區(qū)功率峰值應(yīng)低于-65dbm。
emi一致性測(cè)試
圖3為原型在微波暗室的3m遠(yuǎn)場(chǎng)emi一致性測(cè)試結(jié)果。紅線顯示的是cispr 11 a類最大輻射發(fā)射功率電平：30mhz~1ghz頻率范圍內(nèi)低于56dbμv。紅線下方的棕色曲線表示是德科技（原安捷倫）emc指南中規(guī)定的保護(hù)頻段。輻射波的垂直和水平分量分別由藍(lán)色和綠色曲線表示。400mhz和560mhz頻率時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)分別為38dbμv 和37 dbμv的功率峰值，均低于最大閾值。
圖3:3m輻射發(fā)射測(cè)量結(jié)果。
總結(jié)
低emi電路設(shè)計(jì)和預(yù)兼容檢測(cè)（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(jié)省開發(fā)成本和時(shí)間，并且能夠縮短微波暗室emi一致性測(cè)試時(shí)間，確保電子器件按時(shí)甚至提前投放市場(chǎng)。