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。圖1：Emscan電磁掃描系統(tǒng)的組成。

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就是根據這個原理制成的，它采用H場陣列探頭(有32×40＝1280個探頭)來探測DUT上的電流，在測量期間，DUT直接放在掃描器的上面。這些探頭可以檢測由于高頻電流發(fā)生變化而引起的電磁場的變化，系統(tǒng)可提供RF電流在PCB上空間分布的視覺圖像(圖1)。

Emscan電磁兼容掃描系統(tǒng)已經在通信、汽車、辦公電器以及消費電子等工業(yè)領域得到廣泛應用，通過該系統(tǒng)提供的電流密度圖，工程師在進行電磁兼容性標準測試前就能發(fā)現有EMI問題的區(qū)域并采取相應措施。

近場掃描原理Emscan的測量主要在活性近場區(qū)域(r<<λ/2π)進行，DUT上發(fā)出的輻射信號大部分被耦合到磁場探頭上，少量能量擴散到自由空間。磁場探頭耦合了近H場的磁通線以及PCB上的電流，另外它也獲取一些近E場的微量成分。

大電流低電壓電流源主要與磁場相關，而高電壓小電流電壓源則主要與電場相關，在PCB上，純電場或者純磁場都是很少見的。RF和微波電路中，電路的輸入阻抗以及連接用的微帶或者微帶線，其阻抗都被設計為50歐姆，這種低阻抗設計使得這些元器件產生大電流和低電壓變化，此外數字電路的趨勢也是使用更低電壓差的邏輯器件，同時活性近場區(qū)域內的磁場波阻抗遠小于電場波阻抗。綜合這些因素，大部分PCB活性近場區(qū)域能量都包含在近磁場中，因此Emscan掃描系統(tǒng)采用的磁場環(huán)適合于這些PCB的近場診斷。

所有的環(huán)是一樣的，然而它們在反饋網絡中的位置不同，因此反饋網絡可感應各個環(huán)的響應，每個環(huán)相對參考源的響應都被測量出來并考慮為濾波轉移函數。為了保證測量的線性度，Emscan測量的是這個轉移函數的倒數。

由于采用了陣列天線和電子自動切換天線技術，因此測量速度大大加快，比手工單探頭測量方案快幾千倍，也比自動單探頭測量方案快幾百倍，能夠快速有效判斷電路修改前后的效果(圖2)?？焖賿呙杓夹g及其先進幅度保持掃描技術和同步掃描技術使該系統(tǒng)能有效捕捉瞬態(tài)事件，同時它采用能提升頻譜分析儀測量精度的技術，提高了測量的精確性和可重復性。

評估PCB近場輻射干擾的測量方法圖2：Emscan的測量結果顯示。

PCB輻射干擾情況的檢查可分幾步進行。首先確定需要掃描的區(qū)域，然后選擇能充分采樣掃描區(qū)域的探頭(柵格7.5mm)，在100kHz～3GHz的頻率范圍內進行頻譜掃描，并存儲每個頻率點的最大電平。注意，比較大的頻率點可利用空間掃描在掃描區(qū)域內作進一步檢查，這樣可以定位干擾源以及關鍵電路路徑。

被測板必須盡可能靠近掃描器板，因為隨著距離增加，接收信噪比會降低，而且還會有“分離”效應。實際測量中，這個距離應該小于1.5cm。我們可以看到，對元件面的測量有時候可能會因為元器件的高度而使測量出現問題，因此元器件的高度必須要考慮，以對測量的電壓電平進行校正。在基本檢查中，需考慮分離距離校正因子。

我們可以很快得到測量結果，但是這些結果不能評判產品是否符合EMC特性，因為它測量的值是PCB板上的高頻電流產生的電磁近場。而標準EMC測試是要求在開闊場地(OATS)或者在暗室進行的，距離為3米(即遠場)。

盡管Emscan的測量不能取代標準EMC測試，但是實踐證明，它確實有很多用途。通過對測量結果的分析，可以得出很多結論以利于產品的后續(xù)開發(fā)。除了得到電壓電平外，下列信息也非常重要：干擾產生點、干擾分布、覆蓋大區(qū)域的干擾傳導路徑、干擾被限制在PCB上的狹窄區(qū)域以及內部結構或臨近I/O模塊間的耦合等，還可以看到數字電路和模擬電路分開的效果。

上述測量可作為PCB設計質量評估的一個標準，進一步來說，如果我們已經知道了一個類似的PCB的EMC特性，我們完全可以在產品開發(fā)早期對EMC特性進行比較可靠的評估，例如是否應該采用屏蔽手段等。

特別值得一提的是，電磁場高速掃描系統(tǒng)還能揭示瞬態(tài)EMI問題，瞬態(tài)EMI問題在電磁兼容性測量中往往不會被檢測到，但是它們會影響產品的性能和可靠性。

PCB抗干擾性能的評估

在實際使用中，所有電子設備都會受到電磁場的干擾，如果一個設備不能滿足抗干擾要求，也不進行屏蔽，那么該設備的性能就會受電磁干擾的影響。事實表明，干擾信號的頻率可能會有幾百MHz，這些干擾主要通過連接的導體進行耦合，因此I/O模塊的抗干擾設計非常重要。為了增強產品的抗干擾性能，有時不得不增加濾波等手段，這意味著會增加產品的成本。從這種角度上看，尋找一種能優(yōu)化所有電路和元器件的解決方案非常重要。

通過適當修改上面提到的測量方法，在產品開發(fā)和測試階段就能夠正確評估產品的抗干擾性能。改進后的方法如下：把PCB放在掃描器板上進行頻譜掃描以決定PCB的干擾頻率，然后把該頻率正弦波干擾信號用夾子或者適當耦合設備(如平衡線上用的T-LISN)耦合到I/O線或導體上，采用步距10MHz、頻率范圍能滿足10MHz到150MHz(避免與PCB板的干擾頻率重疊)、功率－20到0dBm(取決于耦合器件和PCB的類型)的發(fā)生器，執(zhí)行與所加干擾信號一致的頻率進行空間掃描。干擾信號從耦合點到PCB內的分布情況就能非常清楚地在空間掃描圖形上看出來，然后可以根據下面一些原則對空間掃描結果進行解釋，包括PCB上哪些區(qū)域分布有耦合上去的干擾信號、插入濾波器的有效性(衰減干擾信號)、臨近I/O導體耦合情況以及PCB接地層或者區(qū)域的有效性等。

經濟效益

電磁場高速掃描技術在PCB設計和調試中的應用，能幫助及早發(fā)現問題，及時采取有效措施消除或抑制系統(tǒng)內部和對外電磁干擾，確保產品EMC測試一次通過，從而加快產品設計進程，提高產品設計質量，節(jié)省產品開發(fā)費用，減少產品的售后服務工作量。

平均而言，一個新產品設計需要2至4次去EMC場地測試，每次去EMC場地測試都需要等3～4周時間。如果產品沒有通過測試，整個過程將非常長，而且還不得不重復進行，直到通過測試。電磁干擾掃描技術能讓工程師在“設計過程中”考慮產品電磁兼容性，從而縮短產品開發(fā)時間和減少去EMC場地測試的次數。典型情況下可以把產品的上市時間提前3至12周或者更多。

另外替代元件的確定對于確保持續(xù)生產和成本控制也是非常重要的，很多情況下，替代元件與首選元件的電磁輻射特性不一致，電磁掃描技術提供了一種快速有效評估替代元件可用性的手段，能保證在不影響產品電磁完整性的前提下降低產品的生產成本。