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“意外天线”和良好的电磁(EM)设计

存在的问题:
1.所有导电结构,无论其预期目的如何,都表现为意外发射和接收无线电天线。我们是否想要它们。                             
2.即任何/所有导电结构中的电压和电流,无论其预期目的如何,都与其局部电磁(EM)场相互作用。我们是否想要它们。        
                       
这是任何/所有导体所做的事情,我们无能为力!
1.这同样适用于通过附近电路的近场耦合的杂散/寄生电压和电流; 以及来自有意发射器的远场拾取的电压和电流,如无线电,电视,手机,WiFi,蓝牙等。
2.这同样适用于导电结构是否用于承载电路中的电流,或者不是 - 例如,如果它们是外壳的金属或金属化部件(甚至是大部分塑料外壳的部件); 装饰金属饰边; 液压,气动,燃气或水管(如果是金属); 金属支撑结构等
3.这同样适用于绝缘管内的导电液体(例如血液,盐水,海水等)。
4.所有时钟数字IC,如微处理器; 包含微处理器和FPGA的ASIC和SoC现在从所有引脚重复发出宽带差模噪声电流。   
5.它们从所有引脚中的每一个引出宽带共模噪声电流,包括所有输入引脚,电源引脚,“静态”输出引脚,模拟I / O引脚和(所谓的)接地引脚。        这些频率通常从系统时钟频率的一半或更低,一直到6GHz(或更高)。它们将来会扩展到更高的频率。 
6.在高达6GHz的情况下,如果导电结构长达12.5mm(半英寸),如果通过空气绝缘,或者6.35mm长(四分之一英寸),如果在FR4 PCB内,则可以表现为非常有效的“共振意外天线” 。

有什么影响:
1.由导电结构(无论它们的形成意外天线意在包含计时数字IC,诸如微处理器的产品的功能); 包含微处理器和FPGA的ASIC和SoC导致难以遵守EMC辐射和抗扰度测试标准。            
2.出于同样的原因,这些意外天线在实际应用中导致/遭受EMI,使得难以实现良好的功能性能,低保修回报,良好的客户感知和高水平的重复销售。(这是通过EMC测试的真正原因!)
3.为了确保导电结构(无论其预期目的)不是有效的意外天线,在所关注的最高频率下,其尺寸不应大于十分之一波长。                
4.对于高达6 GHz,如果导体通过空气绝缘,则表示5.0 mm;如果通过FR4 PCB材料绝缘,则表示2.5 mm。
5.为了成为非常低效的偶然天线,导电结构在所关注的最高频率下不应具有大于波长的百分之一的任何尺寸。
6.对于6 GHz,这意味着如果用空气绝缘则为0.5 mm,如果用FR4 PCB材料绝缘则为0.25 mm。请注意,这小于PCB中典型通孔的长度!
7.为了符合最严格的军用或汽车EMC规范,即使是在最关键频率下长度小于百分之一波长的导体,也很容易像意外天线一样高效。
8.设计和制造包含时钟数字IC的产品,如微处理器; 因此,包含微处理器和FPGA的ASIC和SoC需要密切关注非常小的结构细节,这通常会增加总体制造成本。

要怎么解决:
1.不要将高于必要的噪声频率放入产品中不需要它们的部分。            
2.这将使这些部件实现良好的EMC,而无需控制极小的结构细节,有助于降低产品的总体制造成本。
3.另一种看待这种情况的方法是,我们将实际需要使用这种高频率的产品部分限制为最高频率噪声,无论它们是差模还是共模。      
4.这最大限度地减少了控制非常小的结构细节的需要,有助于降低产品的总体制造成本。

因此,例如,在精心设计和具有成本效益的产品中,我们通常会看到:
1.通过使用PCB安装的滤波和屏蔽,可将高达几GHz的噪声频率包含在较小的PCB区域内,在这些区域内,要非常小心地注意每个大于0.1mm的导电特征(将来会减少)。
2.其他电路板区域内的噪声频率高达(比方说)100 MHz,再次使用PCB安装的滤波和屏蔽,在这些区域内,必须非常小心地注意每个大于约5mm的特征。
3.PCB上的基带模拟电路经过滤波和屏蔽,以限制它们在电路板上其他位置的数字和开关电源电路所经历的噪声频率,达到它们线性运行的最高频率。
4.这通常不超过约50 kHz,但数据表中没有提供有关此频率的任何有用信息,因此必须进行测量(在常规测试台上很容易)。
5.产品外部的屏蔽电缆受到过滤和屏蔽,以承载信号或电源噪声频率达到屏蔽层和连接器可以处理的频率。

6.产品外部的非屏蔽电缆受限于数字和开关电源电路的噪声频率高达10kHz(对于某些军事或航空应用而言较少),通过在整个产品外壳的水平使用屏蔽和过滤。

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