浅谈电路设计中的近场辐射EMI

如果您是天线设计师，那么您可能会熟悉近场辐射与远场辐射的所有方面。鉴于一连串的辐射EMI问题会在电子设备内部和外部引起噪声，因此人们可能会突然意识到他们的新产品就像一根坚固的天线。要了解EMI如何影响电路，可以帮助您准确了解电路设计的近场辐射与远场辐射如何影响您通过EMC检查并影响电路的能力。

就像我们将很快看到的那样，设备内的辐射EMI通常是由近场辐射引起的，这可能是由于不良的隔离，叠层设计，接地或屏蔽引起的。相反，在远处测试了设备发出的辐射的行为，以检查其如何将辐射传输到另一种产品，从而可能在受害设备中产生噪声和干扰。这是每种辐射的工作方式以及区别近场与远场的方法。

近场与远场辐射和EMI

区分两种类型的辐射需要比较从任何辐射EMI的源到辐射信号的波长的距离。在近场状态下，源和接收器之间的距离远小于波长。在远场政权中，情况恰恰相反。源和接收器之间的距离远大于发出的辐射的波长。随着辐射从源发出，辐射最终以平面波或球形/椭圆形波的形式传播远离源。

在EMC测试中，辐射的强度是在远场而不是近场中测量的。非常接近或在近场之内，来自源的辐射方向图仍然受源的几何形状影响，并且电场可能尚未稳定为清晰的谐波信号或传播的脉冲包络。由于电路设计中的各种噪声源可以以各种频率辐射，因此被测信号将是各种噪声信号的简单叠加。这会产生通常在EMC测试中测量的噪声频谱。

还根据传播信号中的磁场和电场所看到的自由空间阻抗来定义这两种状态。在近场中，磁场强度比电场强，因此磁感应将主导噪声。有一个中间状态，称为菲涅耳状态，其中波长类似于到光源的距离。在菲涅耳状态下，磁场强度很快变得与电场强度非常相似。在远场状态下，两个场强相等。总结如下。

远场发射功率是在EMC测试中测量的主要量，尽管以长波长发射的附近设备（例如，以30 MHz的发射在1至10 m内发射）仍会将EMI引入附近设备的近场状态。进行远场测量的原因是可以使用它来计算近场和菲涅耳区域的强度，从而使您可以全面了解所有重要情况下的EMI磁化率。

电路设计中的近场辐射EMI

在电路设计中，即使有快速数字信号（例如，带宽高达20 GHz），电路设计辐射部分发出的磁场通常也会在近场中出现，或者在较大的电路板中会出现在菲涅耳区域中。mmWave板例外，其工作频率约为75 GHz，其中Dk = 4的基板中的波长降至1 mm ，因此辐射EMI处于远场。实际电路板在串扰方面会发生什么情况，取决于我们在看数字信号还是模拟信号。

来自模拟信号的近场EMI

由于近场辐射具有强磁性，因此主要通过磁感应来接收。即使在高频下，紧密耦合的走线也可以将电感耦合的近场EMI作为串扰接收。在低于GHz的频率下，除非板子很大，否则在板子的任何地方都可能接收到强烈辐射的EMI。本质上，电路板上的每个电路都像一组耦合的电感器一样工作，并且可以接收任何频率的谐波。这应该说明关键电路块之间需要强隔离。

来自数字信号的近场EMI

同样，近场辐射始终是强磁性的，但是在开关事件期间，感应耦合的信号只会在附近的走线上产生。在这种情况下，描述这些脉冲在近场中的行为需要在自由空间中使用脉冲响应函数。信号处理社区应该熟悉这个想法。本质上，这将产生大多数设计人员熟悉的经典电感耦合串扰尖峰（FEXT和NEXT）。

解决这些近场辐射EMI问题仅仅是抑制串扰的问题。由于近场状态在磁场方面占主导地位，因此主要的设计解决方案包括：通过智能堆叠设计和迹线尺寸减小环路电感；使用带有隔离结构的表面层网格来抑制电路块之间的辐射EMI；在必要/可行的情况下，在关键电路上添加EMI滤波器。
编辑：hfy