PCB板电磁信息的获取及运用分析

调试PCB的传统工具包括：时域的示波器、TDR（时域反射测量法）示波器、逻辑分析仪，以及频域的频谱分析仪等设备，但是这些手段都无法给出一个反映PCB板整体信息的数据。PCB板又称印刷电路板、印刷线路板，简称印制板，英文简称PCB（printed circuit board ）或PWB（printed wiring board），以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔（如元件孔、紧固孔、金属化孔等），用来代替以往装置电子元器件的底盘，并实现电子元器件之间的相互连接。

由于这种板是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。习惯称“印制线路板”为“印制电路”是不确切的，因为在印制板上并没有“印制元件”而仅有布线。

Emscan电磁兼容扫描系统采用了具有的阵列天线技术和电子切换技术，能对PCB的电流进行高速测量。

Emscan的关键是采用了具有的阵列天线来测量放在扫描器上的工作着的PCB的近场辐射。这个天线阵列由40 x 32 （1280） 个小型H－场探头组成，这些探头被嵌在一个8层电路板中，在该电路板上加上了一层保护层以放置被测PCB。

频谱扫描的结果可以让我们对EUT产生的频谱有一个大致的认识：有多少个频率分量，每个频率分量的幅度大致是多少。

全频段扫描

PCB板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计实现。

在执行频谱／空间扫描功能时，把工作着的PCB放置到扫描器上，PCB被扫描器的栅格划分为7.6mm×7.6mm的小格（每个小格含有一个H场探头），执行对每个探头的全频段扫描（频率范围可以从10kHz－3GHz）后，Emscan终给出两张图，分别为合成频谱图（图1）和合成空间图（图2）。

频谱/空间扫描获得的是整个扫描区域内每个探头的全部频谱数据。执行频谱/空间扫描后就可以得到所有空间位置的所有频率的电磁辐射信息，你可以将图1和图2的频谱/空间扫描数据想象为一堆空间扫描数据，也可以想象为一堆频谱扫描数据。你可以：

1. 像查看空间扫描结果一样，查看指定频率点（一个或多个频率）的空间分布图，如图3所示。

2. 像查看频谱扫描结果一样，查看指定物理位置点（一个或多个栅格）的频谱图，如图4所示。

图3的各个空间分布图，是通过指定频率点来看该频率点的空间腹部图。通过在图中上面的频谱图中用×指定频率点后得到的。可以指定一个频率点查看每个频率点的空间分布，也可以指定多个频率点，例如指定83M的所有谐波点，查看总的频谱图。

图4的频谱图中，灰色部分是总频谱图，蓝色部分为指定位置的频谱图。是通过用×指定PCB上的物理位置，对比该位置产生的频谱图（蓝色）和总频谱图（灰色），找到干扰源的位置。从图4可以看出，这种方法对宽带干扰和窄带干扰，都能很快地找到干扰源的位置。

快速定位电磁干扰源

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。

它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。

利用频谱分析仪和单个的近场探头，也能定位“干扰源”。这里用“灭火”的方法来进行一个比喻，可以把远场测试（EMC标准测试）比喻为“检测火灾”，如果有频率点超出极限值，就认为是“发现了火灾”。

传统的“频谱分析仪＋单探头”方案，一般是由EMI工程师使用，来探测“火苗从机箱的哪个部位窜出来”，检测到火苗后，一般的EMI抑制办法是用屏蔽和滤波，把“火苗”捂在产品内部。

EMSCAN能让我们检测到干扰源的源头--“火种”，还能看清“火势”，即干扰源的传播途径。

由图4可以很明显地看出，利用“完整电磁信息”，定位电磁干扰源是非常方便的，不仅能解决窄带电磁干扰问题，对宽带电磁干扰问题同样有效。

一般的方法如下：

（1）查看基波的空间分布，在基波的空间分布图上找到幅度的物理位置。对于宽带干扰，则在宽带干扰的中间指定一个频率（例如一个60MHz－80MHz的宽带干扰，我们可以指定70MHz），检查该频率点的空间分布，找到幅度的物理位置。

（2） 指定该位置，看该位置的频谱图。检查该位置的各个谐波点的幅度是否与总频谱图重合。如果重合，则说明指定位置是产生这些干扰的强的地方。对于宽带干扰，则检查该位置是否为整个宽带干扰的位置。

（3） 在很多情况下，不是所有谐波都产生在一个位置，有时偶次谐波与奇次谐波在不同的位置产生，也有可能各个谐波分量在各个不同的位置产生。这种情况下，可以通过查看你所关心的频率点的空间分布，找到辐射强的位置。

（4） 在辐射强的地方采取手段，无疑对解决EMI/EMC问题是有效的。

这种真正能追踪到“源头”和传播途径的EMI排查方法，能让工程师以的成本和快的速度排除EMI问题。在一个通信设备的实测中，辐射干扰从电话线电缆中辐射出来。用EMSCAN进行上述追踪扫描后，终在处理机板上，多装了几个滤波电容，解决了工程师原来无法解决的EMI问题。

快速定位电路故障位置

随着PCB复杂程度的增加，调试的难度和工作量也不断增加。利用示波器或者逻辑分析仪，同时只能观察到1个或者有限的几个信号线的波形，而现在的PCB上可能有成千上万条信号线，工程师只能凭经验或者运气来找到问题的所在问题。

如果我们有了正常板和故障板的“完整电磁信息”，通过对比两者的数据，发现异常的频谱，再采用“干扰源定位技术”，把异常频谱的产生位置找出来，就能很快找到故障的位置及原因。

图5为正常板和故障板的频谱图，通过对比，很容易发现故障板上存在一个异常的宽带干扰。

然后在故障板的空间分布图上去找产生这个“异常频谱”的位置，如图6所示，这样，故障位置就被定位到一个栅格（7.6mm×7.6mm）的位置，问题就能很快确诊。

评估PCB设计质量的应用

一块好的PCB需要工程师精心设计，需要考虑的问题包括：

（1） 合理的层叠设计

特别是地平面和电源平面的安排，以及敏感信号线及产生大量辐射的信号线所在层的设计。还有地平面、电源平面的分割，以及跨越分割区域的信号线的布线。

（2） 保持尽可能连续的信号线阻抗

尽可能少的过孔；尽可能少的直角走线；以及尽可能小的电流回流面积，可以产生较少的谐波及较低的辐射强度。

（3） 良好的电源滤波

合理的滤波电容的类型、容值、数量、及放置位置，以及合理的地平面和电源平面的层叠安排，能保证电磁干扰被控制在尽可能小的区域。

（4） 尽可能保证地平面的完整性

尽可能少的过孔；合理的过孔安全间距；合理的器件布局；合理的过孔安排，从而保证地平面的完整性。相反，密集的过孔以及过大的过孔安全间距，或者是不合理的器件布局，会严重影响地平面以及电源平面的完整性，从而产生大量的感性串扰、共模辐射，并会使电路对外界干扰更敏感。

（5） 在信号完整性和电磁兼容性中找折中

在保证设备功能正常的前提下，尽可能增加信号的上升沿和下降沿时间，减少信号产生的电磁辐射的幅度和谐波数量。例如需要选择合适的阻尼电阻、合适的滤波手段等。

以前，利用PCB产生的完整的电磁场信息，能对PCB设计质量进行科学的评价。利用PCB的完整的电磁信息，可以从如下四个方面来评估PCB的设计质量：1. 频率点数量：即谐波数量。2. 瞬态干扰：不稳定的电磁干扰。3. 辐射强度：各个频率点电磁干扰的幅度大小。4. 分布区域：各个频率点的电磁干扰在PCB上的分布区域的大小。

下面的例子中，A板是B板的改进。两块板的原理图以及主要器件的布局完全一致。两块板的频谱/空间扫描的结果见图7：

从图7的频谱图中，可以看出，A板的质量明显比B板好，因为：

1. A板的频率点数量明显比B板少；

2. A板的大部分频率点的幅度比B板的小；

3. A板的瞬态干扰（没有被标记的频率点）比B板的少。

从空间图中可以看出A板的总的电磁干扰分布区域比B板的小得多。再来看看某一个频率点的电磁干扰分布情况。从图8所示的462MHz这一个频率点的电磁干扰分布情况来看，A板的幅度小，而且区域很小。B板的幅度大，而且分布区域特别广。

本文小结

PCB完整电磁信息，能让我们对PCB的整体有一个非常直观的认识，不仅有助于工程师解决EMI/EMC问题，还能帮助工程师调试PCB，并不断提高PCB的设计质量。同样，EMSCAN的应用还有很多，例如帮助工程师解决电磁敏感性问题等等。

审核编辑：刘清