高频高速信号设计原则

Blah

我们经常在教科书或者原厂的PCB Design Guide里看到一些关于高频高速信号的设计原则，其中就包括在PCB电路板的边缘不要走高速信号线，而对于板载PCB天线的设计来说，又建议天线要尽量靠近板边放置。, a* [5 Q$ U( E5 |: H# \
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这是什么科学道理？这里结合自己的一些浅薄认知，跟大家探讨一下高频高速信号线在PCB的板边时会发生什么情况，以下内容谨代表老wu的个人观点，不保证正确性，请大家自行甄别，O(∩_∩)O~2 }0 |" D3 i2 f$ E5 J$ j9 a  ~
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我们在初中阶段就已经知道，用右手在导线上撸一撸的安培右手定则告诉我们，导线中电流沿着拇指的方向传播，则导线上会产生对应的磁场，磁场的方向与右手手指握拳的方向一致，而导体中的带电电荷会产生电场，电场和磁场为一对好基友，统称为电磁场。
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安培右手螺旋定则

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按照麦克斯韦电磁场理论,变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场,而变化的磁场又要产生变化的电场。这样,变化的电场和变化的磁场之间相互依赖,相互激发,交替产生, 并以一定速度由近及远地在空间传播出去，这就是电磁辐射。这便产生了两个截然相反的影响：好的方面，所有的RF通信、无线互联、感应应用都受益于电磁辐射的好处；而有害的方面则是，电磁辐射导致了串扰和电磁兼容性等方面的问题。( k$ K3 _# s+ y

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当电磁波频率较低时,主要籍由有形的导电体才能传递;当频率逐渐提高时,电磁波就会外溢到导体之外,不需要介质也能向外传递能量,这就是一种辐射。
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在低频的电振荡中, 磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。然而,在高频率的电振荡中,磁电互变甚快,能量不可能反回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。
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8 l/ m, }. ?* k* s+ W根据以上的理论,每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射，辐射强度与频率成正比。PCB上有的导线用作信号传输，如DDR 时钟信号，LVDS差分信号传输线等,就不希望有太多的电磁辐射损耗能量并且对系统中的其他电路造成干扰;而有的导线用作天线,如PCB天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。& w3 T) l! n* i9 I, K: I
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: x) p% T/ H+ G' J. Z对于PCB上的高速信号传输线而言（如：DDR时钟信号，HDMI LVDS 高速差分传输线）,我们总是希望尽量降低其信号传输时产生的辐射，降低信号传输线产生的电磁辐射的方法有砖家总结出了一些设计原则，如要降低信号传输线的EMI，则尽量使得该信号传输线与其构成信号回流路径的参考平面的间距尽量靠近，如果传输线的宽度W与参考平面的间距H的比值小于1：3，则能够显著降低该微带传输线的对外辐射强度。) |# v- E2 n. E& R4 u

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对于微带传输线而言，采用宽而完整的参考平面也可以降低电场的对外辐射强度，微带传输线对应的参考平面至少要为传输线的3倍宽度以上，参考平面越宽越好。
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0 j/ s, M( ]$ N而如果参考平面相对于微单传输线而言宽度不够大，则电场与参考平面的耦合就小，电场对外的辐射显著增加。
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所以说，如果要降低高度信号传输微带线的电磁辐射，则需要是的微带传输线对应的参考平面尽量大，而如果该高速微带传输线靠近PCB板边来平行走线的话，相对而言，参考平面对于该高速信号线的耦合就变少了，自然就好造成电场对外辐射量显著增大。4 Z. z- E6 y& z$ d: I% G6 ?- p
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2 _3 j0 }. u4 A8 x% q# {同理，高速的IC，晶振等等也尽量远离板边放置，高速IC也需要完整而宽大的参考平面进行电磁耦合，以降低EMI。

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而对于板载天线而言，我们则希望尽量多多的向空间中辐射电磁波，所以板载天线的设计与高速传输线的设计原则相反，板载天线需要放置在板边，而且天线区域所处的位置要禁止有铜箔平面，对，所有的层需要设置铜箔禁止区。而且天线要与PCB的地平面拉开距离。1 y4 }) ?1 `. l0 }+ D. s$ E9 p

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总结：
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" J3 e1 v- e2 B' A4 y2 j同样的理论，针对不同的应用设计有不同的设计原则，电子设计这们学问真乃是博大精深，不是一朝一夕一撮而就的事情。真是应了那句古话，码农穷三代，电子毁一生…入行需谨慎啊  O(∩_∩)O~; |: X+ T) }, L& r/ e* ]9 M
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