电磁辐射原理

使用闭合导体，在其两端加载时变电流，就会产生波动的磁场和围绕它的电场。当电荷加速移动时，如果同时出现近场和远场，近场跟着电荷做加速运动，而远场无法与电荷移动同步，就会出现扭结（Kink）。电场扭结太大，就会脱离原来的场，辐射出去。

图1 电场扭结及辐射原理

通常来说，采用两根平行线缆，长度相对比波长短，所产生的电场为近场，我们通常称为“差分信号”，这种线缆很难产生扭结（Kink）。如果线缆张开一定的角度，电磁场就会出现不协调，形成近场和远场，产生扭结（Kink），形成天线，这也是无线通信中的天线原理。

图2 远场的形成原理

传输波形的谐波分量

在数字电路中，大部分基带信号都类似于方波，这些波形是无数依次递减的谐波分量叠加而成。电流的谐波分量会产生波动的磁场，这些磁场会通过耦合或者辐射的方式往下传输。

图3 数字信号的谐波分量

PCB传输线路模型

在PBC Layout中，大部分工程师喜欢把电源线或者信号线和地分开布，这样很危险，因为一旦环路和高频信号的波长接近，就会形成一个环形天线，高频的谐波频率会通过电磁场耦合进来，形成共振。

图4 PCB布线中产生的环形天线

根据下面两种布线，两个导体会形成一个电容。按照电磁场辐射原理，左边布线，电子在高频运动的时候，很容易形成近场和远场，产生扭结，发射电磁波。同时也很容易接收外来电磁波。而右边布线，电源和地之间，回路足够小，形成闭合回路，电场辐射就非常微弱，很难产生电场辐射，也很难被其他电磁场干扰。

图5 电源和地的布局布线对比

大部分信号，特别是高速信号，都会设计成差分电路。在差分电路中，主要分为直流分量和交流分量，直流分量不会产生交变磁场，交流分量会产生交变磁场，产生电磁干扰。

图6 差分电路模型

有关差分电路的布局布线问题，其实就是严格按照等长对称线来实现一个封闭电路，电磁场很难穿透差分电路。这就是为何差分信号的传输特性相对比较稳定。除了需要对差分信号做等分布线之外，工程师还需要对差分信号做电源匹配和包地。

图7 差分电路等长对称原理

实际上，在电路结构中，各个回路的电源和地才是整个电路中最大的差分对，大多时候，工程师们喜欢把电源布线，布成如图8所示的结构，在早期的单面板产品布局布线中，这算是最好的布线方法。

图8 传统单面板布局布线图

随着通信速率要求的提高，图8中这个布线结构就会形成天线效应，产生电磁波辐射。所以为了降低电磁干扰，Wolfe Yu建议在布线时将电源和地尽量布在一起。

图9 主芯片电源地布线建议

电流汇集模型

有关电流连续性的问题，有一个比较形象的比喻：每颗电容都是一个蓄水池，上游存储的蓄水要大于下游，才不会因为断流造成河流干枯。电源供电原理相同，设计不当，就会引发强电磁干扰。

图10 电流汇集模型之蓄水池理论

再来看看电源拓扑，DCDC电源大致分为三个环（一说四个环），高频交流斩波环把两个直流输入环和输出环分割开来，交流环主要做高速PWM斩波，产生电磁切割，一旦布线不好，容易产生电磁辐射。

图11 DCDC电源拓扑图

为了设计方便，Wolfe建议在布局的时候，把两个直流环和交流环分开布局，方便在布线的时候分开布线。

图12 DCDC电源布局布线建议

基于同轴线的全封闭电路

在传输线路中，工程师们很难保证电路能够达到100%的闭合效果。为了防止在传输线上产生电磁辐射，于是提出一种基于同轴线的传输方式。同轴线传输就是把电磁场封闭在内外导体之间，辐射损耗和受外界损耗都非常小。

图13 同轴线闭合电磁场

同轴线传输解决了高速信号传输的电磁辐射的问题。除了电磁辐射问题，电路传输中还会面临另外一个问题。那就是，当信号频率很高的时候，除了阻性负载，还有容性负载和感性负载产生的反射信号，反射信号会叠加在原信号上，改变原信号的形状，这被称为“传输线损耗”。

图14 传输线等效模型

图14是一个传输线等效模型，除了阻性负载，还存在容性负载和感性负载。根据理论公式，很容易计算出传输线的阻抗值。为了抵消反射信号，工程师可以在电路源端和负载之间插入无源网络，使负载阻抗和源阻抗共轭匹配，这就是阻抗匹配。

图15 阻抗匹配原理

Microchip基于CoaXpress®一揽子解决方案

Excelpoint世健代理的Microchip推出一种基于CoaXpress®的视频传输方案就是基于同轴线的全封闭电路传输方案。

EQCO125T40集成均衡器、CDR和电缆驱动，可以实现在一根电缆或PCB跟踪对上发送/接收信号，在1.25 Gbps/12.5 Gbps 8b/10b编码下行传输，以及20.833 Mbps/41.666 Mbps 8b/10b编码的上行传输，传输距离最远可以达到40m。

同轴电缆固有地被其外部导体屏蔽，从而使其对许多操作环境中存在的外部电磁干扰（EMI）高度耐受，特别是在嘈杂的工厂环境中。这使CoaXpress可以应用于各种复杂的工业环境，是高清摄像头镜头传输的不二方案。

图16 基于CoaXpress®的视频传输方案

这颗芯片搭载在基于Microchip PolarFire®视频平台上，客户可以利用Microchip提供的免费IP包轻松完成产品开发，缩短开发流程。

图17 Microchip PolarFire®视频平台

图18 MIC28517评估板

同时，Excelpoint世健为客户提供相关参考设计以及技术指导，针对国内客户在进行DCDC设计以及布局布线时容易出现的一系列技术瓶颈，推出一系列PCB布线指导，同时也提供PCB设计文件让客户方便导入，帮助客户轻松进行电子线路设计布局。