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多层印制电路板的EMI数值分析

作　者: 杨荣彬
导　师: 胡玉生
学　校: 集美大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 印制电路板电源/地平面过孔边界元法噪声源辐射发射
分类号: TN41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

多层印制电路板（PCB）和电子封装设计正不断向高速、高集成化方向发展，电磁干扰（EMI）问题已成为高速数字系统设计所面临的一个巨大挑战。高速PCB中的走线、IC（集成电路）和不连续结构均是产生电磁辐射的噪声源，而同步开关噪声（SSN）则是产生电磁辐射的主要原因。SSN会导致电源总线产生电压波动，因高速数字系统的电源/地平面呈腔体结构，在SSN噪声源激励下会产生谐振现象，从而产生严重的电磁场辐射发射。高速数字系统中具有大量的过孔、接插件和互连线，因其结构的复杂性对其EMI进行建模仿真十分困难。本文采用边界元法对电源/地平面产生的电磁场辐射发射进行了建模仿真。研究了电源/地平面具有多个过孔时EMI激励源的精确提取方法以及多层PCB电磁辐射等效磁流的电磁场数值分析方法。首先采用有限元法建立了过孔的内在等效电路模型，然后采用边界元法计算了电源/地平面上多个过孔的散射矩阵，最后将过孔等效电路、散射矩阵和外部电路在ADS（或SPICE）软件环境下进行混合电路分析，从而求出EMI噪声源。等效磁流及散射矩阵是通过求解二维亥姆霍兹方程获得。由已知等效磁流即可方便地计算出空间的EMI辐射场。计算结果通过电磁场软件仿真进行了验证，证实了本文方法的有效性和精确性。边界元法只需对过孔及板的四周边界进行离散，无需求解内部场分布即可获得辐射等效磁流，极大地提高了计算效率。此外，边界元法可适应于任意形状PCB的EMI分析，比腔模理论具有更广的适用性。论文的特色与创新性研究表现为：（1）通过混合电路仿真获得了精确的EMI激励源。（2）采用有限元法对过孔的寄生电容进行了建模分析。将极坐标形式的拉普拉斯方程转化为简便的直接坐标形式，简化了编程过程。（3）采用边界元法对多层PCB的过孔散射矩阵及等效磁流进行了分析。边界元法可大大减少PCB上过孔、走线等精细结构的离散网格数量，并有效提高计算精度与计算效率。与网格离散方法相结合可同时对信号完整性、电源完整性和EMI进行整体建模仿真，这将是一种非常有前景的仿真方法。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 PCB 之 EMI 简介  9-11
    1.1.1 EMI 干扰源  9
    1.1.2 数字系统辐射发射标准  9-11
  1.2 选题目的和研究意义  11-12
  1.3 PCB 辐射的国内外研究状况  12-16
  1.4 本论文所做的工作  16-17
    1.4.1 本论文的主要研究内容  16
    1.4.2 本论文的研究方法  16-17
第2章电源/地平面电磁场辐射机理  17-22
  2.1 多层 PCB 简介  17
  2.2 电源/地平面结构分析  17-18
  2.3 电源/地平面的边缘辐射  18-19
  2.4 微带天线辐射机理  19-21
  2.5 本章小结  21-22
第3章过孔分布电容的有限元分析  22-33
  3.1 过孔结构与传输线模型  22-23
  3.2 轴对称两维有限元法  23-29
    3.2.1 边值问题的建立  24-25
    3.2.2 区域离散  25-27
    3.2.3 单元插值  27-28
    3.2.4 里兹方法的计算公式  28-29
  3.3 程序设计  29-30
  3.4 计算结果  30-32
  3.5 本章小结  32-33
第4章单个过孔的电源/地平面辐射  33-52
  4.1 边界元算法  33-40
    4.1.1 格林公式的应用  34-35
    4.1.2 边界积分方程的导出  35-36
    4.1.3 线性元法  36-38
    4.1.4 代数方程组的形成  38
    4.1.5 H、G 中元素的计算  38-40
    4.1.6 程序设计  40
  4.2 激励电流的计算  40-42
  4.3 等效磁流计算辐射电磁场  42-45
  4.4 实例分析  45-51
    4.4.1 HFSS 验证电源/地平面的场分布  46-48
    4.4.2 电源/地平面的远场分布  48-51
  4.5 本章小结  51-52
第5章多个过孔的电源/地平面辐射  52-59
  5.1 边界元分析阻抗矩阵  52-54
  5.2 激励电流的计算  54-55
  5.3 等效磁流计算辐射电磁场  55
  5.4 实例分析  55-58
  5.5 本章小结  58-59
第6章研究总结与展望  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-65
在学期间发表的学术论文  65

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