Nahfeld- vs. Fernfeld-EMI: Was verursacht Rauschprobleme in meiner Leiterplatte?

Wenn Sie ein Antennendesigner sind, dann sind Sie wahrscheinlich mit allen Aspekten der Nahfeld- vs. Fernfeld-Strahlung vertraut. Angesichts der Litanei von abgestrahlten EMI-Problemen, die Rauschen innerhalb und außerhalb eines elektronischen Geräts verursachen, könnte man plötzlich feststellen, dass sich das neue Produkt wie eine starke Antenne verhält. Um zu verstehen, wie EMI Ihre Schaltungen beeinflusst, ist es hilfreich zu verstehen, wie Nahfeld- vs. Fernfeld-Strahlung von Ihrer Leiterplatte Ihre Schaltungen und Ihre Fähigkeit beeinflusst, EMV-Prüfungen zu bestehen.

Wie wir bald sehen werden, wird abgestrahlte EMI innerhalb eines Geräts typischerweise durch Nahfeldstrahlung verursacht, die durch schlechte Isolierung, Erdung, Abschirmung oder schlechtes Stackup-Design entsteht. Im Gegensatz dazu wird das Verhalten der von einem Gerät ausgehenden Strahlung im Fernfeld getestet, um zu untersuchen, wie es Strahlung auf ein anderes Produkt überträgt, wodurch möglicherweise Rauschen und Interferenzen in dem betroffenen Gerät induziert werden. Im Folgenden wird erläutert, wie jede Strahlungsart funktioniert und was das Nahfeld vom Fernfeld unterscheidet.

Nahfeld- vs. Fernfeld-Strahlung und EMI

Um die beiden Strahlungsarten zu unterscheiden, muss der Abstand von der Quelle jeder ausgestrahlten EMI mit der Wellenlänge des ausgestrahlten Signals verglichen werden. Im Nahfeldbereich ist der Abstand zwischen der Quelle und dem Empfänger viel kleiner als die Wellenlänge. Im Fernfeldbereich ist das Gegenteil der Fall: Der Abstand zwischen Quelle und Empfänger ist viel größer als die Wellenlänge der Strahlung. Wenn Strahlung von einer Quelle emittiert wird, breitet sie sich schließlich als ebene Welle oder als Kugel-/Ellipsoidwelle von den Quellen weg aus.

Bei EMV-Prüfungen wird die Stärke der emittierten Strahlung im Fernfeldbereich und nicht im Nahfeldbereich gemessen. Sehr nahe am oder innerhalb des Nahfeldes wird das Strahlungsmuster der Quelle immer noch durch die Geometrie der Quelle beeinflusst, und das elektrische Feld hat sich möglicherweise nicht zu einem klaren harmonischen Signal oder einer sich ausbreitenden Impulshülle stabilisiert. Da verschiedene Rauschquellen in einer Leiterplatte bei verschiedenen Frequenzen abstrahlen können, wird das zu messende Signal eine einfache Überlagerung der verschiedenen Rauschsignale sein. Dadurch entsteht das Rauschspektrum, das normalerweise bei EMV-Prüfungen gemessen wird.

Die beiden Regime werden auch in Bezug auf die Impedanz des freien Raums definiert, die von den magnetischen und elektrischen Feldern in einem sich ausbreitenden Signal gesehen wird. Im Nahfeld ist die magnetische Feldstärke stärker als das elektrische Feld, daher dominiert die magnetische Induktion das Rauschen. Es gibt ein Zwischenregime, das so genannte Fresnel-Regime, bei dem die Wellenlänge ähnlich der Entfernung von der Quelle ist. Innerhalb des Fresnel-Regimes wird die magnetische Feldstärke der elektrischen Feldstärke schnell sehr ähnlich. Im Fernfeld-Regime sind die beiden Feldstärken gleich. Die folgende Abbildung fasst dies zusammen.

Die Fernfeld-Emissionsleistung ist die primäre Größe, die bei EMV-Prüfungen gemessen wird, obwohl in der Nähe befindliche Geräte, die bei langen Wellenlängen emittieren (z.B. innerhalb von 1 bis 10 m bei einer Emission bei 30 MHz), die EMI immer noch in das Nahfeld-Regime von Geräten in der Nähe versetzen. Der Grund für die Fernfeldmessung ist, dass man damit die Stärke im Nahfeld und in der Fresnel-Zone berechnen kann, wodurch man einen vollständigen Überblick über die EMI-Empfindlichkeit in allen wichtigen Regimen erhält.

Gestrahlte Nahfeld-EMI in einer Leiterplatte

Bei einer Leiterplatte befindet sich das von einem Teil der Leiterplatte abgestrahlte Feld im Allgemeinen im Nahfeld, selbst bei schnellen digitalen Signalen (z.B. mit einer Bandbreite von bis zu 20 GHz), oder bei größeren Leiterplatten in der Fresnel-Zone. Eine Ausnahme bilden mmWave-Platinen über ~75 GHz, bei denen die Wellenlänge in einem Substrat mit Dk = 4 auf 1 mm absinkt, so dass die abgestrahlte EMI im Fernfeld liegt. Was in einer realen Platine in Bezug auf das Übersprechen geschieht, hängt davon ab, ob es sich um digitale oder analoge Signale handelt.

Nahfeld-EMI von analogen Signalen

Da Nahfeldstrahlung stark magnetisch ist, wird sie in erster Linie durch magnetische Induktion empfangen. Selbst bei hohen Frequenzen kann induktiv gekoppelte Nahfeld-EMI als Übersprechen durch eng beieinander liegende Leiterbahnen empfangen werden. Bei Sub-GHz-Frequenzen könnte stark abgestrahlte EMI überall auf der Leiterplatte empfangen werden, es sei denn, die Leiterplatte ist sehr groß. Im Wesentlichen verhält sich jeder Schaltkreis in Ihrer Leiterplatte wie ein Satz gekoppelter Induktivitäten und kann harmonische Töne bei jeder Frequenz empfangen. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit einer starken Isolierung zwischen kritischen Schaltungsblöcken.

Nahfeld-EMI von digitalen Signalen

Auch hier gilt: Nahfeldstrahlung ist immer stark magnetisch, aber ein induktiv gekoppeltes Signal wird nur während eines Schaltvorgangs in einer nahen Leiterbahn induziert. In diesem Fall erfordert die Beschreibung des Verhaltens dieser Impulse im Nahfeld die Verwendung einer Impulsantwortfunktion im freien Raum. Die Community der Signalverarbeiter sollte mit dieser Idee vertraut sein. Im Wesentlichen werden dadurch die klassischen induktiv gekoppelten Übersprechspitzen (FEXT und NEXT) erzeugt, mit denen die meisten Designer vertraut sind.

Die Lösung dieser im Nahfeld abgestrahlten EMI-Probleme ist nur eine Frage der Unterdrückung des Übersprechens. Da das Nahfeldregime magnetisch dominiert wird, sind die primären Designlösungen: Verringerung der Schleifeninduktivitäten durch intelligentes Stackup-Design und Leiterbahngrößenanpassung; Verwendung von Oberflächenschicht-Gittern mit Isolationsstrukturen zur Unterdrückung von abgestrahlter EMI zwischen Schaltungsblöcken; Hinzufügen eines EMI-Filters bei kritischen Schaltungen, wo dies notwendig/durchführbar ist.

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