PCB走线是如何将晶振辐射带出的 【EMC学习】

【现象描述】

某医疗设备进行辐射骚扰测试。医疗设备辐射发射频谱图如下图1。

测量超标频点尖峰间隔是22.1184 M压， 与该系统中控制板中的晶振频率一样。

经过测试还发现，该辐射并不是来自于晶振壳体的直接辐射，而是来自于连接在控制板上的串 口线。

【原因分析】

该产品控制板的部分PCB图如下图2 所示。

下图2中分别指示出了CPU、串口信号驱动芯片、晶振、串口连接器及串口信号的走线路径。很明显，这个问题是由于串口信号的走线穿过了晶振下方，使得晶振所产生的谐波信号直接耦合到串口信号线上，串口信号线成为了晶振振荡信号谐波的载体，而且串口信号线很长，包括串口电缆，这些都成为了很好的辐射天线，将晶振谐波信号带出 PCB板。

晶振是一个辐射发射源。晶振内部电路产生RF 电流，封装内部产生的 RF 电流可能很大，以至于晶体的地引脚不能以很少的损耗充分地将这个很大的Ldi/dt 电流引到地平面，结果金属外壳变成了单极天线。所以，晶振的周边充满着近场辐射场。如果充满辐射场的范围内有器件或PCB走线， 那么晶振及其谐波的RF信号将通过容性或感性的方式耦合到器件或PCB信号线上，即这些器件及信号线也带上RF信号。

当信号波长与导体的长度相当时会发生谐振。这时信号几乎可以 100％转换成电磁场（或反之）。例如，标准的振子天线仅是一段导线，但当其长度为信号波长的1/ 4 时，便是一个将信号转变成场的极好的转换器。这是一个很简单的事实。对于本案例中设备的使用电缆来说，已足够成为一个很好的天线。实际上，所有的导体都是谐振天线。显然，希望它们都是效率很低的天线。频率为100MHz时，1m长的导体就是很有效的天线，频率为1GHz处，100mm的导体就成为很好的天线。

【处理措施】

根据以上分析，晶振是一个噪声源，这一事实是没有办法改变的；RS232 串口电缆是天线，这也是没有办法改变的事实。但是噪声源与“天线”之间耦合和驱动关系是可以改变或根除的，这也是设计时应该考虑到的。因此在本案例中，只要将串口信号线的走线远离晶振（实践证明 300 mil 以上的距离基本可以满足要求），就可以得到满意的效果，且在试验中得到证实。

【思考与启示】

(1) 晶振属于强辐射器件，其下方及周边 300 mil 内应该禁止走线，以免发生串扰。

(2) 当形成辐射的要素–噪声源和天线都没有办法改变时，改变噪声源与天线的驱动关系，也是解决辐射问题的可行方式。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》