辐射从哪里来？【EMC学习】

【现象描述】

某设备，采用模块和背板结构，每个模块都有连接器，当模块插入到背板上时，模块上的连接器与背板上相对应的连接器进行连接，这也是模块与背板仅有的连接之处，每个模块进行一定的屏蔽设计，背板也进行了屏蔽设计，背板用来固定每个模块及每个模块之间的信号连接。在进行辐射发射测试时，发现辐射超过该产品标准中规定的限值，超标频点是 350 MHz，用近场探头定位测试，确认是一模块与设备背板之间的接插处辐射泄漏导致，该频率点的源头是模块内部PCB 板中的50 MHz晶振。

【原因分析】

该设备由于要在室外工作，因此需要做防水处理，包括模块与背板的连接之处，采用防水的橡胶垫圈将两者之间连接密封。由于防水垫圈是非导电的，因此存在的＂缝隙”成为辐射的可能。拆下模块后，给模块单独上电，用近场探头进行测量，发现模块与背板的连接器处有 350 MHz的辐射。因为 PCB 板已经做了处理，PCB 中的无阻焊线右侧有屏蔽金属罩，这样晶振壳体直接通过空间辐射的路径已经被屏蔽罩隔绝，唯一辐射的可能是连接器 J1 与其相连的 PCB走线，它们很有可能耦合到了来自晶振或时钟印制线的噪声，相当于成为被噪声驱动的辐射天线。后又检查了模块，其中有连接器的那块PCB 板布局如下图所示。

从该 PCB板的布局及布线看，存在如下问题：

(1) 晶振下表层 PCB未做局部地平面敷铜处理。在晶振和时钟电路下面的局部地平面可以为晶振及相关电路内部产生的共模RF电流提供通路，从而使RF发射最小。为了承受流到局部地平面的共模RF电流，需要将局部地平面与系统中的其他地平面多点相连。即将顶层局部地平面与系统内部地平面相连的过孔提供了到地的低阻抗。

(2) 传输到连接器的布线很多从50 MHz晶振底下穿过，不仅破坏局部地平面的作用，而且必然将 50 MHz晶振产生的噪声通过容性耦合的方式耦合到穿过它下面的信号线，使这些信号线带有共模电压噪声，而这些信号线又延伸出PCB上的屏蔽体，将噪声带出屏蔽体。 这是一种典型的共模辐射模型。

(3) 晶振的位置离接口太近。

可见，形成辐射的两个必要条件已经形成了，即驱动源和天线。与接口连接的信号线与晶振之间的耦合形成了驱动电压；与接口相连的信号线或PCB 地层成为了被驱动的辐射天线。

【处理措施】

为解决以上的辐射问题，可以用三种方法：

(1)将所有与辐射相关的部分（包括天线和驱动源）进行屏蔽，即改进原来屏蔽的缺陷，将模块与背板之间的防水垫圈改成导电的密封圈，实现整机屏蔽的完整性。

(2)降低驱动电压，即在 PCB 上进行处理较小晶振与那些与接口连接器相连的信号线。这需要调整50MHz 晶振的位置及周边布线，将晶振尽量往板内移，将晶振底下的走线避开，并保持离晶振有300mil以上的距离，晶振底下的表层在做敷铜处理，并且保证晶振底下的地平面完整。

(3)取消辐射的天线，这一措施显然很难实现，引线信号与接口连接器之间的连接不可避免。

【思考与启示】

(1)防水与屏蔽要统一，不要为了防水而忽视了屏蔽的完整性。

(2)晶振底下不能布信号线，特别是与对外接口直接相连的信号。

(3)在晶振和时钟电路下面的局部地平面可以为晶振及相关电路内部产生的共模RF电流提供通路，从而使RF 发射最小。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》