多重反射導(dǎo)致的諧振

(1) 傳輸線路變成諧振器
如果像在數(shù)字信號(hào)中所描述那樣，導(dǎo)線兩端都發(fā)生反射，則會(huì)存在一個(gè)特定頻率，使波形完全符合下一個(gè)周期的信號(hào)（如圖16所示），同時(shí)反射波 在導(dǎo)線來(lái)回一圈。在此頻率處，傳輸線路可能作為一種諧振器，并導(dǎo)致非常大的電壓或電流。此時(shí)需要注意，因?yàn)樗赡苁箶?shù)字信號(hào)遭受振鈴或者在特定頻率處導(dǎo)致 很強(qiáng)的噪聲。

(2) 通過(guò)駐波觀察諧振
圖17采用了圖14(b)中假定的20cm長(zhǎng)信號(hào)線的情形，并疊加了以下幾種情況下各頻率處駐波的計(jì)算結(jié)果: (a)兩端均終端匹配（無(wú)反射波），(b)只有終端發(fā)生反射，(c)兩端均發(fā)生反射（多重反射）。在情形(a)下信號(hào)輸出已經(jīng)調(diào)整至1V(120dBµV)。
當(dāng)沒(méi)有發(fā)生任何反射時(shí)，所有頻率范圍內(nèi)和所有位置上的電壓都恒定（120dBµV）。信號(hào)在終端匹配的情況下正確進(jìn)行傳輸。

(3) 只有一端發(fā)生反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生駐波
情形(b)將負(fù)載阻抗設(shè)定為1MΩ（幾乎是開(kāi)放和完全反射）。在這種情況下，可以觀察到駐波，且電壓隨頻率和位置而變化。這種狀態(tài)可以認(rèn)為是接近圖11和圖12中測(cè)量的狀態(tài)。如果只有一端發(fā)生反射，無(wú)論反射有多強(qiáng)烈，最大值都不會(huì)超過(guò)原信號(hào)的兩倍（增加6dB）

(4) 兩端均發(fā)生反射時(shí)，諧振頻率處出現(xiàn)大振蕩
情形(c)在(b)中終端條件的基礎(chǔ)上，使信號(hào)源的輸出阻抗降低至10Ω，從而造成反射。在這種情況下，在某些頻率處（大約為200MHz和650MHz）觀察到了非常強(qiáng)烈的駐波。這些頻率會(huì)造成多重反射，而且在某些情況下，電壓或電流可能達(dá)到原信號(hào)的數(shù)倍，從而成為EMC措施方面的問(wèn)題。

(5) 諧振傳輸線路也作為天線
當(dāng)信號(hào)線如上所述作為諧振器時(shí)，需要特別注意，因?yàn)樾盘?hào)線本身可能成為一種微帶天線并發(fā)射很強(qiáng)的噪聲。諧振頻率可能在使導(dǎo)線長(zhǎng)度為二分之一波長(zhǎng)的頻率間隔處反復(fù)出現(xiàn)（在圖17的示例中約為400MHz）。小心不要讓數(shù)字信號(hào)的諧波接近這些頻率。
為避免多重反射造成的諧振，需要在兩端或一端進(jìn)行阻抗匹配（如圖17(a)或(b)所示），以吸收反射。如何終止數(shù)字信號(hào)線將在下一章節(jié)中講述。
除了這樣的信號(hào)電路之外，如果要處理噪聲的傳導(dǎo)路徑（如電源線），通常也可以衰減信號(hào)。在這種情況下，除了終止之外，還可以通過(guò)加劇傳輸線的衰減來(lái)避免諧振。如果要加劇衰減，通常是增加一個(gè)電阻元件。



[page]數(shù)字信號(hào)的終止

(1) 較長(zhǎng)導(dǎo)線也需要針對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行終端匹配
前已述及，當(dāng)傳輸線路的特性阻抗等于負(fù)載阻抗時(shí)，所有能量將會(huì)傳輸?shù)截?fù)載而不會(huì)發(fā)生反射。這種狀況被稱(chēng)為“匹配”。例如，圖11(a)和圖12(a)在信號(hào)線的末端連接了一個(gè)50Ω的電阻器，以便能夠與特性阻抗(50Ω)匹配。在這種情況下，電場(chǎng)（電壓）和磁場(chǎng)（電流）是一致的，不會(huì)觀察到任何駐波。


如果是數(shù)字信號(hào)，當(dāng)C-MOS IC相互連接時(shí)，信號(hào)線兩端通常都會(huì)造成反射。但是，如果導(dǎo)線較短，諧振頻率就會(huì)非常高，不會(huì)導(dǎo)致任何實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題。如果導(dǎo)線變長(zhǎng)，諧振頻率會(huì)降低，變得 具有影響力，因而可能需要匹配。如圖19所示，可在驅(qū)動(dòng)器側(cè)或接收器側(cè)進(jìn)行阻抗匹配。

(2) 驅(qū)動(dòng)器側(cè)終端匹配
在驅(qū)動(dòng)器側(cè)圖19(a)進(jìn)行匹配時(shí)，將一個(gè)電阻器或鐵氧體磁珠串聯(lián)連接到信號(hào)線。這類(lèi)似于電路的阻尼電阻器。唯一的區(qū)別在于如何選擇電阻 值。選擇的電阻值要能補(bǔ)足驅(qū)動(dòng)器側(cè)輸出電阻和特性阻抗之差。這時(shí)，接收器側(cè)仍會(huì)造成反射，導(dǎo)致信號(hào)線上存在駐波，使導(dǎo)線中部的波形失真。因此，這適用于導(dǎo) 線中部未連接任何電路的一對(duì)一信號(hào)傳輸。

(3) 接收器側(cè)終端匹配
在接收器側(cè)圖19(b)進(jìn)行匹配時(shí)，如圖所示將電阻值等于特性電阻的電阻器連接到地線或電源。在這種情況下，不會(huì)導(dǎo)致任何駐波，因此，即使 是從導(dǎo)線中部提取信號(hào)，也能獲得規(guī)整的脈沖波形。但是，由于電流流入負(fù)載電阻器，這種匹配也存在一些劣勢(shì)，如降低信號(hào)振幅，導(dǎo)致功率損耗。為了在靜止的狀 態(tài)下減少功率損耗，可以加入電容器與電阻器串聯(lián)。


[page]對(duì)EMC措施的影響

盡管就產(chǎn)生駐波和諧振對(duì)傳輸數(shù)字信號(hào)而言是不利的現(xiàn)象，但它們是研究噪聲傳導(dǎo)和制定應(yīng)對(duì)措施時(shí)需要考慮的重要特性。當(dāng)物體噪聲頻率升高時(shí)，需要基于噪聲傳導(dǎo)路徑會(huì)像傳輸線一樣（產(chǎn)生駐波）的假設(shè)采取相應(yīng)措施和EMC措施。關(guān)于主要影響的示例將在下面講述。

(1) 電壓和電流隨測(cè)量點(diǎn)變化
當(dāng)針對(duì)EMC措施使用探針尋找噪聲源時(shí)，即使在同一根導(dǎo)線上，但一個(gè)部分的噪聲比較大，而其他部分的噪音比較小。此外，就電壓和電流（磁場(chǎng)）而言，產(chǎn)生較大噪聲的位置不相同。因此，如果噪聲抑制前后的測(cè)量點(diǎn)不同，就無(wú)法正確評(píng)估產(chǎn)生的影響。
圖20顯示了頻譜的變化，以此作為使用如圖10所示測(cè)量系統(tǒng)移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)時(shí)導(dǎo)致變化的一個(gè)示例。當(dāng)探針移動(dòng)幾厘米時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)頻譜的形狀和電平出現(xiàn)變化。如果要找出噪聲大的位置，就需要牢記這種變化，并在諸多點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，以確定噪聲強(qiáng)度。


(2) 阻抗和EMC措施相關(guān)元件的作用隨位置而變化
當(dāng)產(chǎn)生駐波時(shí)，電壓波腹（電流波節(jié)）處的阻抗高，而電壓波節(jié)（電流波腹）處的阻抗低。阻抗的高低影響著該位置所連接EMC措施相關(guān)元件的效果。（但是，駐波的形狀隨頻率而變化。因此，當(dāng)連接一個(gè)EMC措施相關(guān)元件時(shí)，不能一概斷定其對(duì)所有頻率位置而言是有利或不利。）
例如，圖21給出了圖11中電流駐波隨頻率發(fā)生的變化。電流大的地方阻抗小（偏紅），電流小的地方阻抗大（偏藍(lán)）。可以發(fā)現(xiàn)這些位置根據(jù)頻率發(fā)生變化。
一般而言，旁路電容器在阻抗降至最小值（電流波腹）的位置處具有較小的影響。圖9用箭頭了指出了這樣的位置。如果在此位置處放置一個(gè)元件，其對(duì)頻率的影響會(huì)減弱，因而需要另外使用鐵氧體磁珠等。（可以移動(dòng)此位置。但可能會(huì)在另一個(gè)頻率處出現(xiàn)問(wèn)題。）
相反，鐵氧體磁珠在阻抗局部最高點(diǎn)可能影響更弱。
就降噪效果而言，結(jié)合了電容器和鐵氧體磁珠的LC濾波器可能相對(duì)不那么容易受到阻抗波動(dòng)的影響。


[page](3) 諧振頻率隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而變化
由于使傳輸線發(fā)生諧振的頻率會(huì)產(chǎn)生很大的電壓和電流，因此可能會(huì)導(dǎo)致很強(qiáng)的噪聲發(fā)射。此頻率隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而變化。因此，如果像圖中所示那樣因重新布置IC而改變導(dǎo)線長(zhǎng)度，則可能在意想不到的頻率處使噪聲增大。這類(lèi)問(wèn)題難以預(yù)測(cè)，因?yàn)殡娐穲D通常不會(huì)指明導(dǎo)線長(zhǎng)度。
除了信號(hào)線之外，電源模式、電纜和屏蔽表面也可能形成傳輸線并導(dǎo)致諧振。這類(lèi)諧振器就像完好的天線一樣，會(huì)發(fā)射噪聲。


(4) 電纜或屏蔽板會(huì)產(chǎn)生駐波，成為狀態(tài)完好的天線
就電纜連接至電子設(shè)備或者設(shè)備中使用金屬板作為天線的機(jī)制而言，這樣的導(dǎo)體可以被視為像傳輸線一樣產(chǎn)生諧振。（但是，天線的特性阻抗一般不是恒定的。）
例如，如圖21所示，當(dāng)電子設(shè)備連接至有開(kāi)放端的電纜時(shí)，電纜可以被視為有開(kāi)口端的傳輸線路。在這種情況下，電纜產(chǎn)生的駐波在端部的電流為零（如 圖所示）。因此，基部的阻抗降低，電流在端部不連接任何元件的情況下流動(dòng)。在電纜長(zhǎng)度等于四分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍的頻率處，會(huì)產(chǎn)生諧振，因而也可能發(fā)射噪聲。
這時(shí)，基部的阻抗較小，因此，噪聲可能會(huì)由增加阻抗的元件（如鐵氧體磁心）所控制。


如圖22所示，如果一端有金屬板連接到地線（當(dāng)一端連接了屏蔽板時(shí)），會(huì)產(chǎn)生接地部件處電壓為零的駐波。使金屬板長(zhǎng)度等于四分之一波長(zhǎng)奇數(shù) 倍的頻率會(huì)導(dǎo)致諧振，且很可能造成噪聲發(fā)射和感應(yīng)。如果兩端都連接到地線，會(huì)產(chǎn)生在兩端電壓均為零的駐波，因此，使金屬板長(zhǎng)度等于二分之一波長(zhǎng)整數(shù)倍的頻 率會(huì)導(dǎo)致諧振。為消除這樣的問(wèn)題，連接到地線的各點(diǎn)之間的間隔應(yīng)縮短到噪聲波長(zhǎng)的大約十分之一或以下。
如上所述，在（較高）頻率范圍內(nèi)，其中電子設(shè)備所使用導(dǎo)體的大小超過(guò)四分之一波長(zhǎng)（例如10cm時(shí)使用750MHz），導(dǎo)體可能作為天線。如果物體噪聲的頻率很高，則需要注意物體尺寸與波長(zhǎng)之間的關(guān)系。


[page]如何防止噪聲傳導(dǎo)

(1) 阻抗失配可防止噪聲傳導(dǎo)
實(shí)現(xiàn)阻抗匹配并不總是能帶來(lái)理想的結(jié)果。如果要防止噪聲傳導(dǎo)（而不是傳輸信號(hào)），就需要避免匹配阻抗。
如章節(jié)2-1所示，除了充分了解電子設(shè)備噪聲發(fā)射機(jī)制以外，可以認(rèn)為從噪聲源到天線之間建立了噪聲傳輸路徑（如圖25所示）。在這種情況下，如果阻抗已經(jīng)完全匹配，噪聲可能被傳導(dǎo)至天線并造成很強(qiáng)的發(fā)射。

(2) 去耦電容器導(dǎo)致阻抗失配
為防止噪聲傳導(dǎo)，傳輸線兩側(cè)的反射都應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)，使噪聲無(wú)法傳導(dǎo)。在此期間，使用去耦電容器或電感器等元件顯著改變阻抗，從而增加反射。
也可以加劇傳輸路徑的衰減。如果要增強(qiáng)衰減，就需要吸收能量。這就是需要使用EMC措施相關(guān)元件發(fā)揮噪聲吸收作用的原因?？墒褂镁哂须娮枳杩沟蔫F氧體磁珠。

盡管圖25僅涉及了針對(duì)所有元件的噪聲傳輸路徑，但實(shí)際上它是很多傳輸路徑的結(jié)合。例如，如果從接口電纜發(fā)射數(shù)字IC電源噪聲，則可以認(rèn)為具體情況會(huì)如圖26所示（作為示例）?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)傳輸路徑按類(lèi)型分解來(lái)應(yīng)用圖25所示的噪聲反射和衰減。



[page]S參數(shù)

(1) EMC措施相關(guān)元件的性能可通過(guò)S參數(shù)來(lái)表示
盡管噪聲傳輸路徑中所使用EMC措施相關(guān)元件的效果一般可通過(guò)插損來(lái)表示，但還會(huì)使用S參數(shù)進(jìn)行更準(zhǔn)確的表示。S參數(shù)方法是表示使用上述電波反射概念的電路特征的方式。因?yàn)镾參數(shù)能夠表示元件在高頻范圍內(nèi)的性能，所以常用于高頻電路。

(2) 插損特性可被S參數(shù)取代
在通過(guò)S參數(shù)表示EMC措施相關(guān)元件時(shí)，表示降噪性能的插損可由S參數(shù)傳輸系數(shù)所取代。其前提是電路為線性運(yùn)行，且要使用在50Ω系統(tǒng)上測(cè)得的S參數(shù)。

(3) 傳輸系數(shù)和反射系數(shù)
如圖27所示從左側(cè)和右側(cè)輸入電波可得到傳輸系數(shù)和反射系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)可用來(lái)表示具有一個(gè)輸入終端和一個(gè)輸出端子（也稱(chēng)為“端口”）的元件的S參數(shù)。圖25中所解釋的元件內(nèi)部衰減是傳輸部分和反射部分消減的輸入能量值。

(4) 通過(guò)數(shù)據(jù)表來(lái)表示
由于S參數(shù)一般隨著頻率變化而改變，因此針對(duì)每個(gè)頻率以表格的形式提供了相應(yīng)的S參數(shù)值。圖28作為關(guān)于S參數(shù)的一個(gè)例子，提供了針對(duì)三終端EMC措施相關(guān)元件NFE61PT102的S參數(shù)。這個(gè)EMC措施相關(guān)元件內(nèi)部具有較大的衰減。
左圖為S參數(shù)表。如表中所示，每個(gè)端口的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)都通過(guò)大小和相位來(lái)表示。（在某些情況下，它們會(huì)通過(guò)實(shí)數(shù)和虛數(shù)來(lái)表示，或者大小可能以dB為單位。）

(5) 頻率特征圖
右圖將傳輸系數(shù)S21和反射系數(shù)S11表示為頻率特征。在低頻范圍內(nèi)傳輸系數(shù)S21很大，在10MHz以上卻非常小。這一特征表示從左側(cè)進(jìn)入和傳輸?shù)接覀?cè)的噪聲比，其值越小表明降噪能力越好。如要將其轉(zhuǎn)換為插損，數(shù)值大小需要轉(zhuǎn)換為以dB為單位（不帶負(fù)號(hào)）。
在1MHz到1GHz頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)S11約為0.2到0.6。此特征表示當(dāng)噪聲從左側(cè)進(jìn)入時(shí)回到噪聲源的反射比。據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)，此元件具有較小的反射，且不那么可能由于多重反射導(dǎo)致問(wèn)題。



(6) 用S參數(shù)表示特征的好處
在使用S參數(shù)表示EMC措施相關(guān)元件時(shí)，不僅可以表示出主要的降噪效果（傳輸系數(shù)），而且可以表示出反射到噪聲源側(cè)的效果，從而可以考察多重反射導(dǎo)致的次要影響。從這個(gè)角度來(lái)看，S參數(shù)比插損的表示更準(zhǔn)確。
當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)的阻抗改變時(shí)，S參數(shù)也會(huì)隨之變化。通常是在50Ω系統(tǒng)中測(cè)量的。為準(zhǔn)確估計(jì)降噪效果，需要根據(jù)連接實(shí)際元件位置處的阻抗通過(guò)轉(zhuǎn)換進(jìn)行闡釋。電路模擬裝置通常都具備這樣的功能。
除了圖28(b)中的圖之外，S參數(shù)也可如圖4(c)所示在史密斯圖上進(jìn)行繪制。