PCB中接地过孔带的屏蔽效能分析

arhauxi

  1引言
  在混合电路中设计中，一块电路板要实现多种功能，其射频部分，中频部分，乃至低频控制电路部分都被部署在同一块PCB上。如何防止射频，中频乃至低频电路互相之间的干扰一直是一个重要问题。通常所用的方法是屏蔽接地。屏蔽的方法一般有：安置接地屏蔽盒；在不同部分之间采用接地过孔带隔离。而前者在较密集的小型了电路的布局、封装上实现有一定的困难，所以接地过孔带常常用以代替其实现屏蔽的作用。
  接地过孔带是在混合印刷电路扳（PCB）中常用的隔离各部分的屏蔽元件 。为了在设计过程中更好地利用它们，需要对它们的效用进行定量的估算。
2接地过孔带的屏蔽效能理论
屏蔽效能是定量描述和表示屏蔽效果的物理量，根据屏蔽效能的定义：

其中： －不存在屏蔽体时的磁场
－设置屏蔽后的磁场
我们需要求得到接地过孔带后的衰减电磁场，与原场相比，就可以得出其屏蔽效能。
如图1的接地过孔带模型。在文献[1]中，K.F.Casey提出了过孔带屏蔽效能与接地过孔带尺寸的一个简单关系：

其中： －原入射磁场
       －屏蔽后的穿透磁场
       
       =过孔的半径
      =同列过孔间的距离（如图1）
      =过孔列之间的距离（如图1）
由以上公式我们可以看出，接地过孔带提供的衰减似乎只与其尺寸有关，而与频率无关。 我们通过实验来验证这个理论，并对其进行深化和应用。

图1 基本模型
Fig1.Basic Model
3    实验仿真
3.1    建模计算
我们建立模型来比较接地过孔带的屏蔽效果，并通过仿真软件(AnsoftHFSS)进行实验：

（1）    如图 2 所示，建立一个微带线PCB模型I，由两边微带线Track0和Track1组成，在其中一条上（Track0）加激励源，测试在Track2上得到的衰减。得到计算结果如图（4）所示。
                
图2  模型I
Fig.2  Model I

（2）    如图 3 所示，建立同样的微带线PCB模型II，由与图2两条微带间距离相同的等距微带线Track1、Track2和Track3组成，其中间分别放置单列的过孔和双列的过孔。在Track1上加激励源，在Track2上测试其衰减，计算结果如图（5）所示；然后，在Track2上加激励源，在Track3上测试其衰减，得到结果如图（5）所示；

图3  模型II
Fig.3  Model II
我们计算所得到的三个结果图，分别是在没有接地过孔屏蔽、单列过孔屏蔽和双列过孔屏蔽作用下得到的，分析这三个图，我们可以得到以下结论：
（1）接地过孔带对于微带线路之间的耦合有明显的抑制作用，比较图（4）和(5)可以看出，它提供了 8－20 dB的衰减。
（2）对于单列接地过孔带，其衰减稳定在一个值(约 27 dB)上，与频率无关。
（3）双列接地过孔并没有提供比单列过孔更显著的屏蔽效果，其计算结果曲线基本与单列
过孔相重合。
在这里，我们需要对这些结论进行理论上的解释。显然，结论（1）是勿庸置疑的；再考虑我们上面所提到的接地过孔带的简单衰减关系：

这个关系式很容易解释结论（2）：在某个频段内（与过孔尺寸有关），衰减是与频率无关的一个值，而只与过孔带的尺寸有关；接下来我们分析结论（3）：当用双列过孔屏蔽时，显然 的数值减少从而 的数值增大，然而 的数值没变，相对于分母 ， 的变化还是很微小的。我们举例，当单列过孔带的 , ;双列过孔带的 , 同样。这样我们计算的结果可以得到，双列过孔带只比单列过孔带多提供了大约 的衰减。另外，在文献[3]中Merzer提出了过孔间隙组成圆柱屏蔽网格的说法，也能很好地解释这些结论。
4    结论
通过仿真模拟实验，我们对接地过孔带的屏蔽效能进行了分析，得出了以上的三条结论。同时也验证了K.F.Casey提出的理论。在频率大于>4G的频段，接地过孔带能够提供一个稳定的衰减；并且说明了在设计中，相对双列接地过孔带是一个冗余的设计。这些对工程上接地过孔带的应用以及我们对电磁场基本元件的更深刻理解是有帮助的。

arhauxi

[s:12]  [s:12]  [s:12]  [s:12]  [s:12]