传导发射测试背景
传导发射 (CE) 测试包括测量电线上的电流或线路阻抗稳定网络 (LISN) 测量端口上的电压。在汽车领域，测试装置由被测设备（EUT）、电线、LISN、EMI（电磁干扰）接收器、CAN等通信设备、负载（如果需要）和接地层组成，代表汽车底盘并代表电压参考。
图 1 描述了一个简单的测试设置：Vbat 和 GND 分别代表电源正极性和负极性的导线。在我们的例子中，EUT 是一个简单的“印刷电路板”(PCB)，但它可以代表任何其他电气或电子系统。CE 测试期间的 EMC 性能包括将测得的电压/电流与 CISPR 25（汽车领域应用最广泛的标准）等标准定义的限值进行比较。在我们的例子中，我们重点关注电压方法。测量的选择不是限制，因为电压法和电流法的测试是等效的。
图 1. 传导发射测试的 EMC 测试设置
受试设备描述
在本研究中，EUT 是一个简单的 PCB，由多个接地层组成，并且有一条由信号激励的走线。我们用它来说明走线和接地层之间的耦合以及布局如何影响这种耦合。我们研究三个案例：
案例 1 由 2 层 PCB 组成。激发迹线位于底层。顶层是 PCB 接地参考层（见图 2）。
案例 2 由 4 层 PCB 组成，其激励走线位于两个用于传播信号的实心 PCB 参考层之间（参见图 3）。情况 3 与情况 2 相同，只是走线下方的底层有一个孔（见图 4）。
图 2. PCB 案例 1 插图，PCB 底视图
图 3. PCB 案例 2 插图，PCB 底视图
图 4. PCB 案例 3 示意图，PCB 底视图
情况 2 和情况 3 被简化为三层而不是四层。事实上，L4 被抑制是为了简化模型并使结果的解释更容易。这种简化不会影响最终结果，因为 L3 和 L4 之间没有噪声源，并且它们之间可能存在的电压可以忽略不计。接地层也可以是通过去耦电容连接的电源层。在我们的例子中，电容器被认为是完美的，并且各层使用多个过孔相互连接，以在它们之间具有最小阻抗。因此，三层 PCB 模型代表了完整的 4 层系统。
PCB 呈矩形，尺寸为 21 cm x 10 cm，走线长度等于 21 cm，宽度等于 0.25 mm，如图 5 所示。
图 5. PCB 尺寸和走线长度
传导发射测试设置
该装置由 PCB 和 PCB 参考通过 20 厘米长的导线与 LISN 阻抗的连接组成。通常，电源使用两根线连接到 PCB：一根用于负极性，另一根用于正极性。在我们的研究中，我们仅用一根地线代替这些电源线。
本研究仅考虑共模，这是耦合的最主要模式。事实上，负极线和正极线之间的输入阻抗可以忽略不计。它们通常通过电容器连接，在本研究中假设这是理想的。
测试设置的 3D 模型如图 6 所示。电路板垂直放置，走线位于底层，地线连接到顶层。PCB 和接地层之间没有局部接地连接。
图 6. 测试装置的 3D 模型
噪声源和终端
走线由来自缓冲器或微控制器的信号激励，并由固定阻抗终止。它对时钟或具有某些高频分量的通信信号进行建模。在仿真中，激励是频率范围为 100 kHz 至 300 MHz 的宽带电压源。终端是一个 50kΩ 电阻。对于所研究的频率范围，终端阻抗的精确值并不重要，但它足够高以使电容耦合更加占主导地位。
模拟法
对于 3D 仿真，使用全波频域 (FD) 求解器。它是分析 100 kHz 至 200 MHz 频率范围内 PCB 的最佳选择。首先，使用 FD 求解器构建 3D 模型、划分网格并求解。然后，我们使用与 CST Studio Suite 原理图的联合仿真，根据 3D 仿真的结果进行电路仿真。
配置是根据阻抗和连接到我们想要分析的每个端口的组件单独定义的。这意味着我们可以改变终止值和驱动值并获得LISN电压，而无需每次都重新求解3D模型。这显着减少了模拟时间。此外，在协同仿真设计流程中，我们可以使用“组合结果”功能来计算 3D 模型中的电流和电磁场，同时考虑所有驱动和终端电路。这种可视化对于调查很有用。它允许对每个模拟配置的耦合过程进行深入分析。所研究的电路很简单，如图 7 所示。
图 7. 每种情况 1“两层”和情况 2“三层”的仿真电路
我们注意到，在模拟情况下，GND 线直接连接到 PCB，但它可以通过任何阻抗（如 CMC“共模扼流圈”）断开或连接，就像许多设计中的情况一样。
仿真结果
当走线被 1V 宽带噪声源激励时，我们使用交流分析来分析 LISN 上的电压。获得的结果如图 8 所示。在情况 1“单层”中，耦合比为 78 dB，这意味着对迹线施加 1 V 电压时，我们在 20 MHz 时得到 42 dBμV，这高于 CISPR 25 的要求发射等级 5“窄带噪声”。在情况 2“双层”中，该电平降低至 -58 dBμV，这是一个非常低的电平。在情况 3“带孔走线”中，耦合电平为 25 dBμV，与情况 2 相比增加了 83 dB。事实上，根据 CISPR 25 5 类，情况 3 代表传导发射的高风险。
图 8：根据情况 1、情况 2 和情况 3 的 LISN 阻抗计算的电压
耦合机制分析
此时立即出现的第一个问题是：即使 PCB 和接地层之间只有一个连接，LISN 上怎么会有电流？为了回答这个问题，我们可以使用 20 MHz 的电场监视器，见图 9。我们可以清楚地注意到 PCB 和接地层之间存在电场。该场的变化会通过 PCB 和接地层之间的杂散电容感应出位移电流，如图 10 所示。该位移电流会在 LISN 阻抗中感应出电压。
图 9. 案例 1 在 20 MHz 下的现场监测
图 10. PCB 和接地层之间的电容耦合
当走线埋在两个接地层之间（如情况 2 所示）时，走线和接地层之间的耦合会大大降低。事实上，走线层和接地层之间的耦合显着增加，并改变了位于内层之间的电流分布。由于电场被限制在迹线和 PCB 层之间，因此 PCB 层的外表面没有电流，并且它们和接地层之间也没有电场。这减少了 PCB 和接地层之间的耦合。
图 11. 减少耦合的图示
当 PCB 层在迹线上方包含一个孔（如“情况 3”）时，耦合水平变得接近情况 1“单层”图 12 的耦合水平。差异仅为 33 dB。显然，该值随着孔的位置和大小而变化。
图 12. 三种情况下 20 MHz 的电场
结论
我们使用 3D 模拟来研究传导发射测试装置中 PCB 和接地层之间的耦合。结果表明，高阻抗端接的走线在其与接地层之间产生电场，从而在 LISN 阻抗上感应出位移电流和电压。当走线在两个内层之间布线时，这种耦合会大大减少。然而，由于走线上方或下方的接地层之一中存在孔，这种改进可能会受到严重影响。这个结论非常令人惊讶：即使是 PCB 一小部分上方的一个小孔也会显着降低改进效果。通过所提出的仿真工作流程，可以非常直接地研究替代配置，例如改变驱动和终端阻抗或修改 PCB 布局。
