信号如何在PCB中传播

博客作者：Dario Fresu

为电磁兼容性（EMC）设计印刷电路板（PCB）时，需要从电磁场和电流的角度深入理解信号传播。这些概念之所以重要，是因为它们帮助我们设计出电磁场辐射低、对外部辐射或干扰敏感度低的 PCB。

在“掌握 PCB 设计中的 EMI 控制” 系列的第一篇文章中，我们将深入探讨这些概念，并了解如何将其应用于印刷电路板设计。

传输线中的信号传播概念

思考信号在 PCB 中的传播方式时，需要从 “水流过管道” 的类比思维，转变为基于电磁场和传输线的思维。传输线是一种旨在以约束电磁场的形式将能量从一点传递到另一点的结构。在印刷电路板中，传输线至少由两个导体构成 —— 这两个导体在约束电磁场并将其从电路中的一点引导到另一点方面同等重要。如果缺少其中一个导体，组成信号的电磁场将无法被约束，这些场的扩散可能导致 EMC 测试失败。

由此引出一个非常重要的概念：电磁信号并不包含在导体内部，而是存在于两个导体之间的电介质及其周围空间中。从 EMC 角度看，我们的目标是最大化两个导体之间的约束电磁场，并减少其周围的电磁场。

图 1：PCB 中数字信号传播示意图

在 PCB 中，用于信号传播的两个导体分别是信号电位导体和返回与参考电位导体。最直观的例子是两层板：顶层连接信号源，用于布设信号走线；底层是实心铜层，既连接信号源，也连接到信号电位参考（见图 1）。我们所谓的 “信号”，实际上是这两个导体之间的电磁场 —— 这意味着信号并非存在于单一导体中，而是两个导体之间电介质中的电磁能量。这也表明，电介质材料的特性会影响信号传播，尤其是对信号（或电磁波）传播速度的影响，即光在电介质中的速度。两个导体之间会存在信号已到达的点和未到达的点。在数字信号中，信号区域与无信号区域之间的过渡点称为信号边沿或信号波前，这是数字信号中逻辑电平从低到高的过渡点。

从 EMC 角度看，这一过渡点极为关键，因为它是导体之间电场和磁场从低到高变化的位置。能量状态变化越快，即信号从低逻辑电平到高逻辑电平的转换速度越快，短时间内压缩的能量变化就越大。当信号在传输线中从源端向目的端传播时，信号波前或信号边沿引导信号的传播。

正向电流、返回电流与位移电流

另一个重要概念是：当信号边沿传播时，由于前沿是电磁场的变化，这会在两个导体之间的电介质中产生位移电流。这一现象由奥利弗・亥维赛总结的麦克斯韦方程组（尤其是安培 - 麦克斯韦定律）解释。最直观的理解方式是想象交流电源作用于电容器时的电流流动（见图 2）。

图 2：电容器（a）未加电场（b）施加正向电场（c）施加负向电场

实际上，电容器极板与电介质之间不存在传导电流，但电介质中的束缚电荷会随极板施加的电场发生极化（位移），这看起来就像传导电流流过了电容器极板。位移电流的概念之所以重要，是因为它解释了信号传播过程中，尤其是到达负载之前，电流如何形成。经典电路理论指出，电流总是以回路形式流动。那么，为何信号在到达负载之前，即尚未建立从源端到负载再返回源端的连续传导电流回路时，就存在电流？这正是由于位移电流的存在，它使电流在信号传播时仍能以回路形式流动。如果仅有传导电流而没有位移电流，信号将无法传播 —— 因为仅由传导电流构成的电流回路在到达负载前无法闭合，这意味着传导电流必须流过电介质，而这从定义上是不可能的。但借助位移电流这一 “视在电流”，回路会随信号传播瞬间闭合。

传导电流与位移电流的结合，形成了随信号边沿传播的电流回路。如图 3 所示，该电流回路可分为三部分：

图 3：电流回路与位移电流

正向电流：沿信号方向在顶层导体中流向负载。

返回电流：沿信号反方向在底层导体中流回源端。

位移电流：通过 “流经” 导体之间的电介质并跟随信号边沿，桥接电流的另外两部分。

约束信号能量以控制 EMI

管理导体间电磁场的约束并控制电流路径，对于设计不仅性能优异、而且电磁兼容性和信号完整性出色的 PCB 至关重要（见图 4）。

图 4：使用 Altium Designer 3D 查看器的先进 PCB 设计示例

这种方法使我们能够从源头控制辐射，并避免设计允许外部干扰耦合的 PCB 结构。

在本系列的下一篇文章中，我们将讨论如何通过优化元件布局有效降低 EMI。

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