CN110602873A - 一种印制电路板电路吸收或发射功率降低方法及预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子设备电磁兼容和电磁干扰技术领域，公开了一种印制电路板电路吸收或发射功率降低方法及预测方法。通过减小印制电路板微带线高度、增大印制电路板的介质层的介电常数或是这两项的组合来降低印制电路板电路吸收或发射功率。印制电路板匹配电路平均吸收功率预测方法的步骤为采用公式计算得到一条曲线，制定平均吸收功率曲线和平均吸收功率区间。本发明通过在设计时调整印制电路板的相关参数实现降低印制电路板吸收功率的目的，减少了增加屏蔽层的工序和成本，同时平均吸收功率预测方法避免了大量的数值计算，节省了计算时间，提高了设计效率。

Description

一种印制电路板电路吸收或发射功率降低方法及预测方法
技术领域
本发明涉及电子设备电磁兼容和电磁干扰技术领域，特别是涉及一种印制电路板电路吸收或发射功率降低方法及预测方法。
背景技术
随着电子科学技术的发展，各种电子设备的电磁环境变得越来越恶劣，印制电路板电路越来越容易受到外界电磁环境的干扰。这就要求提高印制电路板电路的抗干扰性。同时由于电磁干扰和发射的互易性，对印制电路板电磁发射的限制也越来越多。如何减小外界电磁环境在印制电路板电路上的干扰(互易地，如何降低印制电路板的电磁发射)是当前急需解决的问题。目前很多降低印制电路板电路吸收功率方法的思路为在印制电路板上增加一层屏蔽层，然而该方法增加了一道制作工序，也增加了印制电路板电路的制作成本。
发明内容
为了解决目前降低印制电路板电路吸收功率方法存在的成本高、工序复杂的问题，本发明提供一种通过调整印制电路板本身参数而降低电路吸收或发射功率的方法。从印制电路板设计入手，通过在设计时调整印制电路板的相关参数达到实现降低印制电路板吸收功率(互易地，发射功率)的目的。同时为了能够快速估算电路的吸收或发射功率，本发明同时给出了印制电路板匹配电路平均吸收或发射功率的预测估算方法。该方法不需进行数值计算，节省了计算时间，提高了设计效率。
本发明的技术解决方案是提供一种印制电路板电路吸收或发射功率降低方法，其特殊之处在于，包括步骤A和/或步骤B：
A、减小印制电路板上微带线的高度，印制电路板电路的吸收或发射功率降低约(h0/h)2倍，其中h0和h分别为调整前后印制电路板上微带线的高度；为了保持印制电路板上微带线的特征阻抗不变，可以同时减小印制线的厚度和宽度为原来的h/h0倍。
B、增大印制电路板的介质层的介电常数，可以有效降低印制电路板电路的吸收或发射功率。为了保持印制电路板上微带线的特征阻抗ZC不变，可以同时减小印制线的厚度和宽度。
进一步地，步骤B中印制线的宽度和厚度调整采用公式(1)、(2)、(3)进行计算：
式中：εr为介质层材料的相对介电常数，εr,eff为介质板的有效相对介电常数，h为印制电路板微带线的高度，weff为考虑印制线厚度影响的有效宽度，w和t分别为印制线的宽度和厚度。
为了能够快速预估出电路上的吸收功率，本发明还提供一种印制电路板电路吸收或发射功率预测方法，包括以下步骤：
步骤1、采用公式(4)计算得到曲线P′(f)；
其中，E为外部平面波的电场幅值，h为印制电路板微带线的高度，εr和εr,eff分别为介质板的相对介电常数和有效相对介电常数，R为印制电路板上某一匹配电路的电阻，其中c为电磁波在真空中的传播速度，f为频率，L为印制电路板中微带线的长度；
步骤2、根据步骤1中构建的曲线P′(f)制定平均吸收功率曲线；
步骤3、根据步骤2中构建的平均吸收功率曲线制定平均吸收功率区间。
进一步地，上述步骤2具体为：
步骤2.1、找到曲线P′(f)的第一极大值点M及对应频率fM；
步骤2.2、构建吸收功率曲线P(f)在f≥fM的部分为经过M点与频率坐标轴平行的一条直线；
步骤2.3、构建吸收功率曲线P(f)在f＜fM的部分为曲线P′(f)在f＜fM对应的部分。
进一步地，上述步骤3制定平均吸收功率区间为P(f)±3dB。
本发明的有益效果是：
1、本发明不需要对原来印制电路板电路结构进行很大的改动，而只需在电路设计阶段通过调整介质层高度和介质层的相对介电常数达到有效降低印制电路板电路吸收或发射功率的目的。为了保持整个印制电路板的特征阻抗不变，可以同时调整印制线的宽度和厚度。
2、本发明给出的印制电路板电路平均吸收功率的预测公式能够快速估算出电路上的吸收功率，与传统的数值计算方法相比节省了计算时间，有效提高了设计效率。
附图说明
图1a为印制电路板电路中微带线的立体结构示意图。
图1b为印制电路板电路中微带线的横截面结构示意图。
图1c为印制电路板电路中微带线连接结构示意图。
图2为不同微带线高度下印制电路板电路的平均吸收功率。
图3为不同介质层下印制电路板电路的平均吸收功率。
图4为印制电路板匹配电路平均吸收功率曲线P’(f)。
图5为印制电路板匹配电路平均吸收功率曲线P(f)和平均吸收功率区间。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
图1b显示了印制电路板微带线的横截面示意图，其中w和t分别为印制线的宽度和厚度，h为微带线的高度，εr为介质板的相对介电常数；图1c显示了印制电路板微带线的连接结构，微带线长为L，两端接有负载R0和RL。
本发明的技术方案为通过调整印制电路板本身参数，其特征包含以下一项或两项，即采用A项、B项或两项的组合实现。
A、减小印制电路板微带线的高度，能使印制电路板电路的吸收或发射功率降低约(h0/h)2倍，其中h0和h分别为调整前后微带线的高度。为了保持印制电路板上微带线的特征阻抗不变，可以同时减小印制线的厚度和宽度为原来的h/h0倍。
本实施例中，微带线的介质板为FR4材料，相对介电常数取为4.4，微带线长度为80mm。负载R0和RL都为匹配负载50Ω。外部平面波电磁场的电场幅值为1。由于外部平面电磁波入射和极化方向未知，下面给出的是考虑到各种入射和极化方向下的平均吸收功率。如图2所示，当微带线的高度从1.0mm变成0.8mm，0.6mm和0.4mm时，两个负载的平均总吸收功率分别下降了约1.252，1.672和2.52倍。微带线高度降低会影响微带线的特征阻抗。为了保持50Ω的特征阻抗不变，印制线的宽度从原来的1.81mm分别调节成1.45mm，1.088mm和0.725mm，印制线的厚度从原来的0.125mm分别调节成0.1mm，0.075mm和0.05mm。印制线的宽度和厚度分别下降了1.25，1.67和2.5倍。
B、增大印制电路板的介质层的介电常数，可以有效降低印制电路板电路的吸收或发射功率。为了保持印制电路板上微带线的特征阻抗不变，可以同时减小印制线的厚度和宽度。
本实施例中通过更改介质层的材料提高介质层的介电常数从而实现降低电路吸收功率的目的。印制电路板上微带线的长度L为80mm，微带线高h为0.8mm，两边负载都为50Ω。图3给出了采用几种不同介质层材料(RT Duroid，RO4003C，FR4和RO3210)时印制电路板电路的平均吸收功率。可以看出，介质层的相对介电常数越高，负载的平均吸收功率越低。微带线高度不变时，为了保持微带线的特征阻抗(这里50Ω)不变，可以同时调小印制线的宽度和厚度。例如FR4介质板更换为RO3210介质板时，印制线宽度和厚度分别从原来的1.45mm和0.1mm调节成0.65mm和0.045mm。印制线的宽度和厚度调整可以采用下面公式进行计算:
其中，εr为介质层材料的相对介电常数，εr,eff为介质板的有效相对介电常数，h为印制电路板微带线的高度，weff为考虑印制线厚度影响的有效宽度，w和t分别为印制线的宽度和厚度。
为了有效降低电路的功率吸收，可以采用上面两种方法的组合，即降低微带线的高度又增大介质层的相对介电常数。
为了有效控制外部电磁环境对印制电路板上电路的干扰影响，需要预测电路的吸收功率。本发明给出了印制电路板匹配电路的平均吸收功率的预测方法，通过下述步骤实现：
步骤1：采用公式(4)计算得到一条曲线P′(f)。
公式中E为外部平面波的电场幅值，h为印制电路板微带线的高度，εr和εr,eff分别为介质板的相对介电常数和有效相对介电常数，R为印制电路板上某一匹配电路的电阻。其中c为电磁波在真空中的传播速度，f为频率，L为印制电路板中微带线的长度。
在本实施例中，印制电路板的结构如图1a和图1b所示。微带线长L为80mm，高h为0.8mm，印制线宽w为1.45mm，厚度t为0.1mm，介质板材料为FR4，相对介电常数εr为4.4，两端负载R0和RL匹配都为50Ω。用公式(10)式计算得到负载R0的曲线P′(f)，其中有效介电常数εr,eff可以由(8)式计算得到。计算得到的P′(f)曲线如图4中的黑色实曲线所示。
步骤2：制定平均吸收功率曲线P(f)。具体步骤为：
(1)找到曲线P′(f)的第一极大值点M及对应频率fM；
(2)构建吸收功率曲线P(f)在f≥fM的部分为经过M点与频率坐标轴平行的一条直线；
(3)构建吸收功率曲线P(f)在f＜fM的部分为曲线P′(f)在f＜fM对应的部分。
本实施例中，在图4的曲线P′(f)上找到第一极大值点M，则平均吸收功率曲线P(f)在f≥fM的高频部分为经过M点与频率轴平行的一条直线。而P(f)在f＜fM的部分的低频部分则为P′(f)在f＜fM的曲线部分。最后的P(f)曲线如图5中的黑色实线所示。
步骤3：印制电路板上某一匹配电路的平均吸收功率在P±3dB的区间内。
图4同时给出了Monte Carlo方法和CST软件的计算结果。其中Monte Carlo方法和预测公式(10)给出的是无限大印制电路板的结果，而CST计算的是有限大印制电路板的结果。CST计算中分别考虑了大(1000mm×800mm)、中(140mm×100mm)和小(100mm×60mm)三种尺寸的印制电路板。考虑到实际PCB的尺寸有限，因此负载R0的实际平均吸收功率处于P±3dB的区间内，如图5中的黑色虚线曲线所示。
与数值计算方法相比，采用该预测方法来预测印制电路板上匹配电路的平均吸收功率可以有效节省大量的计算时间，提高设计效率。

Claims (5)

1.一种印制电路板电路吸收或发射功率降低方法，其特征在于，包括步骤A和/或步骤B：
A、减小印制电路板上微带线的高度，使印制电路板电路的吸收或发射功率降低(h0/h)2倍，其中h0和h分别为调整前后印制电路板上微带线的高度；同时减小印制线的厚度和宽度均为原来的h/h0倍；
B、增大印制电路板介质层的介电常数；同时减小印制线的厚度和宽度。
2.根据权利要求1所述的印制电路板电路吸收或发射功率降低方法，其特征在于：步骤B中印制线的宽度和厚度调整采用公式(1)、(2)、(3)进行计算：
式中：εr为介质层材料的相对介电常数，εr,eff为介质板的有效相对介电常数，h为印制电路板微带线的高度，weff为考虑印制线厚度影响的有效宽度，w和t分别为印制线的宽度和厚度。
3.一种印制电路板电路吸收或发射功率预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用公式(4)计算得到曲线P′(f)；
其中，E为外部平面波的电场幅值，h为印制电路板微带线的高度，εr和εr,eff分别为介质板的相对介电常数和有效相对介电常数，R为印制电路板上某一匹配电路的电阻，其中c为电磁波在真空中的传播速度，f为频率，L为印制电路板中微带线的长度；
步骤2、根据步骤1中构建的曲线P′(f)制定平均吸收功率曲线；
步骤3、根据步骤2中构建的平均吸收功率曲线制定平均吸收功率区间。
4.根据权利要求3所述的印制电路板电路吸收或发射功率预测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1、找到曲线P′(f)的第一极大值点M及对应频率fM；
步骤2.2、构建吸收功率曲线P(f)在f≥fM的部分为经过M点与频率坐标轴平行的一条直线；
步骤2.3、构建吸收功率曲线P(f)在f＜fM的部分为曲线P′(f)在f＜fM对应的部分。
5.根据权利要求4所述的印制电路板电路吸收或发射功率预测方法，其特征在于，所述步骤3制定平均吸收功率区间为P(f)±3dB。
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