4-1. 简介
当使用EMI探针测量噪声的分布以实施噪声抑制措施时，有时整个电路板上会有大量的噪声，难以诊断。您可能认为这是由EMI探针的分辨率差造成的，但在许多情况下，整个电路板上都有噪声。此外，来自电路板的噪声也会传播和扩散到与电路板连接的电缆上。
有两个主要原因导致噪声在此类电路板上扩散和传播。首先，这可能是由在传输线上传播的信号的谐波噪声的回流电流扩散和传播到地面（GND）所导致。其次，当金属暴露在噪声电流产生的磁场中，产生感应电流，导致磁场被再辐射，就可能会造成这种情况。
我们使用3D电磁场模拟器来可视化噪声电流和磁场的传播。
图1. 测量电路板上磁场分布的示例结果
4-2. 回流电流扩散到GND
首先，我们可视化谐波噪声的回流电流扩散和传播到GND。
4-2-1. 模拟模型
图2-1中所示的微带线被用作我们的模拟模型。信号中包含1 GHz谐波，作为噪声。集肤效应导致电流在如此高的频率下集中在导体的表面。电流将特别集中在传输线和GND面对面的表面上，因此我们模拟了以下表面上的电流和磁场。
（1）传输线的GND侧
（2）GND的传输线侧
4-2-2. 电流密度模拟结果
模拟沿着传输线和GND流动的电流密度的结果如图2-2所示。
此动画显示从噪声开始传播时的瞬时和稳定状态。这些结果显示以下关于噪声传播的信息 :
- 传输线上的噪声电流逐渐向负载侧传播。
- 与传输线上一样，GND上的噪声电流也向负载侧传播。
- GND上的电流在信号线的正下方很强，并从那里扩散开来。
换句话说，噪声电流传播到传输线和GND上的负载侧。
图2-2. 电流密度模拟结果
（负载50 Ω，1 GHz）
4-2-3. 噪声电流扩散到GND的原因
当考虑直流电时，一般认为电流会在负载至GND的回路中流动。然而，GND上的电流逐渐向负载侧传播（类似于传输线上的电流），而不是在回路中传播（如直流）。原因如下。
微带线的简单等效电路如图2-3所示。传输线中存在电感（L），传输线和GND之间的区域存在电容（C）。传输线和GND中的直流电阻以及GND中的电感足够小，此处省略。当高频电流从传输侧传播到负载侧时，其沿着L和C在回路中流动。因此，GND上的电流也逐渐向负载侧传播。
图2-3. 微带线等效电路
此处显示了在负载开路条件下模拟电流密度的结果，以便更容易显示电流如何沿着L和C（以分布的方式存在）流动，而不是沿着负载在回路中流动（图2-4）。
如图所示，电流在传输线的开路端附近流动。这些结果表明，电流流过L和C（以分布方式存在）。
图2-4. 电流密度模拟结果
（负载开路，1 GHz）
为什么噪声电流会沿着GND扩散？图2-5显示三维渲染的微带线等效电路。在信号线和GND的正下方，电容较大，并随着距离的增加而减小。这意味着GND上的电流在传输线的正下方最强，并在此区域周围扩散。
图2-5. 3D微带线等效电路
4-2-4. 静噪滤波器安装位置的影响
电流沿着L和C流动（以分布方式存在），因此作为噪声抑制措施而安装的滤波器的效果将根据其安装位置而有所不同。
本节介绍电流密度如何根据铁氧体磁珠的安装位置而变化。
我们在（1）传输侧、（2）传输线的中心和（3）负载侧放置铁氧体磁珠进行模拟（图2-6）。
图2-6. 铁氧体磁珠安装位置导致的（最大）电流密度值差异
如图所示，铁氧体磁珠放置地离传输侧越远，GND上的噪声就越强，该措施就会失去效力。这是因为噪声电流沿着传输线一直传播到铁氧体磁珠所在的位置，因此它也在GND上进行类似的传播。换句话说，在传输侧安装滤波器是抑制噪声源的更有效措施。
4-3. 磁场引起的感应电流
接下来，我们会可视化当金属暴露在由噪声电流产生的磁场中时，如何产生感应电流，从而导致磁场被再辐射。
4-3-1. 在空间传播的磁场分布
模拟磁场如何传播的结果如图3-1所示。
分析表面包括电路板本身及其周围的空气。
图3-1. 磁场分布模拟的结果
（负载50 Ω，1 GHz）
4-3-2. 由磁场感应电流产生的磁场
当金属暴露在磁场中时，感应电流流向金属，并从金属中辐射出一个磁场。这被称为再辐射。这里我们将对此进行可视化。
我们将一块类似于传输线的金属片放置在微带线上方的空间来模拟磁场分布（图3-2）。这样做的假设是，电路板上部的塑料外壳会用金属加固，或者包含一个散热片或其他金属。
图3-2. 模拟模型
（未显示电介质）
磁场变化模拟的结果如图3-3所示。
首先，从传输线辐射出的磁场朝向悬浮在空气中的金属。一旦磁场到达悬浮金属处，就会在传输线的方向产生磁场。这是因为金属已经暴露在磁场中，导致感应电流流向金属并引起再辐射。
因此，当金属暴露在磁场中时，会引起感应电流的流动，从而产生再辐射。这些都不是必要的，所以都是噪声。
图3-3. 磁场分布模拟的结果
（负载50 Ω，1 GHz）
暴露在磁场中的金属当然包括电路板模型和连接到电路板的电缆。
因此，这些也会导致磁场产生噪声。
为了验证这一点，我们增加了一个虚拟模式（没有信号输入）和一根GND电缆，然后模拟磁场分布。请注意，分析表面包括电路板本身及其周围的空气。
图3-4. 增加虚拟模式和GND电缆的模拟模型
（未显示电介质）
图3-5. 磁场模拟的结果
增加虚拟模式和GND电缆时（负载50 Ω，1 GHz）
这表明，当传输线或GND上的电流产生磁场时，任何暴露在其中的金属都将导致感应电流产生另一个磁场 — 也就是噪声。如果我们将共模噪声定义为与存在的任何金属以相同方向和相位传播的共模噪声，那么我们也可以将金属暴露在磁场中时产生的任何噪声归类为共模噪声。
4-4. GND模式对噪声的影响
我们已经看到噪声电流如何扩散到GND，以及此电流如何导致噪声传播到暴露在磁场中的任何金属。
噪声电流的传播方式（以及因此而产生的噪声状况）将因电路板条件而异。为了举例，我们模拟了一个磁场，其中在传输线正下方的GND上打开了一个切口。模拟模型如图4-1所示。请注意，在电介质中没有打开切口。
图4-1. GND中切口打开的模拟模型
图4-2. GND中切口打开时磁场模拟的结果
（负载50 Ω，1 GHz）
这表明，从电路板和电缆辐射出来的磁场强度根据切口形状而增加。
切口阻止回流电流直接在信号线下方流动，而电流在切口周围分流。由于信号电流和磁场之间的距离，反向流动引起的磁场抵消效应减小，从而产生更强的磁场。这也会增强GND、虚拟模式和GND电缆上的磁场。
最后，我们在传输线上插入铁氧体磁珠，以表明传播到电路板和电缆的噪声是由输入到传输线的噪声电流引起的。此磁场模拟的结果如图4-3所示。
图4-3. 将铁氧体磁珠增加到传输线的磁场模拟结果
（负载50 Ω，1 GHz）
铁氧体磁珠减少了电缆和电路板上的磁场，证实了传输线上的电流是噪声的主要原因。
4-5. 总结
我们在这里展示了沿着传输线传播的噪声如何首先扩散到GND，然后再扩散到电路板的其余部分、电缆和其他元件。当噪声沿着传输线传播时，电容（C）和电感（L）（以分布方式存在）导致噪声也在GND上扩散和传播。当金属暴露在此电流产生的磁场中时，将引起感应电流流动，导致磁场被再辐射。
电流沿着L和C流动（以分布方式存在），因此铁氧体磁珠或其他滤波器的安装位置将对噪声抑制措施产生影响。噪声电流将传播到滤波器，因此即使在GND上，也会传播到滤波器。因此，在靠近传输侧安装滤波器是抑制噪声源的更有效措施。
我们还展示了，打开GND切口将增加噪声级，以及电路板设计如何影响噪声。虽然我们在这里没有详细介绍这一点，但巧妙的电路板设计也可以减少噪声。
我们对沿传输线传播的噪声如何扩散的讨论就到这里结束。
参考 : 电信号传播波形
前面我们解释了电流如何沿着L和C流动和传播（以分布方式存在），如图1-1所示。
图1-1. 微带线等效电路
如果传输线的结构相同，信号将继续传播并到达负载处。信号电压和电流波形的传播方式类似于水面上的波浪，尽管物理现象不同。
如果海底形状等与障碍物不一致，波浪将继续传播到远离深海的地方。如果波浪遇到障碍物，它将被击退或越过障碍物，如图1-2中波浪的视频所示。当撞击障碍物时，部分波浪被吸收。
这对电信号来说也是如此，如果传输线的形状不同，L/C（以分布的方式存在）发生变化，或者负载的阻抗不能与传输线匹配，就会产生反射。在本节中，我们讨论信号波形如何沿着均匀传输线传播，以及反射如何随负载而变化。
图1-2. 海浪撞击障碍物（福井县，越前海岸，12月）
用于模拟信号波形的传输线模型如图1-3所示。信号源输出阻抗和信号阻抗匹配为50 Ω。但是，负载保持开路。
图1-3. 波形模拟模型
- 首先，信号开始作为入射波沿传输线传播。Vi是电压的入射波，Ii是电流的入射波。
信号线的特性阻抗在50 Ω时是均匀的，并传播到负载而不被反射。
- 当信号到达开路端时会被反射，因为负载的阻抗是∞。Vr是电压的反射波，Ir是电流的反射波。
- 在开路端反射的信号作为反射波传播到传输侧。
- 反射波到达传输侧，并被传输侧的电阻吸收。
- 此处显示反射波到达传输侧后入射波和反射波的组合总和。
- 组合总和将是具有相同峰值位置的驻波。
- 开路端电流的组合总和始终为0。这是因为当电流处于相反相位时，波被反射。
短路端与开路端相反，因为当电压处于相反相位时，波将被反射，并且组合总和将为0。
图1-4. 开路端电压/电流波形模拟的结果
（负载开路，1 GHz）
以负载为电阻的模拟结果如图1-5所示。
波形电阻从0.01 Ω变为10 kΩ。
- 当电阻值足够小于特性阻抗时，它向短路端移动。
- 观察负载位置的电压可以看出，当入射波和反射波大致处于相反相位时，会发生反射。因此，复合电压大约为0。
- 当电流入射波和反射波大致同相时，会发生反射。因此，复合电流大约是入射波的两倍。
- 当负载电阻和特性阻抗相等时，不会发生信号反射。
- 当电阻值足够大于特性阻抗时，它向开路端移动。
- 当入射波和反射波大致同相时，会发生反射。复合电压大约是入射波的两倍。
- 当电流入射波和反射波大致处于相反相位时，会发生反射。复合电流大约为0。
图1-5. 负载电阻的电压/电流波形模拟结果
（从0.01 Ω到10 kΩ，1 GHz）
信号反射的大小由反射系数Γ表示。
如等式（1）所示，Γ由负载阻抗ZL和传输线特性阻抗Z得出。
如果它们相等，则Γ等于0，并且没有信号反射。
如果有电阻，则入射波和反射波中不会有相移φ。
（关于反射系数和负载阻抗符号的点表示这些是复数。）
下一个波形是使用电容器作为负载的结果，例如电抗元件（图1-6）。
波形电容从0.01 pF变为100 pF。
- 当电容足够小时，它向开路端移动。
- 观察负载位置可以看出，当电压大致同相且电流大致反相时，就会发生反射，因此电容接近于开路端。
- 当电容足够大时，它向短路端移动。
- 当电压大致反相且电流大致同相时，就会发生反射，因此电容接近于短路端。
与电阻一样，这些结果受信号频率和特性阻抗的影响。
理想的电容器不会消耗任何能量，因此所有能量都会被反射（与电阻不同，信号反射不会被消除）。
图1-6. 负载电容的电压/电流波形模拟结果
（从0.01 pF到100 pF，1 GHz）
电容器负载的反射系数表示为等式（2）。
电容器负载的反射系数始终为1。
相移φ随电容（C）而变化。
对信号波形如何传播以及反射如何随负载变化的讨论就到这里结束。