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PCB电源层谐振何时发生？
PCB电源层谐振何时发生？
到目前为止，设计人员应该意识到向PCB中的组件（尤其是数字组件）供电时涉及的一些重要行为。所有数字组件都会产生和处理宽带信号，其中频率内容理论上可以扩展到无限频率。因此，一些辐射可能会通过您的PCB传播，从而导致在电源轨上未观察到的谐振行为。
这种行为更好地称为电源平面谐振。每当电源/接地平面对被电流脉冲激发时，该脉冲就会发射一些电磁辐射，并且该辐射可以激发特定频率的结构共振。哪些频率会激发强共振取决于分离平面对的层的电介质厚度，以及PCB的整体腔尺寸。要了解为什么这很重要，您只需查看PDN阻抗谱。
电源平面何时共振？
PDN中最重要的元素是电源和接地平面对。所有电源/接地平面对都将具有一组可由电磁辐射激发的谐振。每当电源被拉入PDN时，就会出现这种辐射。请记住，PDN中的平面对就像一个大电容器。当用电流脉冲（来自数字信号）或谐波（来自模拟信号）激发时，电源层和接地层之间会产生电磁干扰。这种干扰可以开始在平面之间传播，就像一个大的激发槽天线一样。随着电磁波在PDN中传播，当不同的波前相互干扰时，它们可以建立共振和反共振。
这些共振发生在特定频率，有时称为共振频率或特征频率。所涉及的各种频率可以通过将平面对视为一个开放的空腔，更好地称为波导来计算。在某些频率下，在平面对波导中传播的电磁波会发生共振，从而在PDN阻抗谱中产生波峰和波谷。
计算平面谐振频率
不幸的是，您无法轻松准确地计算PDN中的谐振频率，您需要使用电磁场求解器来计算。这是因为PDN可能具有复杂的结构，在设计周围放置了多个过孔和导体。平面区域也可能有一个非常奇怪的形状，用手不容易解决。
幸运的是，您不必自己求解麦克斯韦方程或其对应的波动方程；腔或波导中波动方程的一般解是众所周知的，可用于估计一组可能的谐振频率。对于我们上面的安排，我们将有以下平面对波导的特征频率公式：
计算电源/接地平面对谐振的方程。
从理论上讲，存在无限可能的频率集，这些频率由整数集（i、j、k）索引。根据这个公式，我们可以使用一些估计来生成一组定义波导谐振频率的表格。为此，我们通常将k = 0视为高度方向。
为什么要担心k = 0？这是因为，对于(0, 0, 1)谐振，垂直方向对应的谐振频率为数百GHz。例如，对于Dk = 4的8 mil厚电介质，最低阶垂直谐振 ( k = 1)为375 GHz。横向共振占主导地位，因为这些共振可以出现在1 GHz附近。这就是为什么具有强高频噪声发射的PDN 可以从电路板边缘强烈发射的原因之一；当波向电路板边缘传播时，由于电源/接地平面对结构中的共振激发，它们会发出强烈的辐射。
示例PDN阻抗谱
当我们查看测量的PDN阻抗谱时，可以清楚地识别GHz范围内的谐振和反谐振。一组示例阻抗谱显示了由于电源/接地平面对布置引起的结构谐振，如下所示。这些共振显示为具有各种电介质厚度的平面对。
具有功率平面谐振的示例PDN阻抗谱在~700 MHz附近清晰可见。
上图显示了结构谐振和整体阻抗曲线如何受电介质厚度的影响。随着电介质变薄，我们预计平面电容会增加，因此整体阻抗曲线下降，阻抗最小值（约100 MHz）移至较低频率。然而，我们看到结构共振实际上没有改变。这是我们的提示，正如我们所期望的，上述共振都是k = 0共振。
但是，为什么共振峰更小？这是因为随着厚度的减小，平面对腔中的损耗增加，这会抑制行波并降低共振期间的电磁场强度。这应该说明高介电常数层压板的好处。在PDN工程应用中使用时，您需要尽可能高的Dk值以达到低阻抗并抑制谐振。
模拟电源层谐振
如果您想尝试模拟电源平面谐振，那么您无法通过SPICE模拟实际做到这一点，除非您编写一个特定的模型来解释电磁波的传播和反射。基本上需要将所有重要的场求解器结果写入 SPICE子电路，并将其附加到PDN“组件”。除非您是SPICE专家，否则您在这方面不走运。
2001年有一篇有趣的IEEE论文为集总元件电路提供了SPICE模型，就像您在SPICE中模拟传输线所做的那样。该模型基本上将RLC元素集中到具有自身谐振和耦合的“单元”中，从而在生成的PDN阻抗谱中创建大量可能的谐振。这种类型的集总元件模型和本文的链接可以在下面找到。
可用于模拟PDN阻抗谱中的平面谐振的示例集总元件电路布置。
这些集总元件模型不能准确捕捉波传播的真实性质，本质上将PDN建模为3D中的一大组传输线。这样做的重点是试图解释传播和反射，这将在特定频率产生平面对共振。如果将该系统简单地准备为基本的RLC电路，则结果将显示网络传递函数中的极点数量非常多SPICE 结果实际上会显示网络在极点频率处发生共振。