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基于滤波器应用的PCB平面电感的电磁辐射研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第30卷第1期 2007年2月 电子器件 Chinese Jourml Of Electron Devices vo1.3O No.1 Feb.2007 Some Electromagnetic Aspects of a PCB Planar Inductor Used in a Filter DONG Hui,ZHU Yi—sheng,ZHAO Bai—shan (college of Information Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 1 16026,China) Abstract:In order to study the electromagnetic radiations of a PCB(printed circuit board)planar inductor, each turn in the spiral windings of the inductor is taken as a loop antenna based on the antenna theory.Its far-field radiation power is estimated and found to be negligible.Its near--field coupling is discussed based on a passive band—pass filter contained PCB planar inductors.The radiation intensity of one of the induc— tors in the circuit is measured one by one point and the 3一D plot of it is given by MATLAB.The plot shows that the near-field coupling is only occurring in the area where the inductor is located,which hardly affect the rest of the circuit comparing with the track in the same PCB. Key words:electromagnetic radiation;PCB planar inductor;small loop antenna;electromagnetic radiation; magnetic coupling EEACC:2575,2140 基于滤波器应用的PCB平面电感的电磁辐射研究 董 辉,朱义胜,赵柏山 (大连海事大学信息工程学院,大连116026) 摘 要:为了研究PCB(printed circuit board)平面电感的电磁辐射问题,基于天线理论把平面电感线圈中的每一圈看作一个 环形天线,估算了其远场辐射功率,说明其电磁辐射非常小,可以忽略不计.平面电感的近场耦合问题通过一个无源带通滤波 电路加以讨论.逐点测出电路中某一个电感附近的辐射强度,并用MATLAB绘出三维辐射强度图,说明平面电感的近场辐射 只发生在电感周围很近的区域,与线路中的导线相比对电路其他部分没有太大影响. 关键词:电磁辐射;PCB平面电感;小环天线;辐射强度;磁耦合 中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:lOO5-949O(2007)Ol-0183-03 电感是各种电子电路中的常用器件,PCB(prin— ted circuit board)平面电感是把电感线圈的每一圈 接印制在厚为1 mm的电路板上,呈圆形,共7圈, 最外圈直径为8 mm,每一圈线宽为0.5 mm,线间 直接印制在印制电路板上,即以电路板上的铜线作 为电感绕组的一种电感.关于PCB平面电感的建模 计算[1_5]、优化设计[61]及应用[8-9]已有一些探讨,但 目前对其电磁辐射问题尚无深入研究.本文将从几 个方面对PCB平面电感的电磁辐射进行讨论. 以图1所示的带通滤波器中电感L 为研究对 距亦为0.5 mm,图3为其实物图.由Agilent E4991A阻抗分析仪测得其电感值为0.193 H. 为研究L-的远场辐射问题,可以把电感的每一 圈看作是一个环形天线.根据天线理论可以估算出 电感每一圈的辐射功率,通过比较小环电流和电流 元的辐射电阻可进一步说明线圈的辐射能力.L。的 象,L。在印制电路中的位置如图2所示.该电感直 收稿日期:2006—03-08 近场耦合问题通过图1所示的带通滤波器电路进行 基金项目:国家自然科学基金项目(60372007) 作者简介:董辉(1962-),女,副教授,主要从事电路理论与应用方面的研究,donghui666@yahoo.com.cn; 朱义胜(1945一),男,教授,博士生导师,主要从事电路理论与应用方面的研究,yszhu@dlmu.edu.cn; 赵柏山(1980-),男,博士研究生,主要从事混沌及电路理论与应用方面的研究,suzhan@newmaik dlmu.edu.cn. 维普资讯 http://www.cqvip.com 电子 器件 第3O卷 图1含有L 的带通滤波器电路 =}= 午 = J= Il 2 -_1 =}= =}= 卜 1 图2 L 在电路板中的位置 图3 L1实物图 讨论,其通带范围为60 ̄90 MHz.用HP 8753D网 络分析仪对电路板上L 上方2 mm处20 mmX 20 ITfn范围内的辐射功率进行逐点测试,并用Matlab绘 出其三维曲线,从而说明平面电感的近场耦合问题. 1远场辐射 PCB平面电感的每一圈可以看成环形天线.为 简化分析,首先考虑最外一圈的辐射问题,因为根据 天线理论环形天线的辐射效率和平均辐射功率随天 线尺寸的增大而增大[a],因此最外圈的辐射最为严 重.在这种假设条件下,如果最外圈辐射较小,则各 内圈的辐射也较小. 考虑一个在x-y平面半径为n:4 rfllTl的圆形 导线环.根据天线理论,如果环形天线的最大尺寸小 于其工作波长的1/10,就可认为是小环天线[9].本 文所讨论的滤波器通带范围为60---90 MHz,对应 的工作波长约为3~5 m,为电感线度的千倍.当流 经小环天线电流的频率为 时,天线将向空中辐射一 定的能量.已经证明[ ,平均辐射功率P可表示为 P 。 将波长 —c/,c代入上式,则辐射功率可表示为与 工作频率厂c的关系 P一 (2) 其中: 卜—一/j、环中的电流 n——圆环半径 ,c——工作频率 r光速(3×10 m/s) 由式(2)可以看出,辐射功率:①与电流J的平 方成正比;②与线圈半径的四次方成正比;③与工 作频率的四次方成正比.因此当工作频率升高和线 圈尺寸增大时,辐射功率将急剧增大.本文所讨论的 线圈L ,其半径为4 mm,当工作频率在图1所示带 通滤波器的通带内时,设为80 MHz,也就是工作波 长为3.75 m时,(n ) 只有1.29×1O 。.如果电 流J:1 A,则小环天线的辐射功率仅为p_-1.24× 1O_7 w,这样小的辐射功率是完全可以忽略不计 的.尽管L 共有7圈,但其总的辐射功率仍可不予 考虑. 比较小环天线和电偶极子的辐射电阻,可进一 步说明PCB平面电感的辐射远小于电路板上同一 线度的敷铜走线的辐射.小环天线的辐射电阻为[9] 一 2P一320 (3) 长度为Az的电偶极子的辐射电阻为[1。] R∑=80 7r2(譬)^  (4) 设电偶极子的长度为Az=O.1 ,则尺∑一7.9 Q.如 果将该长度的电偶极子做成一个圆环,则其半径为 n—O.016 .将n代入式(3)可得,R生=0.02 Q,由 此可得电偶极子与其相应尺寸的圆环的辐射电阻之 比为尺∑:尺圭=395:1.因此,电偶极子的辐射电阻 远大于电流小环的辐射电阻,这就说明电路板上平 面电感中一圈的辐射远小于与其具有相同线度的一 段铜线的辐射. 根据互易定理,一个对某一波长的信号发射能 力较弱的天线,则其对同一波长信号的接收能力也 较弱[1o].天线的频率范围与天线的有效电尺寸有 关,因此本文所研究的平面电感在所讨论的频率范 围内也不是一个好的接收天线,即外界对平面电感 线圈的电磁干扰也较小,可以忽略不计. 2近场耦合 为了研究平面电感的近场电磁干扰问题,我们 测试了图1所示滤波器中的电感L 的近场辐射强 度,图4为电感L 周围的三维辐射强度图.该图数 据是用HP 8753D网络分析仪通过一个探头在电感 中心附近20 mmX20 mm范围内,距电路板水平面 维普资讯 http://www.cqvip.com 第l期 董辉,朱义胜等:基于滤波器应用的PCB平面电感的电磁辐射研究 li,pl- 185 2 1T.,'ED处逐点测得.由图可见,辐射最强处位于线圈 中心,仅为--47.2 dB.在线圈靠近电路板边缘一侧, 辐射强度随距线圈中心距离的增大而减小.但在内 面电感,是一个性能很差的发射或接收天线,其辐射 功率可以忽略不计,即对其周围及其所在电路板的 其他部分都不会引起太强的电磁辐射. 参考文献: [13 Robert Rodrig ̄。Disnmn hJohn M,Dickens Fred T and Wbelan 侧,强度在略有下降后基本维持不变. Edward w Modela ̄of Two—dimensional Spk,e'l Inductors[J3. 硼旺:Tram OnComponents,Hyb耐sandManufacturingTedmol— ogy,CHMr-3(4)・December 1980:535—541. [2]Hurley W G。Duffy M C Calculation of Self and Mutual Iar- pedances in Planar Magnetic StructuresEJ3.IEEE Transaction Off Magnetism。July 1995。31(4):2416-2422. E33 Polycarpou Anatasis c,Tirkas Anatasis c,Balnais Constantine 图4 Ll的近场耦合 The Finite-Elenent Method for Modeling Circuits nad Inter- 天线理论中的方向函数表明,小环天线在其中 connects ofr Electronic Packaging.口].IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques,October 1997,45(10): 心轴上的辐射强度为零,因为在中心轴上电场与磁 1868-1874. 场是正交的[钉.而L 近似于从中心开始的螺线,因 [43王西林,赵小林。周勇,蔡炳初,RF平面螺旋微电感的物理模 而在电感中心处测得的辐射强度最大.另外在电流 型[J].微细加工技术。2003。3(1):57—60. 小环即磁耦极子产生的近场表达式中含有1/r3项 [5]Mohan Sunderraajan S,del Mar Hershenson Maira,Boyd Ste- (r是空间任一点距小环中心的距离),即辐射强度 phen P and Lee Tho1118,8 H.Simple Accurate Expressions for 与1/r。成比例,因此辐射强度随距中心距离的增加 Planar Spiral Inductances[J].IEEE Journal of oSlid—State Circuits,October 1999,34(10):1419-1424. 而减小.在靠近电路板内侧的强度下降不明显,正是 [63 Hatospoulos Alkis A,Bougia Panagiota L A eSsign Tool for 由于连接线圈中心的导线辐射所致. Plnaar Inductors Usign aCdence Software[c]//IEEE MELE- C0N 2004,May 12-15。2004,Dubronik,Croatia:147—150. 3结论 [73 Stefan Stalf,Printed nIductors in RF Consumer Applications 本文讨论了用于电路中的PCB平面电感的电 [J].IEEE trnasaction on Consumer Elcetronics,August 2001。47(3):426—435. 磁辐射问题.对于本文所讨论的平面电感,其线圈尺 E83 Lee l(.F Principle of Antenna Theory[M].New York:wi— 寸比信号工作波长小的多,因此根据天线理论,可以 ley。1984. 把线圈的每一圈看成是一个小环天线.理论分析和 [93王增和,鲁春兰。钱祖平,天线和电波传播[M]。北京:中国机械 实验结果都说明,工作在30到300 MHz的PCB平 工业出版社。2003.8. [103(美)R E.柯林著。王百锁译.天线与无线电波传播[M],大 连:大连海运学院出版社。1988.4. (上接第182页) E43 Norris A N.A Theory of Pulse Propagation in Elastic Anios- [73 NewberryBPandThompsonLK AParaxialTheoryforthe tropic SolidsEJ].Wave Motion。1987,9:509—532. Propagation of Ultrasonic Beams in Aniostropic Solids[J-I.J [53 Ding Desheng,Yu Zhang and Liu Jinqiu.Some Extensions of Acuust Soc。Am 85:2290-2300. Gaussian Beam Expansion:Radiation Fields of the Rectangular E83 Ding Desheng,Zhang Yu and Liu Jinqiu.Some Extensions of and Elliptical Transducer[J].J.Acoust OSc Am,2003,113: Gaussian Beam Expansion:Radiation Fields of the Rectangulra 3043—3048. nad Elliptiacl Trnasducer EJ3.J Acoust Soc Am,2003,113: 1-63 Spies M Transducer-Modeling in General Transversely Iostrop— 3043—3048. ic Media Via Point-oSurce-Synthesis.Theory EJ 3.J Nonde- [93丁德胜、陆祖宏.活塞类声场的简化算法口].声学学报。1996. struct Eva1。1994,13:85—99. 21:421—428. 

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