2. PCB辐射发射的源与机理

PCB 的辐射发射并不是“整块板子一起向外冒电磁波”，而是由板上特定电流路径充当了效率不同的“天线”。理解辐射机理，核心是把板上的电流拆成两类：差模电流（信号去、回流返，构成闭合环路）和共模电流（信号与回流同向流动，经外部参考地或电缆返回）。二者辐射效率相差可达几个数量级，因此识别“谁是主凶”是建模与整改的第一步。

一、差模辐射：电流环路天线模型

差模电流沿信号走线流出、经参考平面回流，形成一个面积 A 的环路。这个环路就是一个小型磁偶极子天线，其远场电场强度可近似为：

E_dm ≈ 1.316e-14 · f² · A · I / r   (V/m)
其中：f 频率(Hz)，A 环路面积(m²)，I 差模电流(A)，r 观测距离(m)

该式揭示三个关键控制量：频率平方、环路面积、电流幅值。频率翻倍，辐射增大约 12 dB；环路面积减半，辐射下降 6 dB。因此差模辐射的抑制手段非常明确：缩短信号与回流路径间距、让回流紧贴信号走线正下方、避免参考平面被分割造成回流绕行。

举例：一条 50 mm 长信号线，距参考平面 0.2 mm，回流紧贴其下，环路面积约 50 mm × 0.2 mm = 1×10⁻⁵ m²；若参考平面被开槽，回流被迫绕行 20 mm，环路面积骤增至 50 mm × 20 mm = 1×10⁻³ m²，面积放大 100 倍，辐射增加 40 dB。这就是“跨分割”成为 EMC 大忌的定量原因。

二、共模辐射：共模电流驱动机制

共模电流的路径是：信号电流经走线到负载，但回流不沿原路返回，而是通过寄生电容耦合到机壳、地平面或外部电缆，再经外部地返回源端。此时信号与回流同向流动，形成单极子或偶极子天线，其辐射近似为：

E_cm ≈ 1.257e-6 · f · L · I_cm / r   (V/m)
其中：L 电缆/结构长度(m)，I_cm 共模电流(A)

注意此处是频率一次方，而非平方。这意味着共模辐射随频率增长较缓，但共模电流即使只有微安级，也能产生可观辐射。典型对比：一条 1 m 电缆上 5 μA 共模电流，在 100 MHz、3 m 处可产生约 20 μV/m 场强；而同样频率下，差模电流需达到毫安级才能产生相近场强。因此共模辐射往往由极小的寄生电流驱动，却成为远场超标的主因。

共模电流的驱动源主要有三类：

• 地电位差驱动：数字器件开关时，地平面局部电位跳动，通过寄生电容将位移电流注入电缆屏蔽层或机壳。
• 电缆天线效应：外部电缆成为高效辐射体，其长度接近 λ/4 时谐振，辐射效率急剧上升。
• 不对称回流：连接器引脚回流路径不对称，部分回流被迫走外部路径，形成共模分量。

三、近场与远场的区分

近场与远场以距离 r 与波长 λ 的关系划分：r < λ/2π 为近场，r > λ/2π 为远场。在 100 MHz 时，λ = 3 m，λ/2π ≈ 0.48 m；在 1 GHz 时，λ/2π ≈ 4.8 cm。近场中电场与磁场相位不固定、幅度随距离变化剧烈，探头测得的近场强度只能用于定位辐射源，不能直接换算远场；远场中 E/H = 377 Ω，场强随 1/r 衰减，可用标准天线按远场公式外推。

建模时需注意：差模环路在近场主要表现为磁场，共模电缆在近场可能电场、磁场并存。若用近场探头扫描发现某区域磁场突出，优先怀疑差模环路；若电场突出且靠近连接器或电缆，优先怀疑共模驱动。

四、建模与仿真的落点

在 PCB 辐射发射仿真中，差模与共模需要分别建模。差模部分通常用全波电磁仿真提取信号-回流环路的 S 参数与近场分布，重点检查参考平面完整性、过孔回流路径、去耦电容位置。共模部分则需建立“板-机壳-电缆”的寄生耦合模型，包括连接器处的共模电压驱动源、电缆的传输线模型以及外部参考地阻抗。

一个实用的建模检查清单如下：