原创
PCB的谐振概念 How many resonances in a PCB?
2008-4-8 11:42
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分类:
PCB
在SIwave中,simulation的第一项是Compute Resonant Modes。对于电磁场背景比较单薄的人不禁会问:什么是resonant modes?所谓模式mode,就是电磁场在空间的分布。广义上对于同一个结构,不同频率对应不同的模式,也就是在不同频率电磁场的分布是不一样的。
谐振在数学上属于求本征值问题,对于任意结构都适用。这里主要讨论PCB的谐振频率计算,顺便讨论谐振频率下的模式。
先看一个司空见惯的现象:由于吉他两边固定尼龙线或者金属线的弦柱约束,当波动弦的时候,弦就会发出固定声调的声音。这儿固定的声调v,相当于谐振频率f,弦柱之间的长度L相当于谐振的波长。固定声调和弦的长度通过弹性系数和张力构成一个方程:可以通过弹性系数k,长度L和张力F计算出发声的音调v.
回到PCB,它属于扁平结构,上下的金属平面在z方向构成电壁,能够约束电磁场在z方向传播,同时由于金属平面对于有效介电常数的影响,在金属平面边缘构成磁壁,能够约束电磁场在xy方向的传播。由于z方向叠层非常小,电磁场沿着z方向无变化,也就是在z方向不存在谐振。所以只需要考虑xy方向。当电磁场的频率和xy方向的金属平面尺寸满足一定关系时候,电磁场就发生谐振现象,这个时候对应的频率就是谐振频率,这个时候的场分布就是谐振模式。
在xy方向的场可以通过二阶微分Maxwell's(Helmholtz) equations来描述:
(d2/dx2 + d2/dy2)Et(x,y)+k2*Et(x,y)=0
以2层的矩形平面为例,长度为a,宽度为b,上面方程的解可以用正/余弦函数表示:
Et(x,y)=E0cos(kx*x) * cos(ky*y)
kx=m*pi/a
ky=n*pi/b
谐振频率与kx和ky相关,可以表示成
kmn=(kx^2 + ky^2)^0.5=2*pi/Lmn=2*pi*fmn/c
整理下得到:
fmn = (c/2) * { (m/a)^2 + (n/b)^2 }
用图进行表示如下:
对应的电磁场模式如下:
简要总结:
1. 对于PCB而言,resonance仅仅和物理结构以及板上RLC有关;
2. PCB有无穷多谐振模式/频率
3. PCB具有截至频率
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