高频高速电子器件的电磁干扰与屏蔽建模研究
发布时间：2020-07-21 07:37
【摘要】：随着电子器件集成度越来越高,不同器件的工作频率或其谐波产生重叠,发生相互串扰,进而影响整个系统的正常工作,电磁兼容成为电子产品在设计过程中不可忽视的一个问题。为了在集成电路设计阶段就减少可能出现的电磁兼容问题,降低产品生产加工后的整改风险,我们需要深入研究辐射器件的电磁特性,从而提出有效的等效模型和分析方法。结合业界工程应用,本文主要针对高频高速电子器件在电磁干扰和屏蔽方面进行了建模研究。基于研究背景和现状,本文的主要研究包括以下几个方面:1、对电容等局部元件进行了建模和高频寄生参数误差分析。本文通过基因算法优化电路模型参数,该电路模型能够准确反映出测试情况。由此我们可以建立同一工艺下元件模型参数的数据库,利用该数据库可以对不同参数值的元件做出有效预测。2、对整体辐射模块构建了等效偶极子模型。通过提取器件近场辐射信息,建立了基于切向场的磁偶极子的等效辐射源模型,并以仿真模型与实际器件验证了等效源的准确性。这极大地提升了仿真效率,并且适用于在前期设计中分析模块与周围器件的耦合。3、研究了屏蔽盖屏蔽效能的近场表达模型。屏蔽结构是解决电磁干扰的常用方法,对于辐射器件的屏蔽结构,本文创新地提出了屏蔽效能的近场表达形式。利用近场扫描灵活便捷的优点,我们分析了用近场磁场表示屏蔽效能的公式,并且将近场屏蔽效能与混响室方式测得的远场屏蔽效能进行了比较。二者的一致性验证了所提近场屏蔽效能公式的合理性,从而为电小尺寸屏蔽结构屏蔽效能的测量提供了一种新的有效测试方法。4、研究了屏蔽箱中的等效模型远场辐射评估问题。屏蔽盖和屏蔽箱是两种常见的电磁屏蔽应用场景。本文分析了复杂电磁环境下典型的噪声源和屏蔽机箱电磁辐射场景。对于屏蔽箱大而电路板小这种结构,现有软件仿真中面临着多尺度建模问题。我们以优化算法构建偶极子等效模型来替代辐射源,并验证了在屏蔽箱环境下等效模型远场评估的准确性。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN03
【图文】：
ＩＴＲＳ）发表声明，将不再以摩尔定律为目标。鉴于市场对小型化与高性能设备的需逡逑求，集成电路仍将不断朝着高密度、低功耗和多功能的方向发展［２］［３］，各种射频器逡逑件甚至整个系统都被集成到一个芯片之中，如图１－１所示。今后集成电路的发展主逡逑要在于器件设计和电路结构的创新以及新材料的应用［４１，比如采用三维封装技术在逡逑电路结构上做出改善。三维封装是将众多不同的芯片合理的放置于一个封装之中，逡逑利用硅通孔技术充分拓展封装在垂直方向的空间。由于电子设备的小型化与高度集逡逑成，同一块电路板中包含许多不同的模块，不同器件的工作频段可能会有所重叠，逡逑发生相互串扰，进而影响整个系统的正常工作，这导致集成电路的电磁兼容逡逑（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，邋ＥＭＣ）成为电子产品在设计过程中不可忽视的一个问逡逑题R[。逡逑＇—卞了１Ｖ．：：二．１逡逑000000000逡逑图１－１多种模块集成的芯片逡逑电磁兼容是指在复杂的电磁环境中，电子系统中的众多器件能够正常工作，各逡逑种器件彼此之间不会造成电磁干扰（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，邋ＥＭＩ）。电磁兼容问逡逑题的基本三要素［７］［８］是电磁干扰源、干扰路径和敏感设备
１．２国内外研究现状以及存在问题逡逑在高频高速电子器件电磁干扰建模方面，目前业界已有不少研究。在惠更斯等逡逑效原理中，等效源能够产生和实际源相同的场［１２］。图１－３显示了惠更斯等效原理的逡逑３种情况［１３］。实际的辐射源定义为电流密度和磁流密度单一介质中的辐射场逡逑定义为Ｇ是单位垂直法向量。辐射源可以被表面电流或者表面磁流所替代逡逑２逡逑
浙江大学硕士学位论文逦绪论逡逑图１－４偶极子等效辐射源逡逑ｙ逦ｊ，邋＇逦￣逡逑２Ｄａｓｔａｆｒｏｍ逡逑Q婂危海义瞎恪澹В0２？邋＂，邋Ｖ邋，b6柄彟众辱．６＃灥．５逡逑逦邋介逡逑}0邋一逦\(．ｉ邋—．．．．邋？邋ｐ＾ｙ逡逑Ｓｏｕｒｃｅ邋ｐｌａｎｅ逡逑图１－５平面波普转换方法逡逑对于辐射器件之间通过空间电磁耦合造成的干扰问题，业界常用做法是将辐射逡逑模块置于由金属材料制成的封装屏蔽盖之内，且屏蔽盖与地面连接，从而阻断或减逡逑少空间z1合的福射量。通常使用屏蔽效能（Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ邋Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ，邋ＳＥ）来反映屏蔽材逡逑料的屏蔽能力［１７］［１８］。根据传输线理论［１９］，屏蔽效能主要取决于三种损耗机制：反逡逑射损耗0／？）、吸收损耗0４）和多次反射损耗（５）。屏蔽效能的计算公式如下：逡逑ＳＥ＾＾Ｒ邋＋邋Ａ邋＋邋Ｂ逦（０－１）逡逑其中反射损耗为逡逑及＝２０ｌｏｇ１０邋Ｄ）邋？２０１ｏｇ１0Ａ．逦（０－２）逡逑Ｚ】邋＝邋（ｌ＋力逦（０－３）逡逑式中Ｚ。表示自由空间的波阻抗，Ｚ；表不材料的波阻抗。／＾和口分别是屏蔽材料的逡逑磁导率和电导率。反射损耗与频率成负相关。吸收损耗为逡逑１邋ｔ邋逦逡逑＾４＝２０１ｏｇ１０＾邋？邋８．６９—邋＝邋＾．６９ｔ＾７ｒｊＪｆａ逦（０－４）逡逑８逡逑其中／是屏蔽层的厚度
本文编号：2764100
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN03
【图文】：
ＩＴＲＳ）发表声明，将不再以摩尔定律为目标。鉴于市场对小型化与高性能设备的需逡逑求，集成电路仍将不断朝着高密度、低功耗和多功能的方向发展［２］［３］，各种射频器逡逑件甚至整个系统都被集成到一个芯片之中，如图１－１所示。今后集成电路的发展主逡逑要在于器件设计和电路结构的创新以及新材料的应用［４１，比如采用三维封装技术在逡逑电路结构上做出改善。三维封装是将众多不同的芯片合理的放置于一个封装之中，逡逑利用硅通孔技术充分拓展封装在垂直方向的空间。由于电子设备的小型化与高度集逡逑成，同一块电路板中包含许多不同的模块，不同器件的工作频段可能会有所重叠，逡逑发生相互串扰，进而影响整个系统的正常工作，这导致集成电路的电磁兼容逡逑（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，邋ＥＭＣ）成为电子产品在设计过程中不可忽视的一个问逡逑题R[。逡逑＇—卞了１Ｖ．：：二．１逡逑000000000逡逑图１－１多种模块集成的芯片逡逑电磁兼容是指在复杂的电磁环境中，电子系统中的众多器件能够正常工作，各逡逑种器件彼此之间不会造成电磁干扰（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，邋ＥＭＩ）。电磁兼容问逡逑题的基本三要素［７］［８］是电磁干扰源、干扰路径和敏感设备
１．２国内外研究现状以及存在问题逡逑在高频高速电子器件电磁干扰建模方面，目前业界已有不少研究。在惠更斯等逡逑效原理中，等效源能够产生和实际源相同的场［１２］。图１－３显示了惠更斯等效原理的逡逑３种情况［１３］。实际的辐射源定义为电流密度和磁流密度单一介质中的辐射场逡逑定义为Ｇ是单位垂直法向量。辐射源可以被表面电流或者表面磁流所替代逡逑２逡逑
浙江大学硕士学位论文逦绪论逡逑图１－４偶极子等效辐射源逡逑ｙ逦ｊ，邋＇逦￣逡逑２Ｄａｓｔａｆｒｏｍ逡逑Q婂危海义瞎恪澹В0２？邋＂，邋Ｖ邋，b6柄彟众辱．６＃灥．５逡逑逦邋介逡逑}0邋一逦\(．ｉ邋—．．．．邋？邋ｐ＾ｙ逡逑Ｓｏｕｒｃｅ邋ｐｌａｎｅ逡逑图１－５平面波普转换方法逡逑对于辐射器件之间通过空间电磁耦合造成的干扰问题，业界常用做法是将辐射逡逑模块置于由金属材料制成的封装屏蔽盖之内，且屏蔽盖与地面连接，从而阻断或减逡逑少空间z1合的福射量。通常使用屏蔽效能（Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ邋Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ，邋ＳＥ）来反映屏蔽材逡逑料的屏蔽能力［１７］［１８］。根据传输线理论［１９］，屏蔽效能主要取决于三种损耗机制：反逡逑射损耗0／？）、吸收损耗0４）和多次反射损耗（５）。屏蔽效能的计算公式如下：逡逑ＳＥ＾＾Ｒ邋＋邋Ａ邋＋邋Ｂ逦（０－１）逡逑其中反射损耗为逡逑及＝２０ｌｏｇ１０邋Ｄ）邋？２０１ｏｇ１0Ａ．逦（０－２）逡逑Ｚ】邋＝邋（ｌ＋力逦（０－３）逡逑式中Ｚ。表示自由空间的波阻抗，Ｚ；表不材料的波阻抗。／＾和口分别是屏蔽材料的逡逑磁导率和电导率。反射损耗与频率成负相关。吸收损耗为逡逑１邋ｔ邋逦逡逑＾４＝２０１ｏｇ１０＾邋？邋８．６９—邋＝邋＾．６９ｔ＾７ｒｊＪｆａ逦（０－４）逡逑８逡逑其中／是屏蔽层的厚度
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 雷瑾亮;张剑;马晓辉;;集成电路产业形态的演变和发展机遇[J];中国科技论坛;2013年07期
相关博士学位论文 前2条
1 李军;三维封装电磁干扰的分析与防护设计[D];浙江大学;2017年
2 项方品;基于近场扫描的高速电路电磁辐射建模研究[D];浙江大学;2015年
本文编号：2764100
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