淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-3011200917543400
中文論文名稱 多層印刷電路板中過孔位置對訊號反射與EMI輻射的效應分析
英文論文名稱 Analysis of the Effects of Via Placements upon the Signal Reflection and EMI Radiation for Multilayer Printed Circuit Boards
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 98
學期 1
出版年 99
研究生中文姓名 陳盈州
研究生英文姓名 Ying-Chou Chen
學號 794350198
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-11-05
論文頁數 86頁
口試委員 指導教授-李慶烈
委員-丘建青
委員-林丁丙
中文關鍵字 過孔  傳輸線 
英文關鍵字 Via  Transmission Line  HFSS 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 多層印刷電路板中的傳輸線相當多,有些傳輸線無法直接到達接收端,必須經過連通柱(via)來連結位於不同層的傳輸線以避開其它的傳輸線,這種via換層對高頻信號而言,將產生電感和電容的不連續,進而造成電磁干擾(Electromagnetic interference, EMI) 增加的問題。
本論文針對四層及三層電路板使用via換層時所造成的EMI電磁輻射進行探討,這包括一傳輸線具有兩個連通柱的三種情況以及一傳輸線具有六個連通柱的兩種情況。主要的目的在研究via的間距對S參數與EMI電磁輻射的影響。
理論方面,我們可以傳輸線上的差模/共模的概念來看待一對連通柱的效應,當兩個相鄰連通柱的間距很近時,因電流大小相同但方向相反,使其對電磁場的激發有抵消的效果,進而降低EMI輻射,當兩個相鄰連通柱的間距剛好等於半波長時,其激發後的電磁場,疊加後將變大。
實驗部份,我們使用長15cm、寬10cm的FR4板,用堆疊的方式製做四層印刷電路板的樣品,並在板上的傳輸線上引進兩個via或六個via,其via與via的間距離各不相同,接著使用網路分析儀分別對上述電路板樣品進行S參數(含S11與S21)的量測,並與模擬軟體HFSS的S參數模擬結果比較,兩者非常的接近。
吾人發現在30MHz~1GHz的頻率範圍,當via與via的間距越小時,S11顯示將比較沒有反射,而S21的穿透性也比較好;而當via與via的間距越大時,結果則相反。另外,將這些樣品置於3米全電波暗室內進行EMI電磁輻射量測,結果顯示兩via之間的距離越近時其電磁輻射量是確實是相對較低的,這和前面的理論預測一致。
一般四層印刷電路板的參考面為兩層,一為電源層,一為接地層,當via換層通過時,連通柱所形成的短偶極(short dipole)天線陣列將激發板間共振腔發生共振,進而對EMI電磁輻射產生貢獻,吾人發現,這種來自於板間共振腔所產生的板邊輻射洩漏為EMI的主要來源,這可經由製作具相同傳輸線layout的結構與總厚度相同的三層板樣品(只具有一個參考金屬平面),並進行量測比較予以驗證。最後,本論文亦探討了將樣品置於屏蔽盒後,並外接以電源線的輻射效應,與使用via wall於電路板樣品的四周邊緣以降低電磁輻射干擾的效果。
英文摘要 There are considerable transmission lines in a multi-layer printed circuit boards , while usually some transmission lines can not be connnected to the receiving end directly. Conversely, vias have to be employed to connect the transmission lines located in different layers in orderto avoid other transmission lines. These via transitions exhibit extra inductance and capacitance, especially for the high-frequency signals, which cause discontinuity for the transmission line, and furthermore cause electromagnetic interference (EMI) radiation to increase.
- IV -
In this thesis, the EMI radiation of several four- and three-layer circuit boards are investigated, in which there exist some via transitions through different layer. The samples tested includes one type of microstriptransmission line with two via transitions (three samples are tested), in addition to the other type of microstrip transmission line with six via transitions (two samples are tested). The main purpose of this study is
emphasized on the effects of the via distance upon the S parameters and the EMI electromagnetic radiation.
Theoretically, the effect of a pair of vias can be viewed in terms of the concepts of differential mode and/or common mode. Thus, when the spacing between two adjacent vias is small, the associated currents are nearly the same, but in the opposite direction, which in turn make the excited electromagnetic fields tend to cancel each other, thereby lowering EMI radiation. On ther other hand, when the spacing between two adjacent vias is exactly equal to half wavelength, their excited electromagnetic field would superimpose and enhance each other.
Experimentally, we pile up several FR4 boards of length 15cm and width 10cm to form four-layer printed circuit boards, on which two vias or six vias are introduced with different distances. The network analyzer measurements are carried out to measure the S parameters (including the S11 and S21) of the samples. The measurement results are then compared to the simulation results that are obtained by using acommertial EM software. The results compare quite well.
It is experimentally found that for the frequency range of 30MHz ~ 1GHz when the via spacing gets smaller the measured S11 shows less reflection, while the S21 results show more penetration. Conversely, when
- V -
the via spacing get larger, the results show the opposite. In addition, when these samples are placed in a 3-meter anechoic chamber for the EMI test of electromagnetic radiation, the results showed that as the via distance get smaller, the electromagnetic radiation indeed get relatively lower, which is consistent with the theoretical preiction.
In general a practical four-layer printed circuit board would have two reference planes, one for the power plane, the other for the ground plane. When the vias pass through these planes the effective short dipole antenna array would excite the resonant cavity formed between the two referenec planes, thus the leakeage of electromagnetic energy contribute to the EMI radiation. It is found that thoseenergy leakage arising from the board edge of the resonant cavity is the the main source of EMI, which is verified experimentally in this thesis by the measurement tests of the three-layer boards with the same the transmission line layout and total thickness (only with a reference metal plane). Finally, the thesis also examine the radiation effects of the power cord as the previou PCB samples are put into a shielding box, while the the power cord is connected to the edge of the sample. The effects of usingthe via wall to reduce the electromagnetic radiation interference are also examined.
論文目次 目錄
第一章 序論…………………………………………………………1
1.1 概述…………………………………………………………1
1.2 研究動機……………………………………………………2
1.3 研究內容簡介………………………………………………4
第二章 傳輸線與連通柱結構之特性………………………………6
2.1 前言…………………………………………………………6
2.2 訊號與電流回返路徑………………………………………6
2.3 連通柱的基本概念………………………………………..10
2.4連通柱所產生的影響(不連續的引進)……………………12
2.5兩個鄰近連通柱對電磁場的影響…………………………13
2.5.1差模電流和共模電流………………………………13
2.5.2連通柱產生的差模電流……………………………16
第三章 改變連通柱位置的實驗……………………………………20
3.1 改變兩個連通柱位置之S參數量測模擬比較…………….20
3.2 改變六個連通柱位置之S參數量測模擬比較…………….27
3.3 全電波暗室簡介……………………………………………31

3.4 3米全電波暗室的量測…………………………………….33
3.4.1 具兩個連通柱樣品的量測………………………..33
3.4.2 變壓器電源線輻射效應的測試(兩個連通柱的cases)
................................................43
3.4.3 具六個連通柱樣品的量測…………………………52
3.4.4變壓器電源線輻射效應的測試(六個連通柱的cases)
………………………………………………………………61
3.5 三層板(只具一共同參考平面)的連通柱的輻射量測…68
3.6 以Via Wall抑制板邊輻射………………………………….71
3.6.1具via wall的四層板樣品(兩個連通柱case)的輻射量測……………………………………………………………71
3.6.2具via wall的四層板樣品(六個連通柱case)的輻射量測…………………………………………………………..77
第四章 結論…………………………………………………………82
參考文獻…………………………………………………………….84
圖目錄
圖1.1高頻時的電流返回路徑………………………………………3
圖1.2差模模態的傳輸線之橫截面電磁場圖……………………….4
圖1.3兩個鄰近過孔上的反相電流………………………………….4
圖2.1訊號線與參考平面間的傳輸線示意圖,Ground參考面為
電流回返路徑………………………………………………….7
圖2.2 微帶線的電磁場及電流示圖…………………………………8
圖2.3 YZ橫截面的電場和磁場分佈示意圖…………………………9
圖2.4 長度為dz的傳輸線微元之等效電路模型(RLCG模型)……..9
圖2.5 連通柱的示意圖及其等效電路………………………………10
圖2.6 via形成返回路徑的斷點之示意圖………………………….12
圖2.7總電流 和 可分解為差模電流和共模電流……………….14
圖2.8 均勻分佈的差模電流之輻射最大值估算…………………...15
圖2.9兩距離d的連通柱上之電流示意圖…………………………16
圖2.10 via上的差模電流對應的板間電磁波相互抵消之示意圖
(距離d< )…………………………………………………...18


圖2.11 via上的共模電流對應的板間電磁波相互疊加之示意圖(距離d= )………………………………………………………………………19
圖3.1量測儀器設備與待測裝置實物照相…………………………….20
圖3.2以四層板製作的四個測試樣品的結構示意圖…………………...22
圖3.3四層PCB板的結構參數………………………………………….23
圖3.4以四層板製作的四個測試樣品的實體圖(兩個連通柱的cases)…24
圖3.5 Case1(樣品一)的S參數量測與模擬結果………………………..25
圖3.6 Case2(樣品二)的S參數量測與模擬結果(兩個連通柱的case)..25
圖3.7 Case3(樣品三)的S參數量測與模擬結果(兩個連通柱的case)…25
圖3.8 Case4(樣品四)的S參數量測與模擬結果(兩個連通柱的case)…26
圖3.9 Case1到Case4的S參數量測比較(兩個連通柱的case)……….26
圖3.10以四層板製作的三個測試樣品的結構示意圖………………….28
圖3.11以四層板製作的三個測試樣品的實體圖(六個連通柱的cases)..29
圖3.12 Case1(樣品一)的S參數量測與模擬結果………………………30
圖3.13 Case2(樣品二)的S參數量測與模擬結果(六個連通柱的case)…30
圖3.14 Case3(樣品三)的S參數量測與模擬結果(六個連通柱的case)..30
圖3.15 Case1到Case3的S參數量測比較(六個連通柱的case)……….31
圖3.16 3米電波暗室示意圖………………………………………………32
圖3.17以四層板製作的測試樣品(兩個連通柱的case)以board level
方式量測的示意圖……………………………………………….34
圖3.18以四層板製作的測試樣品(兩個連通柱的case)的水平極化量
測結果(以Board Level方式量測)……………………………35
圖3.19以四層板製作的測試樣品(兩個連通柱的case)的垂直極化量
測結果(以Board Level方式量測)……………………………36
圖3.20 Noise floor level:不擺放任何樣品下,全電波暗室的背景量測值…………………………………………………………………...38
圖3.21 Case1到case4的S11參數量測比較 (兩個連通柱的case)..38
圖3.22 Case1到case4的S21參數量測比較 (兩個連通柱的case)……39
圖3.23 利用圖3.21及圖3.22的量測值計算 隨頻率的
變化圖(兩個連通柱的case)……………………………………...39
圖3.24 利用圖3.5~3.8的模擬值計算 隨頻率的變化圖(兩個連通柱的case)………………………………………………..40
圖3.25將測試樣品置於屏蔽盒內,並連接變壓器的電源線(兩個連通
柱的cases)…………………………………………………………43
圖3.26待測樣品放在轉桌上,並讓電源線垂直90度置放……………44

圖3.27水平極化的量測:將測試樣品置於屏蔽盒內,以量測電源線的水
平極化輻射效應(四層板且兩個連通柱的cases)………………..45
圖3.28垂直極化的量測:將測試樣品置於屏蔽盒內,以量測電源線的垂
直極化輻射效應(四層板且兩個連通柱的cases)………………..46
圖3.29水平極化輻射的比較:測試樣品未置於與置於屏蔽盒內(後者
連接電源線)的水平極化輻射的比較(兩個連通柱的cases)…49
圖3.30垂直極化輻射的比較:測試樣品未置於與置於屏蔽盒內(後者
連接電源線)的垂直極化輻射的比較(兩個連通柱的cases)…..51
圖3.31以四層板製作的測試樣品(六個連通柱的case)以board level
方式量測的示意圖………………………………………………..53
圖3.32以四層板製作的測試樣品(六個連通柱的case)的水平極化量
測結果(以board level方式量測)……………………………54
圖3.33以四層板製作的測試樣品(六個連通柱的case)的垂直極化量
測結果(以board level方式量測)……………………………55
圖3.34 Case1到case3的S11參數量測比較 (六個連通柱的case) .56
圖3.35 Case1到case3的S21參數量測比較 (六個連通柱的case)…..57
圖3.36利用圖3.34~3.35的量測值計算 隨頻率的變化圖
(六個連通柱的case)…………………………………………….58
圖3.37利用圖3.12~3.14的模擬值計算 隨頻率的變化圖
(六個連通柱的case)……………………………………………...58
圖3.38水平極化的量測:將測試樣品置於屏蔽盒內,以量測電源線的
水平極化輻射效應(四層板且六個連通柱的cases)…………….62
圖3.39垂直極化的量測:將測試樣品置於屏蔽盒內,以量測電源線的
垂直極化輻射效應(四層板且六個連通柱的cases)……………..63
圖3.40水平極化輻射的比較:測試樣品未置於與置於屏蔽盒內(後者
連接電源線)的水平極化輻射的比較(四層板六個連通柱的cases)…………………………………………………………….65
圖3.41垂直極化輻射的比較:測試樣品未置於與置於屏蔽盒內(後者
連接電源線)的垂直極化輻射的比較(四層板六個連通柱的cases)…………………………………………………………….67
圖3.42三層PCB板參數結構圖………………………………………..68
圖3.43以三層板製作的測試樣品(兩個連通柱的case)的水平極化量
測結果(以board level方式量測)……………………………69
圖3.44以三層板製作的測試樣品(兩個連通柱的case)的垂直極化量
測結果(以board level方式量測)……………………………70
圖3.45具via wall的四層板樣品實體圖(兩個連通柱case)……72
圖3.46 Case2 (via to via dist. 22mm) 不具via wall與增加via wall
後的水平極化量測之比較(兩個連通柱的cases)……………73
圖3.47 Case3 (via to via dist. 210mm) 不具via wall與增加via wall
後的水平極化量測之比較(兩個連通柱的cases)……………74
圖3.48 Case4 (via to via dist. 336mm) 不具via wall與增加via wall
後的水平極化量測之比較(兩個連通柱的cases)……………74
圖3.49 Case2 (via to via dist. 22mm) 不具via wall與增加via wall
後的垂直極化量測之比較(兩個連通柱的cases)……………75
圖3.50 Case3 (via to via dist. 210mm) 不具via wall與增加via wall
後的垂直極化量測之比較(兩個連通柱的cases)……………76
圖3.51 Case4 (via to via dist. 336mm) 不具via wall與增加via wall
後的垂直極化量測之比較 (兩個連通柱的cases)………….76
圖3.52具via wall的四層板樣品實體圖(六個連通柱case)……78
圖3.53 Case2 (via to via dist. 32mm) 不具via wall與增加via wall
後的水平極化量測之比較 (六個連通柱的cases)………….78
圖3.54 Case3 (via to via dist. 64mm) 不具via wall與增加via wall
後的水平極化量測之比較 (六個連通柱的cases)………….79

圖3.55 Case2 (via to via dist. 32mm) 不具via wall與增加via wall
後的垂直極化量測之比較 (六個連通柱的cases)…………..80
圖3.56 Case3 (via to via dist. 64mm) 不具via wall與增加via wall
後的垂直極化量測之比較 (六個連通柱的cases)……………80
表目錄
表3.1針對五個頻率點的水平極化量測值之比較(兩個連通柱的case)...40
表3.2針對五個頻率點的垂直極化量測值之比較(兩個連通柱的case)...41
表3.3針對四個頻率點的水平極化量測值之比較(六個連通柱的case)...59
表3.4針對四個頻率點的垂直極化量測值之比較(六個連通柱的case)...59

參考文獻 [1]. Hong-Guan,Mahadevan K.Iyer,Ban-Leong Ooi,and Mook-Seng Leong, “Via Design Optimisation For High Speed Device Packaging,”IEEE/CPMT Electronics Packaging Technology Conferenc 1998.
[2]. Qiu xiaofeng,Wu Yushu,Li Shufang,Ying Chenguang,Gao Yougang, “Simulation and Analysis of Via Effects on High Speed Signal Transmission on PCB, ”IEEE 2004.
[3]. Asanee Suntives,Arash Khajooeizadeh,Ramesh Abhari,“Using Via Fences for Crosstalk Reduction in PCB Circuits, ”IEEE 2000.
[4]. Stephen H.hall,Garrett W.hall,James A.McCall,“High-Speed Digital System Design, ”ISBN 0-471-36090-2,2000.
[5]. Jun Fan,James L.Drewniak,James L.Knighten,“Lumped-Circuit Model Extraction For Vias in Multilayer Substrates,”IEEE,2003.
[6]. 李沛榮,差模傳輸對在高速印刷電路中電磁輻射之量測與分析,國立中山大學碩士論文,民國92年6月.
[7]. Eric Laermans,Jan De Geest,Daniel De Zutter,Frank Olyslager,Stefaan Sercu,Danny Morlion,“Modelling Differential Via Holes, ”IEEE,2000.
[8]. Giulio Antonini,Antonio Ciccomancini Scogna,Antonio Orlandi, “S-Parameters Characterization of Through,Blind,and Buried Via Holes, ”IEEE,2003.
[9]. 陳俐蓉,小型電磁相容電波暗室之正規化場傳遞損耗的量測與模擬,國立中山大學碩士論文,民國91年6月.
[10]. Jongbae Park,Hyungsoo Kim,Youchul Jeong,Jingook Kim,Jun So Pak,Dong Gun Kam,Joungho Kim,“Modeling and Measurement of Simultaneous Switching Noise Coupling Through Signal Via Transition, ”IEEE,2006.
[11]. Clayton R. Paul,“Introduction to Electromagnetic Compatibility, ”ISBN 0-471-54927-4,1992.
[12]. Jun So Pak,Hyungsoo Kim,Junwoo Lee,Joungho Kim,“Modeling and Measurement of Radiation Field Emission From a Power/Ground Plane Cavity Edge Excited by a Through-Hole Signal Via Based on a Balanced TLM and Via Couoling Model, ”IEEE,2007.
[13]. Xiao-Xiao Wang,Dong-Lin Su,“The Influence of Power/Ground Resonance to Via’s SSN Noise Coupling in Multilayer Package and Three Mitigating Ways, ”IEEE,2006.
[14]. 張旭鴻,地過孔對微微帶線-帶線轉接信號傳輸特性影響之分析,國立交通大學碩士論文,民國90年6月.
[15]. 黃竣南,多層高速數位電路板中接地彈跳雜訊對電源品質及其電磁輻射效應之模擬與量測,國立中山大學碩士論文,民國91年6月.
[16]. Du Meizhu,Li Shufang,Qiu Xiaofeng,“Via Design Multi-layer PCB, ”IEEE,2003.
[17]. David K.Cheng,“Field and Wave Electromagnetics 2/e, ”ISBN-957-98991-0-X,1996.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2014-12-04公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2014-12-04起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信