说在开头：关于放射性（1）

1896年X射线的发现是当时最大的新闻，消息传到了法国，贝克勒尔在一次法国科学院大会上碰到了庞加莱（之前提过被爱因斯坦截胡的数学家、哲学家），庞加莱之前收到了伦琴寄给他的一张X射线照片，他马上拿出来展示给法国科学家们，贝克勒尔一看就来了兴趣，于是问庞加莱：这射线是怎么搞出来的？庞加莱说：可能是阴极射线轰击金属阳极给轰出来的吧。贝克勒尔心里一动：他爷爷、老爹都是研究荧光的，这可是他家的祖传绝活啊。贝克勒尔的老爹发现某些铀矿石会发出荧光，那么这两者之间是否有相似之处呢？贝克勒尔已经发现了铀矿石在太阳底下暴晒之后拿回暗处，就会有荧光：X光是阴极射线打中了金属靶子后轰出来的，那么荧光物质在太阳光的轰击下是不是也会发射X射线呢？庞加莱听他这么一说，马上鼓励：小伙子有前途，好好研究。

贝克勒尔说干就干，买了一大包胶片，取一张用黑纸里外三层的包上，放在太阳底下晒，晒了一天，冲洗出来一看，什么痕迹都没有，果然没曝光：看来黑纸能够完全抵挡住太阳光。他又找亲爹要了一瓶铀盐（硫酸铀酰钾），这种物质在紫外线照射下可以发出荧光。他就把这种盐放在底片上压着，端到太阳底下晒（晒足一百八十天）。假如阳光照射到铀盐上，铀盐被激发出X射线，X射线就可以透过黑纸让底片曝光。果然不出所料，底片被曝光了。贝克勒尔还不放心，做了好多次试验，还放在打孔的金属板，硬币，钥匙等上面拿到太阳底下晒，然后一冲洗，果然底片上出现了金属的影子。贝克勒尔做足了测试，马上开始写报告，并在法国科学院的会议上宣读了。

贝克勒尔回家后天气变阴做不成实验，只好将包好的底片往抽屉里一扔，铀盐也一并扔了进去，过了好几天，贝克勒尔忽然想到：假如不晒太阳光，底片会有反应么？把底片冲洗出来一看，艾玛，底片居然已经曝光了（曝光底片图如下所示）。这下脸都丢光了，之前的报告写错啦。不过错了就错了，还是得沉住气，先把事情搞清楚。他看着底片觉得好像比晒太阳的那些底片还要黑，估计这种辐射跟太阳没关系，只是跟时间有关。那是不是自然环境中有什么东西可以激发铀盐发出辐射呢？贝克勒尔在暗室中重复实验，一切照旧。那铀盐自己会发出辐射？但是铀盐中元素很多，是哪种元素呢？于是他换了各种各样的铀盐，果然都出现了底片变黑的情况，这是铀元素本身的特性。他最后动用关系搞到一块纯铀金属，又做了一次实验，这次的底片颜色最黑；看来这种射线就是铀元素发射出来的。

1896年5月，贝克勒尔在法国科学院发表了报告，认为这种射线来自铀元素本身，他将这种射线命名为铀射线，虽然也有穿透性，但是与X射线是不同的：这种射线可以使空气电离，即：在这种射线的作用下空气变成了导体。（参考自:吴京平-无中生有的世界）

三，远端串扰和近端串扰

1，近端串扰

近端耦合电压与流过近端端接电阻的净耦合电流有关，近端串扰的4个重要特征如下：

1. 耦合长度大于饱和长度时，近端串扰电压降达到一个稳定值；最大电压幅度定义为近端串扰幅值（NEXT）：NEXT=Vb/Va=Kb=1/4（Cm/CL+Lm/LL）；

——Va：动态线电压；Vb：静态线电压；Kb：近端串扰系数；

2. 耦合长度小于饱和长度时电压峰值小于饱和串扰值，实际串扰值与：耦合长度/饱和长度值成正比；

3. 近端串扰时序总时间长度时2*Td，若耦合区域时延为1ns，那么近端噪声持续时间为2ns；

4. 近端串扰是由信号的上升边沿引起的，所以近端串扰的电压上升时间与动态线信号上升边沿时间相等；如下图所示。

根据仿真得到有效经验法则：

1. 相邻信号线路之间的线间距大于线宽的2倍（3W原则），最大的近端噪声将小于2%，即使两边有多条攻击线，受害线上最大近端噪声将小于5%。

2. 在PCB设计中并行走线信号要求收发同向，近端串扰一般影响发送端的信号质量，对信号影响相对较小。

——远端串扰的感性耦合和容性耦合会相互抵消，近端串扰会相互叠加。

2，远端串扰

远端串扰对信号质量的影响远大于近端串扰，因为大部分情况下远端串扰影响的是接收端的信号质量；远端耦合串扰由远端容性耦合和远端感性耦合组成，远端串扰电压与流经远端端接电阻有关；它有4个重要的特征：

1. 从信号进入算起，一直要经过Td时延后才会出现串扰，与动态线上信号传播速度相等；

2. 远端串扰以脉冲形式出现：耦合电流是由dV/dt和dI/dt产生的，脉冲宽度是信号的边沿时间；随着上升边沿时间减小，远端串扰脉冲宽度也减小，但峰值会增加，串扰能量与动态线信号边沿时间无关，与串扰传输线长度相关；如下图所示；

3. 远端串扰的峰值与耦合长度成正比，耦合长度增加，噪声峰值也将增加（噪声峰值极限为动态线信号幅值的一半）；

4. FEXT系数是对远端噪声峰值电压Vf与信号电压Va的比值：FEXT=Vf/Va=Len/Tr * Kf = (Len/Tr) *[1/(2*ν)]* (Cm/CL–Lm/LL)；Kf =[1/(2*ν)]*(Cm/CL–Lm/LL)。

——Va：动态线电压；Vf：静态线电压；Kf：远端串扰系数。

当两条传输线的参考平面不连续（回流路径大），那么感性耦合远大于容性耦合：Kf≠0；此时远端串扰电压是负值。

但当两条传输线都有完整平面作为回流路径时，如果导线周围材料相同并均匀分布的（带状线，耦合线缆等），则相对容性耦合和感性耦合相互抵消，远端耦合系数Kf=0，不会出现远端串扰。

1. 对于理想带状线：导线周围介质材料是同质且均匀分布，那么相对容性耦合和相对感性耦合完全相同，不会出现远端串扰；如果有并行总线走线，PCB设计要求信号收发同向（远端串扰为0），那么接收端无串扰。

2. 对于微带线：导线上方是空气、下方是介质，其感性耦合还是不变（介质和空气磁导率相同），而电容会受到介质分布的影响，信号路径之间相对信号路径与回流路径之间有更多的电场线暴露在空气中（介质的介电常数远大于空气），所以耦合电容Cm的减小远大于线路与耦合电容CL，导致Cm/ CL变小，从而远端串扰是负值；

3. 如果微带线上方增加绿油/介质厚度：那么信号路径之间的电场线更少的穿过空气，Cm和CL明显增加，同时随着绿油厚/介质度增加，远端串扰大大的减小。

远端串扰经验法则：

1. 微带线之间最小距离（1倍线宽）情况下，串扰为-4%；随着边沿时间缩短，远端噪声将增加。

2. 微带线间距在2w和3w时远端串扰分别：-2.2%和-1.4%；一般情况下可以满足设计需求。

四，阻抗匹配对串扰的影响

当静态线出现了串扰，那么在静态线作为传输线同时在传输这两个串扰信号（近端和远端串扰）；我们可以根据传输线反射理论，在不同匹配方式下得到不同的串扰电压幅值，分别进行分析：

1. 如左下图1所示，静态线的源端和终端都进行了匹配（源端串联匹配，终端并联匹配）：远端串扰和近端串扰传输到静态线源端和终端时信号被全吸收，没有任何反射，串扰电压保持不变；但这种情况实际不会发生，信号匹配只会选择其中一种；

2. 假设动态线与静态线信号收发方向相同，如左下图2所示，静态线在源端阻抗匹配而终端高阻（源端串联匹配）：近端串扰回到源端时被全吸收，不会发生反射；而远端串扰到达静态线终端时发生全反射（远端串扰幅值增加1倍），同时与近端串扰发送回源端，被源端吸收；

3. 假设动态线与静态线信号收发方向相反，如右下图所示，静态线在源端阻抗匹配而终端高阻（源端串联匹配）：远端串扰到达源端时被全吸收，不会发生反射；而近端串扰回到静态线终端时发生全反射（近端串扰幅值增加1倍），同时与近端串扰发送回源端，被源端吸收；

4. 假设动态线与静态线信号收发方向相同，静态线终端匹配而源端无匹配：远端串扰到达静态线终端时被全吸收，不会发生反射；而近端串扰回到静态线源端时反射系数≈-1，近端串扰正电压变成负电压，反射到静态线终端，被终端吸收。

根据如上分析，总结如下：

1. 被干扰的静态线必须要做阻抗匹配（源端串联或终端并联），否则串扰会来回反射，引入更多的串扰和EMC问题；

2. 静态线源端串联匹配时，终端串扰会被全反射，串扰幅值增加1倍；

3. 静态线终端并联匹配时，源端串扰会被反射并传输到终端，反射幅值不变。

五，串扰对RE的影响

串扰的确可能会导致RE问题，但没有必然的关系，同时 PCB上的很多不规范的走线也可能对导致RE问题，如果展开了分析，可以单独写一整章节（后续《电磁兼容基础》专题出一章详细分析）。但是为什么要在串扰章节讲RE呢？因为在写串扰时就突然想起来了，我们先从传输线导致辐射的原因来分析，其它的请大家先自行脑补。

首先大家需要再深入一层来理解阻抗是什么？阻抗从本质来说：是电磁波在传播过程中电场能量与磁场能量比值的描述，即电场/磁场（E/H），在传输线上体现是电压/电流（感性/容性）的关系。电磁波在自由空间中传播也会受到一个阻抗，即波阻抗：Z0 = √(μ0/ε0) = 120π ≈ 377Ω；当传输线阻抗越接近377Ω，信号辐射效率就越高。

有了这个基础，我们可以来整理一遍辐射（RE）大小与传输线以及信号的关系：

1. 传输线上信号能量越大，对外辐射越强；例如信号边沿快（LVTTL电平单端信号），跳变频繁（时钟）等；

2. 信号路径和回流路径构成的回路越大，对外辐射越强；走线距离长，回流平面远，连接器电源/GND管脚设置不合理导致大回路，等等；

3. 回流平面不连续或没有良好回流路径（传输线阻抗增大），对外辐射增加。

那对于串扰，为什么大家都说可能会导致RE问题呢？

如下图所示，传输线AB（粗红线为回流路径）与传输线CD（粗蓝线为回流路径）有一段平行走线，传输线AB上信号会耦合到传输线CD上，造成串扰；此时传输线CD上的串扰信号会继续沿着传输线发送到C和D，相当于在传输线CD上传输了传输线AB上的信号，但差别是传输线CD上的信号回流，最终通过平行走线区域返回到传输线AB的源端。

这样出现了一个问题：信号本来只在传输线AB上传播，现在还在传输线CD上传播，变相的增加了信号的传输线距离，增大了整个回路，导致对外辐射能量增加。至于是否会导致RE问题，需分如下两种情况：

1. 如果传输线CD有完整的回流平面，而且走线分布在内层，那么其本身辐射较小，对RE影响不大；

2. 如果CD并不是按照传输线设计的（举个栗子：状态信号，对边沿无要求），所以没有提供良好的参考平面，而传输线AB上传输时钟信号，那么串扰通过CD信号线辐射的能量就会比较大，具体还要根据详细信息再分析。

写在最后

本章我们从传输线理论进化到了两条传输线的分析，相对于一条传输线复杂了很多，这是质的变化。如果要分析单板上n条传输线之间的打情骂俏，靠人力计算已过于复杂，需要利用仿真工具来分析，这种程度的分析就不要问我了。

单板上的n条传输线之间虽然会有很多的相互串扰和影响，但每条传输线必须完成“传输有效电磁能量”的本职工作；就像是社会上的你和我，人与人之间有远近亲疏，有影响你的人，也有被你影响的人；但我们必须做好自己那份应尽的职责，这就是每个人对社会最重大的贡献吧。

本章部分相关内容和图片参考自：Eric Bogatin-《信号完整性分析》；霍华德.约翰逊-《高速数字设计》以及“电磁兼容EMC”微信公众号相关文章。下一章《特殊的串扰-差分信号》。

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