5-1. 简介
在上次的“印制电路板的噪声传播方式”中，我们使用了3D电磁场模拟器来可视化噪声电流和磁场的传播。并介绍了信号及噪声的回流电流扩散和传播到GND（接地），以及金属暴露在磁场中产生感应电流，导致磁场被再辐射的内容。
众所周知，由于GND和噪声传播有着很大关系，GND形状对噪声的影响很大。例如，即使只连接印制电路板的GND和金属机箱，噪声也会发生很大变化。因此，这次我们将介绍将GND设计对噪声的影响进行可视化的结果。
5-2. GND对噪声的影响
5-2-1. GND形状的影响
首先是噪声会由于印制电路板的GND形状发生变化。
为了便于同时观察信号图案和GND的形状，我们使用单面电路板。
模拟中使用的模型如图2-1所示。
图2-1 模拟模型
（单面电路板 : 共面波导线路）
我们用GND图案将长度100mm的信号图案围起，作为两者之间设一定的间隙（GND间隙）的共面波导线。GND间隙提供有5mm、10mm、20mm三种不同的模型。其他条件通用，信号图案宽度为3mm，输入、负荷端口的阻抗为50Ω。输入信号为1V（Peak），在30MHz～1GHz的频率范围内扫描。
模拟该GND间隙对辐射发射的影响。如图2-2所示，辐射发射是指在水平方向及垂直方向转动电路板时距离3m的点的电场强度上限。
辐射发射的模拟结果如图2-3所示。可以发现，GND间隙越大，辐射发射就越强。
然后我们再模拟磁场分布。分析面如图2-4所示。分析面（水平）为信号图案和GND图案的电介质侧（下方）。这是因为在信号图案附近，下面的磁场要比表层（上方）强。分析面（垂直）为电路板中央。分析频率为辐射发射上限的1GHz。
磁场模拟的结果如图2-5所示。GND间隙变大，磁场也变强。由此可知，即使只是单纯的GND形状变更，噪声也会发生变化。
图2-5 变更GND间隙时的磁场模拟结果（1GHz）
5-2-2. GND加固的效果
众所周知，不仅仅是GND图案的形状会影响噪声，电路板GND和金属机箱的连接也会影响噪声。其中，我们把这种以降低噪声为目的来变更GND称为GND加固。此次，我们就试一下在电路板下方设一块金属板（GND板），和电路板的GND图案连接。模拟模型如图2-6所示。使用金属垫片（直径6mm、长度6.6mm）连接。
GND加固产生的辐射发射变化如图2-7所示。可以发现，连接电路板GND和GND板可以改善辐射发射。
图2-7 使用GND板进行GND加固时辐射发射的模拟结果
- GND板暴露在磁场时，就会有感应电流流过，从而抵消磁场。
- 辐射效率及辐射模型会由于成为天线的GND的形状变更发生变化。
我们来模拟一下磁场分布来确认这些理由。分析面如图2-8，模拟结果如图2-9所示。
- 从GND板表面的磁场分布可以推测感应电流会产生再辐射，并抵消磁场。
- 从分析面（垂直）的磁场分布还可以确认辐射模型的变化。
这样，就可通过实现GND加固来降低噪声。为了有效降低噪声，需要连接电路板GND和GND板，使噪声频带变为低阻抗。
错误的示例如用金属线（直径1mm、长度31.6mm）连接使阻抗变高。模拟模型如图2-10所示。
辐射发射的模拟结果如图2-11所示。变更连接方法后，导致辐射发射增加，1GHz时比初期更差。
从图2-12所示的磁场分布可知，使用金属线等会使磁场增强。
这样，如果以高阻抗连接电路板GND和GND板，GND加固就很难发挥降低噪声的效果，所以使用低阻抗连接很重要。
使用经过导电电镀处理的外罩来代替金属板也有很好的效果。
图2-12 不同GND加固的磁场模拟结果（1GHz）
5-2-3. 电路板宽度的影响
由于单面电路板上很难进行高密度封装，一般都使用双面电路板或多层电路板。所以接下来我们就使用双面电路板来介绍GND设计对噪声的影响。
如图2-13所示，模拟的模型是背面为整面GND的微带线。
众所周知，即使电路设计相同，仅仅变更电路板尺寸，或者是变更布局，噪声也会变化。所以，我们分别用电路板宽度（GND宽度）为200mm、100mm、50mm的3个模型进行模拟。其他条件相同，传输线的特性阻抗设计为50Ω，输入信号为1V，扫描30MHz～1GHz。
辐射发射的模拟结果如图2-14所示。电路板宽度变窄，噪声在430MHz附近就会变高。
辐射发射在达到430MHz时的磁场分布模拟结果如图2-15所示。从这个结果，我们可以知道 :
- 当电路板宽度为200mm时，磁场主要分布在电路板上表面。
- 电路板宽度缩小到100mm时，磁场开始环绕到电路板背面（GND面）。
- 电路板宽度缩小到50mm时，磁场强烈地环绕电路板背面。
图2-15 变更电路板宽度时的磁场模拟结果（430MHz）
由此可知，缩窄GND宽度，磁场会强烈地环绕电路板背面，磁场分布会发生很大变化。这表明，高速信号产生强噪声的电路集中在大电路板的中央位置是比较有利的。
5-2-4. 电路板厚度的影响
接下来，我们变更电路板厚度来模拟对噪声的影响。
模拟模型如图2-16所示。我们准备了电路板厚度分别为1.6mm、0.8mm、0.4mm的3种模型。调整信号图案宽度，使特性阻抗为50Ω。这样，即使电路板厚度改变，电流值仍然一样。
辐射发射的模拟结果如图2-17所示。从图中可知，电路板厚度越薄，辐射发射就越少。
从磁场的模拟结果（图2-18）还可以发现，电路板变薄，磁场就会减少。
图2-18 变更电路板厚度时的磁场模拟结果（1GHz）
- 信号图案和GND图案的距离变近，回流电流难以扩散，集中在信号图案正下方。
- 电路板越薄，信号图案就越窄，所以回流电流会进一步集中在信号图案正下方。
这样，信号电流和回流电流对磁通量的抵消就会增强，从而使辐射发射减少。
如上所述，降低电路板厚度，缩小信号图案和GND图案的距离即可有效降低噪声。但是，电路板变薄，不仅容易弯曲，还会增加发生故障的风险，所以就需要使用多层电路板来确保合适的厚度。
5-3. 电缆的影响
5-3-1. 电缆连接的影响
当电缆被连接到电路板时，电路板的噪声传播就会经常出问题。
那我们就来介绍一下在连接屏蔽电缆（同轴电缆）时，噪声会受到什么样的影响。
模拟模型如图3-1所示。在信号图案端面切断电路板，连接屏蔽电缆。屏蔽电缆的特性阻抗也设计为50Ω，在电缆内以50Ω为终端。我们分别准备了无电缆、电缆长度110mm、210mm、410mm的4种模型。
辐射发射的模拟结果如图3-2所示。可以发现，电缆连接会增加辐射发射。同时还可发现，电缆越长，谐振频率就越向低频范围移动。由此可知，电缆会影响噪声辐射。
从磁场分布的模拟结果（图3-3）可以得出以下结论。
- GND图案到达信号线的端面时，磁场会环绕到电路板背面。
- 电路板产生的磁场传播到电缆的屏蔽层后再辐射。
- 变更电缆长度后，屏蔽层上的磁场分布也会发生变化。
（a）磁场的变化（视频）
（电缆长度 : 210mm）
图3-3 变更电缆长度时的磁场模拟结果（330MHz）
从上述结果可知，电路板产生的噪声会传播到电缆屏蔽层，然后再辐射，产生强烈的辐射发射。这种情况下，就需要通过电路板的屏蔽抑制噪声，或者是通过电路板的设计变更及GND加固来降低噪声。
5-3-2. 通过减少电路板厚度抑制噪声
我们尝试把前面介绍效果的电路板减少厚度，看一下在连接屏蔽电缆时是否也能降低噪声。
如图3-4所示，我们分别准备了电路板厚度为1.6mm、0.8mm、0.4mm的3种模拟模型。
辐射发射和磁场分布的模拟结果分别如图3-5和图3-6所示。
可以发现，辐射发射出现减少。从磁场分布也可以知道，电路板产生的噪声也有所减少，传播到屏蔽电缆中的噪声也减少了。也就是说，减少电路板的厚度，对抑制传播到屏蔽电缆后辐射的噪声也有效。
图3-6 变更电路板厚度时的磁场模拟结果（330MHz）
5-3-3. 通过安装滤波器抑制噪声
为了进一步降低噪音，我们安装了滤波器。
如图3-7所示，滤波器在距离输入5mm的位置安装了铁氧体磁珠（BLM 600Ω at 100MHz）。
辐射发射和磁场的模拟结果分别如图3-8和图3-9所示。
从图中可知，安装铁氧体磁珠后，磁场减少，辐射发射也随之减少。
这样，只要对信号线进行滤波，就可以抑制电路板的噪声，还可以抑制电缆屏蔽层所产生的噪声辐射。
图3-9 安装滤波器时的磁场模拟结果（330MHz）
5-3-4. 屏蔽电缆开口部的影响
根据连接的电缆不同，辐射发射会有很大不同。其中，电缆屏蔽层与电缆金属连接器的连接方法影响特别大。
如果电缆屏蔽层周围和金属连接器全部为面接触，就能获得适当的屏蔽效果。但使用金属线的尾纤连接会产生开口部，造成屏蔽效果降低。噪声从开口部漏出，传播到屏蔽层及电路板，放大辐射发射。下面介绍为了将这种现象可视化而进行的模拟结果。
模拟模型如图3-10所示。将电缆的屏蔽层和金属连接器分离9.5mm，用直径0.3mm的金属线进行尾纤连接。
辐射发射的模拟结果如图3-11所示。可以发现，在尾纤连接的电缆中，辐射发射出现了增加。
图3-11 对电缆屏蔽层进行尾纤连接时的辐射发射模拟结果
从图3-12所示的磁场分布模拟结果中也可以发现，从开口部漏出的磁场传播到屏蔽层及电路板后会进行再辐射。而要是没有开口部，就不会发生这种现象，磁场就会被封闭。
图3-12 对电缆屏蔽进行尾纤连接时的磁场模拟结果（330MHz）
由此可知，尾纤连接由于噪声会从开口部泄漏，从而增加辐射发射，因此需要使用面连接、没有开口部的电缆。
5-4. 总结
此次我们通过3D电磁场模拟器可视化介绍了噪声受GND设计很大影响的知识。
GND宽度、电路板厚度、电缆的屏蔽等多种要素都会影响噪声。所以，我们在进行电路板设计时要非常谨慎，如进行GND加固、减少电路板厚度，安装滤波器等。并且，GND加固从初期阶段开始就要考虑机箱设计。