使用屏蔽线一定优于非屏蔽线吗

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一、现象描述
某产品使用以太网通信接口，以太网电缆使用屏蔽网线，进行辐射发射测试时发现超标（CLASS B），并发现该辐射超标与以太网线有关。相关测试频谱图如图1所示。从图1中可以看出，150 MHz频点已经超过CLASS B限值。将以太网线改成非屏蔽的普通以太网线后，意外地发现测试可以通过CLASS B限值要求，并且还有一定的裕量。使用非屏蔽线后辐射发射频谱图如图2所示。
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图1 使用屏蔽线的辐射发射频谱图
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图2 使用非屏蔽线后辐射发射频谱图
一般认为，屏蔽电缆中的屏蔽层，具有隔离电缆内部信号向外辐射传输的作用，在EMI测试中占一定的优势。因此许多产品在设计时，考虑到EMC性能，也会适当牺牲一点成本而选择屏蔽电缆。但是本案例中为何会为出现“吃力不讨好”的现象呢？
二、原因分析
首先看一下该产品以太网通信接口部分的布局情况，图3是以太网通信接口部分的布局图。
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图3 以太网通信接口部分的布局图
以太网通信接口采用网络变压器，RJ-45头外壳到接地端子之间的PCB布线，约6 cm长。约6 cm接地线存在一定的问题，原因是在高频下并不是很粗的6 cm的PCB布线已经具有较高的阻抗。但是由于产品结构的限制，还是不得不用这种做法。
图4表示本案例产品辐射的形成原理。
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图4 辐射的形成原理图
图中共模电流ICM的大小决定了辐射发射的大小。共模电流一部分是以太网信号线传输及耦合不平衡转换而来，还有一部分是通过与变压器中心抽头相连的RC共模抑制电路而来，图4粗箭头线表示了共模电流的流经方向，共模电流的大小又被共模压降Un控制着（Un是由屏蔽电缆接地阻抗引起的）。因此Un 也在一定程度上决定了辐射发射测试的成败。
在该案例的产品中，以太网连接器RJ-45受产品结构形状的限制使其外壳的接地路径所产生的接地阻抗较高，屏蔽电缆屏蔽层或RJ-45连接器金属外壳不能很好地接地，导致接地阻抗较大。当以太网接口电路的网口变压器和相关共模抑制电路（C21、R22等）进行共模抑制产生的共模电流流过RJ-45外壳的接地线（即图4所示的AB之间的连线）时，在接地线上产生较高的压降Un，而以太网接口屏蔽电缆在Un的驱动下，最后导致以太网电缆的屏蔽层上流过较大的共模电流，流过共模电流的屏蔽层成为了辐射的载体——“天线”。这是一个典型的共模电压驱动辐射天线模型，图5是共模电压驱动产生辐射的原理图。
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图5 共模电压驱动产生辐射的原理图
将屏蔽电缆改成非屏蔽的普通电缆后，虽然共模电压Un 依然存在，但是辐射的载体“天线”就不存在了，所以辐射降低了。
三、处理措施
有以下三种方式可以改进该辐射问题：
（1）取消“发射天线”：在不能改进接地效果的情况下，将屏蔽电缆改成非屏蔽电缆。
（2）截断共模电流路径：断开C21、C23与地的连接。
（3）降低接地阻抗，降低共模电压Un：用金属片代替PCB中的屏蔽层接地线。
（4）本产品最后采用的是“截断共模电流路径：断开C21、C23与地的连接”的方式，即断开C21、C23与屏蔽电缆屏蔽层的直接连接，将C21、C23接至网口变压器的内侧的工作地（数字地），修改后的测试结果如图6所示。
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图6 修改后的测试结果
四、思考与启示
试图用屏蔽电缆来改善产品EMC特性，一定要保证屏蔽电缆接地良好，否则可能事倍功半。
以太网是一种高速接口电路，很多带有以太网线的产品在EMC测试时，就是因为以太网线导致辐射测试失败。除了电缆接地和选用带有屏蔽的接口连接器外，以太网接口电路的设计也是很重要的一部分。以下是对10 M/100 M以太网接口电路的EMC设计的总结，供参考。1.原理设计
图7是常用的以太网接口电路图。该部分电路用于完成阻抗的匹配与EMI的抑制。
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图7 以太网接口电路图
注：该电路的变压器只在发送端集成了共模线圈，而接收端没有集成共模线圈；如果变压器没有集成共模线圈，则需要外接共模扼流圈；当然也可以选用发送端和接收端都集成了共模线圈的网口变压器，如H1012等。选用集成了共模线圈的网口变压器时，下面介绍的PCB布局布线方法仍然适用。
其中，R9、R10是接收端差模匹配电阻，通过中间电容接地提供共模阻抗匹配，兼具共模滤波效果，使得外部共模干扰信号不会进入接收电路；R20、R21是发射端驱动电阻；变压器次级中心抽头通过电容C7、C8接地，可以滤除电路内部产生和外部引入的共模干扰；变压器本身提供低频隔离、滤波的作用；初级端由电阻、电容组成的电路是专用的Bob Smith电路，以达到差模、共模阻抗匹配的作用，通过电容接地还可以滤除共模干扰，该电路可以提供10 dB的EMI衰减；RJ-45未用引脚通过电阻、电容组成的阻抗匹配网络接地以免产生干扰。用于接口芯片及晶振电源去耦的磁珠要具有100 Ω（100 MHz）或更高的阻抗特性。
2.PCB布局
● 变压器在板上的放置方向应该使初级、次级电路完全隔离开。
●变压器与RJ-45之间的距离L1，接口芯片与变压器的距离L2，应控制在1英寸内。当布局限制时，应优先保证变压器与RJ-45之间的距离在1英寸内。
● 接口芯片的放置方向应使其接收端正对变压器，以保持接口芯片固有的A/D隔离，同时由于路径最短化可以容易做到平衡布线，减少干扰信号向板内耦合的同时，防止共模电流向差模电流转化，从而影响接收端的信号完整性。
● 接收端差模、共模匹配电阻、电容靠近接口芯片放置，两个电阻对称放置，在共有节点中心位置接出电容；发送端串阻靠近接口芯片放置。
● 变压器次级共模滤波电容靠近变压器；Bob Smith电路靠近RJ-45。
● 图8中A区域电路靠近接口芯片放置，B区域的电路靠近网口变压器放置。
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图8 接口电路PCB布局
● 信号线TX+和TX-（RX+ 和RX-）之间的距离要保持在2 cm之内。
3.PCB布线
● PGND的分割线通过变压器体正下方，分割线宽应在100 mil以上，见图8中L5，并保证输入/输出线有很好的隔离，见图9中L4，隔离可以采用图10中所示的铺GND的方式。
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图9 PCB布线
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图10 输入/输出线用GND隔离
●除了PGND层外，网口变压器初级边下的所有平面层作挖空处理，如图11中右边J1方框区域（图11是一个具有良好以太网接口电路EMC设计的PCB图）。建议此区域内PGND层的焊盘及过孔设置应满足：反焊盘（Anti Relief）、热焊盘（Thermal Relief）直径比正常焊盘（Regular Pad）大70 mil以上。
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图11 网口布局图
● 最优先处理的关键信号线是TX+和TX-（RX+ 和RX-），如图11中高亮的标有TP I、TP O字样的网络；TX+和TX-（RX+ 和RX-）应以差分形式布线，平衡对称是最重要的，以提高接收端性能，防止发送端辐射发射；差分线间距不超过100 mil（图9所示的L3）；紧邻地平面布线，推荐直接在顶层不打过孔直连，顶层下第二层为地平面；附近不能有其他高速信号线，特别是数字信号；布线宽度推荐为20 mil，提高抗干扰能力（空间足够时，考虑在旁边布保护地线，保护地线必须每隔一段距离要有接地过孔）。
● 接口芯片推荐的数字电源和模拟电源必须分开，如图11所示。每一个模拟电源引脚处布置一个高频电容；模拟电源在电源层分割，见图11中左边矩形框区域；分割宽度50 mil；数字电源不能扩展到TX+和TX-（RX+ 和RX-）信号附近。
● 电流偏置电阻（图11中R19）附近不能有其他高速信号穿过。
● 变压器与RJ-45之间的接收、发送信号线的处理方式与次级的印制线TX+和TX-（RX+和RX-）处理方式一致。
● Bob Smith电路布线加粗，电阻和电容节点网络（图11中白色高亮网络）的处理方式是在布线层敷铜，见图11中所示的白色高亮铜皮。
● TX+和TX-印制线最好没有过孔，RX+和RX-印制线布在与元件的同一层。


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