一個(gè)映像平面（image plane）是一層銅質(zhì)導體（或其它導體），它位于一個(gè)印刷電路板（PCB）里面。它可能是一個(gè)電壓平面，或鄰近一個(gè)電路或訊號路由層（signal routing layer）的0V參考平面。1990年代，映像平面的觀(guān)念被普遍使用，現在它是工業(yè)標準的專(zhuān)有名詞。本文將說(shuō)明映像平面的定義、原理和設計。

       映像平面的定義

　　射頻電流必須經(jīng)由一個(gè)先前定義好的路徑或其它路徑，回到電流源；簡(jiǎn)言之，這個(gè)回傳路徑（return path）就是一種映像平面。映像平面可能是原先的走線(xiàn)的鏡像（mirror image），或位于附近的另一個(gè)路徑----亦即，串音（crosstalk）；映像平面也許就是電源平面、接地平面，或者自由空間（free space）。射頻電流會(huì )以電容或電感的形式與任何傳輸線(xiàn)耦合，只要此傳輸線(xiàn)的阻抗比先前定義好的路徑的阻抗小。不過(guò)，為了符合EMC標準，必須避免讓自由空間成為回傳路徑。

　　雖然單面PCB可以降低成本，但是這種簡(jiǎn)單的結構可能無(wú)法符合EMC標準。大多數的2層或4層結構的PCB具有比較高的訊號完整性，并且可以通過(guò)EMC測試。高密度（多層板）的PCB堆棧大約可以為每一對映像平面，提供6dB至8dB的射頻抑制，這是由于消除磁通量所產(chǎn)生的效果。有一個(gè)簡(jiǎn)單法則可以用來(lái)判斷何時(shí)應該使用多層板：當頻率速率超過(guò)5MHz，或上升時(shí)間比5 ns快，就必須使用多層板。

       電感的定義

　　走線(xiàn)和銅質(zhì)平面都具有數目有限的電感，當電壓施加到走線(xiàn)或傳輸線(xiàn)時(shí)，這些電感會(huì )禁止電流產(chǎn)生，所以會(huì )使雙導線(xiàn)成為不平衡的共模輻射，磁通量因此無(wú)法降低。在電路板結構中，具有三種不同的電感型態(tài)：

　　●部份電感：存在于導線(xiàn)或PCB走線(xiàn)的電感。

　　●自身的部份電感：來(lái)自于一個(gè)導線(xiàn)區段的電感，相對于無(wú)限長(cháng)的區段。

　　●共同的部份電感：一個(gè)電感區段在第二個(gè)電感區段上所產(chǎn)生的效應。

　　和電容、電阻相比，電感值是最難被測量的。電感代表一個(gè)封閉型電流回路的動(dòng)態(tài)特性。電感是通過(guò)封閉回路的磁通量和產(chǎn)生磁通量的電流之比值，其數學(xué)表述式是：Lij=Ψij / li ，Ψ是磁通量，I是回路中的電流。在一個(gè)封閉回路中，電感值與回路形狀和大小有關(guān)。當設計PCB時(shí)，工程師經(jīng)常會(huì )忽視走線(xiàn)的電感大小。電感永遠和封閉回路有關(guān)。封閉回路的電感效應，可以由部份電感和共同的部份電感的效應來(lái)描述。

       部份電感

　　一個(gè)導體的內部電感，它是由此導體內部的磁通量產(chǎn)生的。一個(gè)封閉回路的部份電感之加總，等于將每個(gè)區段的部份電感相加后的和，亦即。而每一個(gè)區段的Li就等于Ψi / li， Ψi表示第i個(gè)區段耦合至回路的磁通量，I是在第i個(gè)區段的電流量，Li就是部份電感。因此，不同回路將會(huì )有不同數值的部份電感。我們關(guān)注的是部份電感值，而不是走線(xiàn)的總電感值。而且，利用部份電感可以推導出共同的部份電感。

       共同的部份電感

       可以讓映像平面消除磁通量的主要因素是來(lái)自于「共同的部份電感」。磁通量被消除之后，能夠讓磁力線(xiàn)連結，并為射頻電流找到最佳的回傳路徑。自身的部份電感是指特定的回路區段之電感，和其它回路區段無(wú)關(guān)。附圖一是表示一個(gè)自身的部份電感，一條走線(xiàn)回路內的電流是I，Lp是走線(xiàn)區段的自身的部份電感。假設此走線(xiàn)是從有限的一端，一直延伸至無(wú)限的另一端。

　　理論上，雖然自身的部份電感與鄰近的導線(xiàn)無(wú)關(guān)，但實(shí)際上，間距很小的相鄰導線(xiàn)會(huì )互相改變彼此的自身的部份電感值。這是因為一條導線(xiàn)會(huì )和其它導線(xiàn)互動(dòng)，使得在導線(xiàn)的全部長(cháng)度上的電流分布不再一致化（uniform）。尤其當兩導線(xiàn)間隔和半徑的比值約小于5:1時(shí)，這種情況會(huì )更加明顯�！�

　　       圖一：自身的部份電感

　　在兩條導線(xiàn)之間，會(huì )有共同的部份電感存在。共同的部份電感Mp是以平行走線(xiàn)，或導線(xiàn)區段之間的間距（s）為基礎。Mp是「第一條導線(xiàn)內的電流所產(chǎn)生的磁通量（通過(guò)第二條導線(xiàn)至很遠的地方）」和「第一條導線(xiàn)所產(chǎn)生的電流」之比值。附圖二是表示一個(gè)共同的部份電感。它的等效電路如附圖三所示，此電路的數學(xué)表述式如下所示：

　　
       圖二：共同的部份電感

　　
       圖三：兩導線(xiàn)之間的共同的部份電感

　　
         現在以共同的部份電感之觀(guān)念，來(lái)考慮在附圖三的電路上傳送訊號，譬如：頻率訊號。V1是在訊號路徑上，V2是在射頻電流回傳路徑上。假設此兩導線(xiàn)構成一個(gè)訊號路徑和它的回傳路徑，因此I1= I且I2 = -I。要不是有共同的部份電感存在，此兩導線(xiàn)將無(wú)法互相耦合，此電路也無(wú)法正常工作，也不會(huì )形成一個(gè)封閉回路。在附圖三中的電壓降將變成：

　　
               由上式中可以知道，若要使電壓降變小，必須增加共同的部份電感值（Mp）。

　　而增加共同的部份電感之最簡(jiǎn)單方法是：將射頻回傳電流的路徑盡量和訊號走線(xiàn)靠近。最佳的設計方法是：在接近訊號走線(xiàn)的附近，使用一個(gè)射頻回傳平面，它們之間的距離在可實(shí)現的能力范圍之內，應該盡量的小。

　　部份電感永遠存在于導線(xiàn)中，它如同默認值一樣。因此，它就等同于一個(gè)具有特定的諧振頻率的天線(xiàn)�！腹餐�的部份電感」可以降低「部份電感」的效應�？s小兩導線(xiàn)的間距，其個(gè)別的部份電感就可以降低，這可以符合EMI兼容標準的要求。

　　為了使共同的部份電感之效應達到最大，在兩導線(xiàn)中的電流必須大小相同，但方向相反。這也是為何映像平面（或接地線(xiàn)）能夠如此有效的原因。在兩條平行的導線(xiàn)之間，有共同的部份電感存在，而這些電感值會(huì )隨著(zhù)兩導線(xiàn)的間距和長(cháng)度之不同而變化（可以參考導線(xiàn)的技術(shù)規格）。當兩平行導線(xiàn)的間距和長(cháng)度都最小時(shí)，它們的共同的部份電感值會(huì )最大。

　　若在電源和接地平面之間以介電材料分開(kāi)，此時(shí)「共同的部份電感」將扮演什么角色呢？同樣的，只要這兩個(gè)平面的間距很小，共同的部份電感值就會(huì )很大。此時(shí)，在電源平面上所測量到的射頻訊號電流應該為零，因為它被大小相同、方向相反的射頻回傳電流抵銷(xiāo)了。

　　此外，須注意的是，如果降低兩導線(xiàn)之間的共同的部份電感值，不僅會(huì )減損映像平面的效應，而且會(huì )使兩平面之間的電容值增加。

　　映像平面的設計

       附圖四是在PCB內的映像平面，它具有共同的部份電感。在此圖中，訊號走線(xiàn)的大多數射頻電流將回至接地平面，此平面在訊號走線(xiàn)的正下方。在這個(gè)回傳「映像」結構中，射頻回傳電流將遇到一個(gè)有限大的阻抗（電感）。此回傳電流會(huì )產(chǎn)生一個(gè)「電壓梯度（斜率）」（每單位路徑長(cháng)度的電壓變化率），也稱(chēng)為「接地噪聲電壓（ground-noise voltage）」。接地噪聲電壓會(huì )導致部份的訊號電流通過(guò)接地平面的離散電容。

　　典型的共模電流 是差模電流Idm的1/10n倍（n為小于10的正整數）。不過(guò)，共模電流（I1和Icm）會(huì )比差模電流（ 和）產(chǎn)生更多的輻射。這是因為共模的射頻電流場(chǎng)是相加的，而差模電流場(chǎng)是相減的。

　　為了降低「接地噪聲電壓」，必須增加走線(xiàn)和其最靠近的映像平面之間的共同的部份電感值。這樣可以為回傳電流提供一條增強的路徑，將映像電流映射回電流源。接地噪聲電壓Vgnd的計算公式如下所示：

　　Vgnd = Lg dI2/dt - Mgs dI1/dt

　　附圖四和上式的符號意義如下所示：

　　Ls = 訊號走線(xiàn)自身的部份電感。

　　Msg = 訊號走線(xiàn)和接地平面之間的共同的部份電感。

　　Lg = 接地平面自身的部份電感。

　　Mgs = 接地平面和訊號走線(xiàn)之間的共同的部份電感。

　　Cstray = 接地平面的離散（stray）電容。

　　Vgnd = 接地平面噪聲電壓。

　　為了降低附圖四中的If，接地噪聲電壓必須減少。最好的方法是：縮小訊號走線(xiàn)和接地平面之間的距離。在大多數的情況下，接地噪聲的降低是有極限的，因為訊號平面和映像平面之間的距離不能小于一個(gè)特定值；若低于此值，則電路板的固定阻抗和功能將無(wú)法確保。此外，也可以為射頻電流提供額外的路徑，藉此降低接地噪聲電壓。此額外的回傳路徑包含有數條接地線(xiàn)。

　　　
     圖四：PCB內的接地平面

　　一個(gè)穩固的平面會(huì )產(chǎn)生共模的輻射。由于共同的部份電感可以降低具輻射性的射頻電流的產(chǎn)生，因此，共同的部份電感也會(huì )影響到差模電流和共模電流。而利用映像平面是可以將這些電流大幅地降低的。理論上，差模電流應該等于零，但實(shí)際上它無(wú)法100%被消除，而剩下來(lái)的差模電流會(huì )轉變成共模電流。此共模電流正是造成電磁干擾的主要來(lái)源。因為在回傳路徑上的剩余的射頻電流，被加到在訊號路徑中的主電流（I1）中，造成訊號嚴重干擾。為了降低共模電流，我們必須將走線(xiàn)平面和映像平面之間的共同的部份電感值增加至最大，以補捉磁通量，藉此消除不需要的射頻能量。差模電壓和電流會(huì )產(chǎn)生共模電流，而減少差模電流的方法除了增加共同的部份電感值以外，走線(xiàn)平面和映像平面之間的距離也必須最小。

　　 在PCB內，當有一個(gè)射頻回傳平面或路徑存在時(shí)，若此回傳路徑被連接至一個(gè)參考源，則可以獲得最佳的性能。對TTL和CMOS而言，其芯片內的功率和接地腳位是連接至參考源、電源、接地平面。只有當射頻回傳路徑有和芯片內的功率和接地腳位連接，一個(gè)真正的映像平面才會(huì )存在。通常，在芯片內會(huì )有接地線(xiàn)路，此線(xiàn)路與PCB的接地平面連接，因此產(chǎn)生良好的映像平面。如果將此映像平面移除，則在走線(xiàn)和接地平面之間會(huì )產(chǎn)生「虛幻的」映像平面。由于走線(xiàn)之間的距離很小，輻射能量會(huì )降低，因此，射頻映像（RF image）會(huì )被抵銷(xiāo)。理想的映像平面應該是無(wú)限大的，而且沒(méi)有分裂、細縫或割痕。

        接地和訊號回路

 　　由于回路是射頻能量傳播最主要的媒介，因此，接地或訊號回傳回路控制（return loop control）是抑制PCB內的電磁干擾的最重要設計考慮之一。高速的邏輯組件和振蕩器應該盡量靠近接地電路，以避免形成回路；在此回路中會(huì )有渦流（eddy current）存在，此時(shí)是以機殼或底座（chassis）接地。渦流是受到不斷變化的磁場(chǎng)感應產(chǎn)生的，它通常是寄生的。附圖五是PC的適配卡插槽和單點(diǎn)接地所形成的回路。在此圖中，有一個(gè)額外的訊號回傳回路區域存在。每個(gè)回路將會(huì )各別產(chǎn)生一個(gè)不同的電磁場(chǎng)和頻譜。射頻電流將會(huì )在特定的頻率下，產(chǎn)生電磁輻射場(chǎng)，其輻射能量的大小和回路的面積有關(guān)。這時(shí)必須使用遮蔽物（containment），以避免射頻電流耦合至其它電路中；或輻射至外部環(huán)境，造成電磁干擾。不過(guò)，最好能盡量避免由內部電路產(chǎn)生射頻回路電流（RF loop current）來(lái)。

　　　
       圖五：在PCB內的接地回路

　　若射頻電流的回傳路徑不存在，此時(shí)，可以利用連接至底座的接地線(xiàn)路，或0V參考源來(lái)協(xié)助移除掉不良的射頻電流。這也稱(chēng)為「回路面積控制（loop area control）」。

       回路面積的控制

　　一個(gè)被磁場(chǎng)感應的回路，它的電磁場(chǎng)可以用電壓源來(lái)表示。這個(gè)電壓源大小和回路的總面積成正比。因此，為了降低磁場(chǎng)的耦合效應，必須減少回路的面積。電場(chǎng)「撿拾（pickup）」接收系統也是依靠回路面積，來(lái)形成接收天線(xiàn)。

　　當有一個(gè)電場(chǎng)存在時(shí)，在電源和接地平面之間，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電流源。電場(chǎng)不會(huì )在線(xiàn)路至線(xiàn)路之間耦合，而會(huì )在走線(xiàn)至接地線(xiàn)之間耦合，這就包含了共模電流。但是，對磁場(chǎng)而言，由于電場(chǎng)會(huì )伴隨它產(chǎn)生，所以電磁場(chǎng)會(huì )在線(xiàn)路至線(xiàn)路之間耦合，也會(huì )在走線(xiàn)至接地線(xiàn)之間耦合。

　　一般人都會(huì )忽略在PCB內，于電源和0V參考點(diǎn)之間要設置回路區域。附圖六的大回路面積是最容易設計的，但也最容易被「靜電釋放（ESD）」或其它場(chǎng)感應，變成一個(gè)天線(xiàn)。多層堆棧的PCB可以減輕ESD的破壞，并能減少磁場(chǎng)的產(chǎn)生，避免它輻射至自由空間。在附圖七中，接地平面和電源平面之間，具有一個(gè)很小的回路面積。

　　使用電源和接地平面可以降低電源分配系統的電感值。若將電源分配系統的特性阻抗降低，則可以降低電路板的電壓降。電壓降若變小，則「接地彈跳（ground bounce）」的現象就可以避免。當邏輯閘開(kāi)關(guān)快速切換時(shí)，瞬間的電流變化會(huì )經(jīng)由IC接腳，傳送至主機板的電源平面或接地平面，造成輸入參考電壓的波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生射頻噪聲（RF noise）和電磁干擾，這種現象就稱(chēng)作「接地彈跳(ground bounce)」。此外，降低特性阻抗的同時(shí)，電源平面與接地平面之間的電容值會(huì )增加，這個(gè)電容值會(huì )使得任何的感應電壓值下降，這就是「去耦合（decouple）」的效果。

　　
       圖六：綠色區域是大的回路面積

　　當訊號線(xiàn)在組件之間穿梭時(shí)，大的回路面積就被產(chǎn)生了。但是我們常常會(huì )忘記訊號線(xiàn)對EMI的影響。雖然，訊號的完整性（時(shí)域）仍然很高，但是，EMI依然存在（頻域），因為訊號回路面積所產(chǎn)生的問(wèn)題，比電源分配系統所產(chǎn)生的問(wèn)題多。尤其是從ESD的觀(guān)點(diǎn)來(lái)分析，更是如此；這是由于ESD會(huì )直接進(jìn)入回路和組件的輸入腳位中。為了降低ESD可能造成的傷害，減少回路面積是最簡(jiǎn)單的方法。電源和接地平面分散網(wǎng)絡(luò )提供了低阻抗的路徑，能夠將ESD能量傳送至0V的回傳參考平面內。畢竟，回路是回路，如果它們能發(fā)出電磁波，就應該能夠接收電磁波。

　　除了能降低接地噪聲電壓以外，映像平面也能防止射頻接地回路變大，因為射頻電流緊密地與它們的電流源走線(xiàn)耦合，所以，它不需要另外尋找回傳路徑。當回路控制最大化時(shí)，磁通量就被大幅消除了。這是在PCB內，抑制射頻電流的最重要觀(guān)念之一。在靠近每一個(gè)訊號平面處，正確地配置映像平面，就可以消除共模的射頻電流。傳輸大量的射頻電流的映像平面，必須接地或接至0V參考點(diǎn)。為了移除多余的射頻電壓和渦流，所有接地和底座平面可以透過(guò)一個(gè)低阻抗的接地電路，連接至底座的接地點(diǎn)。

　　
       圖七：具有一個(gè)很小的回路面積的PCB布線(xiàn)

       接地線(xiàn)的間距

　　要降低PCB內的回路生成，最簡(jiǎn)單的方法是設計許多個(gè)接地線(xiàn)，并全部連接至底座的接地點(diǎn)。由于組件的輸出訊號的邊緣速率（edge rate）加快了，所以，多點(diǎn)接地就變成了必要的規格，尤其當有使用到I/O互連的設計時(shí)。當PCB使用多點(diǎn)接地，而且都連接到一個(gè)金屬結構上，這時(shí)，我們必須知道所有接地線(xiàn)之間的間距是多少。

　　接地線(xiàn)之間的距離不能超過(guò)最高頻率的λ/20，這不僅包括主頻率，也包含諧波頻率。如果某組件的輸出訊號的邊緣速率比較慢，則它連接至底座接地點(diǎn)的數目可以減少，或和接地位置的距離可以增加。例如：一個(gè)64MHz的振蕩器的λ/20是23.4公分，若兩個(gè)接地線(xiàn)的直線(xiàn)距離大于23.4公分，則很可能會(huì )有射頻回路存在，這個(gè)回路可能就是射頻能量傳播的來(lái)源。

　　在PCB中的組件布局必須要正確。將不同功能區塊的接地線(xiàn)緊密相鄰，可以縮短訊號走線(xiàn)的長(cháng)度、降低反射、并使繞線(xiàn)容易，同時(shí)保持訊號的完整性。應該要盡量避免使用通孔（via），因為每一個(gè)通孔會(huì )增加走線(xiàn)的電感值大約1至3 nH。

　　此外，為了防止不同的頻寬區域相互耦合，必須對不同的功能區塊做正確的分割（partition），其方法有：使用分離的PCB、絕緣、不同的布線(xiàn)….等。正確的分割可以提高電路效能、使繞線(xiàn)容易、縮短走線(xiàn)的長(cháng)度，并且能縮小回路的面積、提升訊號質(zhì)量。工程師在布線(xiàn)之前，必須先規劃好哪些組件是屬于哪一個(gè)功能區塊，而這些信息可以從組件供貨商處獲得。