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一個(gè)映像平面（image plane）是一層銅質(zhì)導(dǎo)體（或其它導(dǎo)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(hào)路由層（signal routing layer）的0V參考平面。1990年代，映像平面的觀念被普遍使用，現(xiàn)在它是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的專有名詞。本文將說(shuō)明映像平面的定義、原理和設(shè)計(jì)。 

映像平面的設(shè)計(jì)

附圖四是在PCB內(nèi)的映像平面，它具有共同的部份電感。在此圖中，訊號(hào)走線的大多數(shù)射頻電流將回至接地平面，此平面在訊號(hào)走線的正下方。在這個(gè)回傳「映像」結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度的電壓變化率），也稱為「接地噪聲電壓（ground-noise voltage）」。接地噪聲電壓會(huì)導(dǎo)致部份的訊號(hào)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(shù)）。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?yàn)楣材５纳漕l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(qiáng)的路徑，將映像電流映射回電流源。接地噪聲電壓Vgnd的計(jì)算公式如下所示：
　　
Vgnd = Lg dI2/dt - Mgs dI1/dt
　　
附圖四和上式的符號(hào)意義如下所示：

　　Ls = 訊號(hào)走線自身的部份電感。
　　Msg = 訊號(hào)走線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(hào)走線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(hào)走線和接地平面之間的距離。在大多數(shù)的情況下，接地噪聲的降低是有極限的，因?yàn)橛嵦?hào)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(shù)條接地線。
　　

　　
       圖四：PCB內(nèi)的接地平面

　　
一個(gè)穩(wěn)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(yīng)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(zhuǎn)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?yàn)樵诨貍髀窂缴系氖Ｓ嗟纳漕l電流，被加到在訊號(hào)路徑中的主電流（I1）中，造成訊號(hào)嚴(yán)重干擾。為了降低共模電流，我們必須將走線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(bǔ)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，走線平面和映像平面之間的距離也必須最小。

在PCB內(nèi)，當(dāng)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(duì)TTL和CMOS而言，其芯片內(nèi)的功率和接地腳位是連接至參考源、電源、接地平面。只有當(dāng)射頻回傳路徑有和芯片內(nèi)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(nèi)會(huì)有接地線路，此線路與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，則在走線和接地平面之間會(huì)產(chǎn)生「虛幻的」映像平面。由于走線之間的距離很小，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(yīng)該是無(wú)限大的，而且沒(méi)有分裂、細(xì)縫或割痕。

接地和訊號(hào)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(hào)回傳回路控制（return loop control）是抑制PCB內(nèi)的電磁干擾的最重要設(shè)計(jì)考慮之一。高速的邏輯組件和振蕩器應(yīng)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(jī)殼或底座（chassis）接地。渦流是受到不斷變化的磁場(chǎng)感應(yīng)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(hào)回傳回路區(qū)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(nèi)部電路產(chǎn)生射頻回路電流（RF loop current）來(lái)。

圖五：在PCB內(nèi)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路，或0V參考源來(lái)協(xié)助移 
除掉不良的射頻電流。這也稱為「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(yīng)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(yīng)，必須減少回路的面積。電場(chǎng)「撿拾（pickup）」接收系統(tǒng)也是依靠回路面積，來(lái)形成接收天線。
　　
當(dāng)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)在線路至線路之間耦合，而會(huì)在走線至接地線之間耦合，這就包含了共模電流。但是，對(duì)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)在線路至線路之間耦合，也會(huì)在走線至接地線之間耦合。
　　
一般人都會(huì)忽略在PCB內(nèi)，于電源和0V參考點(diǎn)之間要設(shè)置回路區(qū)域。附圖六的大回路面積是最容易設(shè)計(jì)的，但也最容易被「靜電釋放（ESD）」或其它場(chǎng)感應(yīng)，變成一個(gè)天線。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(tǒng)的電感值。若將電源分配系統(tǒng)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(xiàn)象就可以避免。當(dāng)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(jī)板的電源平面或接地平面，造成輸入?yún)⒖茧妷旱牟▌?dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生射頻噪聲（RF noise）和電磁干擾，這種現(xiàn)象就稱作「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(yīng)電壓值下降，這就是「去耦合（decouple）」的效果。

　　　　
圖六：綠色區(qū)域是大的回路面積

　　
當(dāng)訊號(hào)線在組件之間穿梭時(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(hào)線對(duì)EMI的影響。雖然，訊號(hào)的完整性（時(shí)域）仍然很高，但是，EMI依然存在（頻域），因?yàn)橛嵦?hào)回路面積所產(chǎn)生的問(wèn)題，比電源分配系統(tǒng)所產(chǎn)生的問(wèn)題多。尤其是從ESD的觀點(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?qū)SD能量傳送至0V的回傳參考平面內(nèi)。畢竟，回路是回路，如果它們能發(fā)出電磁波，就應(yīng)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?yàn)樯漕l電流緊密地與它們的電流源走線耦合，所以，它不需要另外尋找回傳路徑。當(dāng)回路控制最大化時(shí)，磁通量就被大幅消除了。這是在PCB內(nèi)，抑制射頻電流的最重要觀念之一。在靠近每一個(gè)訊號(hào)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

接地線的間距

　　
要降低PCB內(nèi)的回路生成，最簡(jiǎn)單的方法是設(shè)計(jì)許多個(gè)接地線，并全部連接至底座的接地點(diǎn)。由于組件的輸出訊號(hào)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(guī)格，尤其當(dāng)有使用到I/O互連的設(shè)計(jì)時(shí)。當(dāng)PCB使用多點(diǎn)接地，而且都連接到一個(gè)金屬結(jié)構(gòu)上，這時(shí)，我們必須知道所有接地線之間的間距是多少。
　
接地線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(hào)的邊緣速率比較慢，則它連接至底座接地點(diǎn)的數(shù)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)接地線的直線距離大于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(qū)塊的接地線緊密相鄰，可以縮短訊號(hào)走線的長(zhǎng)度、降低反射、并使繞線容易，同時(shí)保持訊號(hào)的完整性。應(yīng)該要盡量避免使用通孔（via），因?yàn)槊恳粋€(gè)通孔會(huì)增加走線的電感值大約1至3 nH。
　　
此外，為了防止不同的頻寬區(qū)域相互耦合，必須對(duì)不同的功能區(qū)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….等。正確的分割可以提高電路效能、使繞線容易、縮短走線的長(zhǎng)度，并且能縮小回路的面積、提升訊號(hào)質(zhì)量。工程師在布線之前，必須先規(guī)劃好哪些組件是屬于哪一個(gè)功能區(qū)塊，而這些信息可以從組件供貨商處獲得。

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