1電磁騷擾耦合機(jī)理

1.1騷擾源與受害者

所有電磁兼容性問題毫無例外地包含兩個因素，一個是騷擾發(fā)射源，另一個是對這個騷擾敏感的受害者。若這兩者都不存在，也就沒有電磁兼容性問題。如果騷擾源和受害者在同一設(shè)備單元內(nèi)，稱“系統(tǒng)內(nèi)”電磁兼容性問題；如果騷擾源和敏感設(shè)備是兩個不同的設(shè)備，例如，計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和無線電接收機(jī)，則稱為“系統(tǒng)間”問題。大部分電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)都是針對系統(tǒng)間電磁兼容的。同一設(shè)備在一種情況下是騷擾源，而在另一種情況下或許是受害者。

設(shè)備要滿足性能指標(biāo)，減小騷擾耦合往往是消除干擾危害的唯一手段，因此弄清楚騷擾耦合到受害者上的機(jī)理是十分必要的。通常減小騷擾發(fā)射的方法也能提高抗騷擾性，但為了分析方便，我們往往分別考慮這兩方面的問題。

騷擾源和受害者在一起時，就有從一方到另一方的潛在干擾路徑。組建系統(tǒng)時，你必須知道發(fā)射特征和組成設(shè)備的敏感性，以確定是否要做緊耦合實(shí)驗(yàn)。遵守已出版的發(fā)射和敏感度標(biāo)準(zhǔn)并不能保證解決系統(tǒng)的電磁兼容性問題。標(biāo)準(zhǔn)的編寫是從保護(hù)特殊服務(wù)(在發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)中，主要指無線電廣播和遠(yuǎn)程通信)的觀點(diǎn)出發(fā)的，并要求騷擾源和受害者之間有最小的隔離。

許多電子硬件包含著具有天線能力的元件，例如電纜、印制電路板的印制線、內(nèi)部連接導(dǎo)線和機(jī)械結(jié)構(gòu)。這些元件可以以電場、磁場或電磁場方式傳輸能量并耦合到線路中。在實(shí)際中，系統(tǒng)內(nèi)部耦合和設(shè)備間的外部耦合，可以通過屏蔽、電纜布局以及距離控制得到改善。地線面或屏蔽面既可以因反射而增大干擾信號，也可以因吸收而衰減干擾信號。電纜之間的耦合既可以是電容性的，也可以是電感性的，這取決于其走向、長度和相互距離。絕緣材料也可以因吸收而減小場強(qiáng)，盡管這一因素在許多場合與導(dǎo)體相比可以忽略。

1.1.1公共阻抗耦合

公共阻抗耦合是由于騷擾源與受害者共用一個線路阻抗而產(chǎn)生的。最明顯的公共阻抗是阻抗實(shí)際存在的場合，例如騷擾源和受害者共用的導(dǎo)體；但公共阻抗也可以是由兩個電流回路之間的互感耦合，或者由于兩個電壓節(jié)點(diǎn)之間的電容耦合產(chǎn)生的。理論上，每個節(jié)點(diǎn)和每個回路通過空間都能耦合到另一節(jié)點(diǎn)和回路。實(shí)際上耦合程度隨距離增大而急劇下降。圖1.3表示一對平行導(dǎo)線的互電容和互感與其分離程度的變化關(guān)系。

1.1.1.1導(dǎo)電連接

當(dāng)騷擾源與受害者（系統(tǒng)2的輸人）共用一個地時，則由于系統(tǒng)1的輸出電流流過X－X段的公共阻抗，在系統(tǒng)2的輸人端產(chǎn)生電壓。公共阻抗僅僅是由一段導(dǎo)線或印制板走線產(chǎn)生的。因?yàn)閷?dǎo)線的阻抗呈感性，因此輸出中的高頻或高di／dt分量將更容易耦合。當(dāng)輸出和輸人在同一系統(tǒng)時，公共阻抗構(gòu)成反饋通路，這可能導(dǎo)致振蕩。

解決方法如圖1.2所示，在這個方法中，分別連接兩個電路，因而在兩個電路之間沒有公共通路，也就沒有公共阻抗。這個方法的代價(jià)是多用一根導(dǎo)線。這個方法可用于任何包含公共阻抗的電路，例如電源匯流條連接。大地是公認(rèn)的最常見的公用阻抗因素，但在電路圖中表示不出來。

  1.1.1.2磁場感應(yīng)

導(dǎo)體中流動的交流電流會產(chǎn)生磁場，這個磁場將與相臨的導(dǎo)體耦合，在其上感應(yīng)出電壓（圖1.3）。受害導(dǎo)體中感應(yīng)電壓由公式（1.1）計(jì)算：

              V＝ －MdIL／dt （1.1）

         式中：M是互感，單位享利。 M取決于騷擾源和受害電路的環(huán)路面積、方向、距離，以及兩者之間有無磁屏蔽?；ジ械挠?jì)算公式在附錄中給出，通常靠近的短導(dǎo)線之間的互感在0.1 ~ 0.3(H）之間。磁場耦合的等效電路相當(dāng)于電壓源串接在受害者的電路中。值得注意是兩個電路之間有無直接連接對耦合沒有影響，并且無論兩個電路對地是隔離還是連接的，感應(yīng)電壓都是相同的。

  1.1.1.3電場感應(yīng)

導(dǎo)體上的交流電壓產(chǎn)生電場，這個電場與臨近的導(dǎo)體耦合，并在其上感應(yīng)出電壓（圖1.3）。在受害導(dǎo)體上感應(yīng)的電壓由公式(1.2)計(jì)算：

              V = CC× Zin × dVL/dt (1.2)

        式中CC是耦合電容, Zin是受害電路的對地阻抗。

這里假設(shè)耦合電容阻抗大大高于電路阻抗。噪聲似乎是從電流源注入的，其值為CC×dVL/dt。

CC的值與導(dǎo)體之間距離、有效面積以及有無電屏蔽材料有關(guān)。典型例子是兩個平行絕緣導(dǎo)線，間隔0.1英寸時，其耦合電容大約為每米50pF；未屏蔽的中等功率電源變壓器的初次級間電容大約為100——1000pF。

在上述情況中，兩個電路都必須連接參考地，這樣耦合路徑才能完整。但是如果有一個電路未接地，并不意味著沒有耦合通路。未接地的電路與地之間存在雜散電容，這個電容與直接耦合電容串聯(lián)。另外，即使沒有任何地線，系統(tǒng)1至系統(tǒng)2的低電壓端之間也存在寄生電容。噪聲電流還是能夠加到RL上，但其值由CC和雜散電容的串聯(lián)值決定。

1.1.1.4負(fù)載電阻的影響

需要注意的是，磁場和電場耦合的等效電路之間的差異決定了電路負(fù)載電阻的變化引起的結(jié)果是不同的。電場耦合隨RL增加而增大，而磁場耦合隨RL增加而減小。這個性質(zhì)可以用于診斷：比如你在觀察耦合電壓時，改變RL，你能夠推斷哪一種耦合模式起主導(dǎo)作用。同樣道理，磁場耦合對低阻抗電路的影響更大，而電場耦合對高阻抗電路影響更大。

  1.1.1.5空間間隔

互電容和互感都受騷擾源和受害導(dǎo)體之間的物理距離的影響。圖1.4表示在給出了自由空間中兩平行導(dǎo)線之間的距離對其互電容的影響，以及對地平面（為每個電源提供回流通路）上兩導(dǎo)體的互感的影響。

1.1.2電源耦合

   射頻干擾能夠從干擾源經(jīng)電源配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)人受害者，因兩者是連接在一起的。因此對高頻不利，盡管從線路上可以容易地預(yù)測阻抗，但是在高頻時很難精確估算。在電磁兼容試驗(yàn)中，電源的射頻阻抗可用50Ω網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)50μH電感近似表示（LISN）。對于短距離傳輸線，例如在同一線路上臨近的設(shè)備，兩個設(shè)備經(jīng)電源線的耦合可用圖1.5的等效電路描述。

      對于較長的距離，在10MHz以下，電源電纜是損耗很低的，特性阻抗約為150一200Ω的傳輸線。然而在任何一個局部配電系統(tǒng)中，因負(fù)載連線、電纜接頭和配電元件起的騷擾和間斷將是影響射頻傳輸特性的主要因素。所有這些因素將增加損耗。

                     圖1.5 經(jīng)電源網(wǎng)絡(luò)的耦合

1.1.3輻射耦合

為了理解能量是如何通過沒有互聯(lián)的較遠(yuǎn)的距離從源耦合到受害者的，需要了解一些電磁波傳播的特性。本節(jié)介紹一些必要的概念。電磁波理論在許多著作中都有論述。

1.1.3.1電磁場的產(chǎn)生

   電場（E場）產(chǎn)生于兩個具有不同電位的導(dǎo)體之間。電場的單位為m/V，電場強(qiáng)度正比于導(dǎo)體之間的電壓，反比于兩導(dǎo)體間的距離。

          磁場（H場）產(chǎn)生于載流導(dǎo)體的周圍，磁場的單位為m/A，磁場正比于電流，反比于離開導(dǎo)體的距離。

當(dāng)交變電壓通過網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)體產(chǎn)生交變電流時，產(chǎn)生電磁（EM）波，E場和H場互為正交同時傳播。傳播速度由媒體決定；在自由空間等于光速 3×10m /s。在靠近輻射源時，電磁場的幾何分布和強(qiáng)度由干擾源特性決定，僅在遠(yuǎn)處是正交的電磁場。

如圖1.6。

                            圖1.6 電磁場

1.1.3.2波阻抗

電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比稱為波阻抗（圖1.7）。對于任何已知電磁波，波阻抗是一個十分關(guān)鍵的參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了耦合效率，也決定了導(dǎo)體的屏蔽效能。對于遠(yuǎn)場，d＞λ/2π，電磁波稱為平面波，平面波的阻抗是恒定的，等于公式1.3所示的自由空間的阻抗：

 在近場，d＜λ/2π，波阻抗由輻射源特性決定。小電流、高壓電輻射體（例如棒）主要產(chǎn)生高阻抗的電場，而大電流、低電壓輻射體（例如環(huán)）主要產(chǎn)生低阻抗磁場。如果輻射體阻抗正好約377Ω，那么實(shí)際在近場能產(chǎn)生平面波，這取決于輻射體形狀。

    λ/2π附近的區(qū)域，或近似六分之一波長的區(qū)域，是近場和遠(yuǎn)場之間的傳輸區(qū)域。平面波總是假設(shè)是在遠(yuǎn)場，當(dāng)分別考慮電場或磁場波時，則假設(shè)是在近場。

圖1.7 波阻抗

1.1.3.3　耦合方式

差模、共模和天線模輻射場耦合是學(xué)習(xí)電磁兼容的基本概念。在本書中這些概念將以各種形態(tài)反復(fù)出現(xiàn)。在騷擾的發(fā)射和入侵耦合方面都要應(yīng)用。

差模

考察一根電纜連接起來的兩臺設(shè)備，圖1.8。電纜中兩根靠近的導(dǎo)線傳輸差模（去和回）信號電流。輻射場可以耦合到這個系統(tǒng)，并在兩根電線之間感應(yīng)出差模騷擾；同樣，差模電流自身產(chǎn)生輻射場。地參考面（可以是設(shè)備外部，也可以是設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)）在耦合中不起作用。

共模

電纜上還傳輸共模電流，即在每根導(dǎo)線上都以同一方向流動。這些電流通常與信號電流毫無關(guān)系。共模電流可以由外部電磁場耦合到由電纜、地參考面和設(shè)備與地連接的各種阻抗形成的回路引起。共模電流可以引起內(nèi)部差模電流，設(shè)備對差模電流是敏感的。另外，共模電流也可以由地平面和電纜之間的內(nèi)部噪聲電壓引起，這是輻射發(fā)射的主要原因。需要注意的是，與導(dǎo)線和設(shè)備外殼有關(guān)的寄生電容和電感是共模耦合回路的主要部分，在很大程度上決定著共模電流的輻度和頻譜分布。這些寄生電抗是偶然產(chǎn)生的，而不是設(shè)計(jì)的，因此控制或預(yù)測這些參數(shù)比控制或預(yù)測那些決定差模耦合的參數(shù)，例如電纜的間隔和濾波參數(shù)，更困難。

天線模

天線模電流沿電纜和地平面同向傳輸。天線模電流通常不是由內(nèi)部噪聲產(chǎn)生的，但是當(dāng)整個系統(tǒng)．包括接地平面，暴露于外場時，天線模電流將會流動。例如．飛機(jī)飛入雷達(dá)發(fā)射的波束區(qū)域時；飛機(jī)機(jī)身作為內(nèi)部設(shè)備的接地平面，它象內(nèi)部導(dǎo)線一樣傳輸同樣的電流。當(dāng)不同的電流通路上的阻抗不同時，天線模電流會變?yōu)椴钅；蚬材＃挥羞@時，天線模才成為系統(tǒng)的輻射場敏感性問題。

                           圖1.8 輻射耦合方式

 1.2發(fā)射

當(dāng)你按照規(guī)范設(shè)計(jì)產(chǎn)品，卻缺乏有關(guān)系統(tǒng)或系統(tǒng)工作的環(huán)境的知識，你應(yīng)區(qū)別發(fā)射和敏感度兩個概念，設(shè)計(jì)產(chǎn)品使?jié)M足發(fā)射和敏感度的最低要求。各種標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了極限值，但是個別用戶或市場部門可能有特殊的要求。在那些來自國際無線電干擾特別委員會（CISPR）的標(biāo)準(zhǔn)中，發(fā)射又分為系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射發(fā)射和以共模電流形式出現(xiàn)在接口和電源電纜上的傳導(dǎo)發(fā)射。通常，輻射（高頻）和傳導(dǎo)（低頻）之間的分界點(diǎn)在30MHz。輻射發(fā)射本身可以分為來自內(nèi)部印制電路板或其它導(dǎo)線的發(fā)射，以及連接設(shè)備的外部電纜上的共模電流發(fā)射。

1.2.1輻射發(fā)射

1.2.1.1來自印制電路板的輻射

在多數(shù)設(shè)備中，主要的發(fā)射源是印制電路板（PCB）上電路（時鐘、視頻和數(shù)據(jù)驅(qū)動器，及其它振蕩器）中流動的電流。來自PCB的輻射發(fā)射可用載有騷擾電流的小環(huán)天線（圖1.9）模型描述。小環(huán)是指其尺寸小于感興趣頻率的四分之一波長（λ／4）（例如 75MHz為 lm）。多數(shù) PCB環(huán)路當(dāng)發(fā)射頻率到幾百兆赫時仍認(rèn)為是“小”的。當(dāng)其尺寸接近λ／4時，環(huán)路上不同點(diǎn)的電流相位是不同的，這個效應(yīng)可在指定點(diǎn)上降低場強(qiáng)。當(dāng)一個環(huán)路在地平面上時，在距環(huán)路10m處的最大電場強(qiáng)度與頻率的平方成正比：        

   在自由空間中，電場隨著離源的距離按正比例地下降。這里使用10m是因?yàn)檫@是歐洲輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測量距離。對于最壞的情況，由于地平面的反射，考慮最壞情況時要將輻射場強(qiáng)增加一倍。這也是符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的。

    公式中的環(huán)路面積必須是已知的，這個環(huán)路是由信號電流和回流構(gòu)成的環(huán)路。公式4假設(shè)IS是在單一頻率上。由于方波有豐富的諧波，Is必須應(yīng)用付里葉計(jì)算。

評估PCB設(shè)計(jì)

    你可以利用公式1.4來粗略地預(yù)測已知PCB是否要加額外的屏蔽。例如，若A ＝ 10cm2， Is ＝ 20 mA，f = 50MHz，電場強(qiáng)度 E為 42dBμV／m，它超過了歐洲 B級極限值 12dB。如果頻率和工作電流是固定的，并且環(huán)路面積不能減小，則屏蔽是必要的。

    但是反過來推導(dǎo)的結(jié)論是不成立的，即根據(jù)公式1.4預(yù)測PCB的差模輻射不超標(biāo)，并不能說明設(shè)備不需要屏蔽。因?yàn)镻CB上小環(huán)路的差模電流決不是僅有的輻射發(fā)射源；在PCB上流動的共模電流，特別是電纜上流動的共模電流，對輻射起更大的作用。

    PCB上的共模電流，與差模電流（克?；舴螂娏鞫蓻Q定）相比，是很難預(yù)測的。共模電流的返回通路常常是經(jīng)雜散電容（位移電流）至其它臨近物體，因此一個完整的預(yù)測方案必須詳細(xì)考慮PCB和其外殼的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及對地和對其它設(shè)備的接近程度。正是由于這種原因，電磁兼容落了個“黑色藝術(shù)”的稱號。

                    圖1.9 印制電路板的電磁輻射