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电子电气设备的辐射发射及控制

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摘要：剖析了电子电气设备电磁辐射超标的原因以及应采取的相应措施。

Abstract：The reason of electronic and electric equipment outside of the limits of standard was analyzed，then the solution was presented.
Key words：electromagnetic disturbance，radiation emission，electronic and electric equipment
电子电气设备在正常工作时，同时向周围空间辐射电磁骚扰，可能影响其它设备的工作。为此很多国家标准都规定了对电磁发射的测量方法和限值，例如GB9254、GB4824、GB6833、GB13837等分别规定了信息技术设备、工科医设备、电子测量仪器、声音和电视广播接收机等设备的辐射发射限值。在辐射发射测量中很多设备的骚扰场强往往在某些频率段超过限值，因此制造商迫切需要了解超标的原因以及应采取的措施。通常设备的辐射发射可由两部分组成：一部分是设备内部的电磁能量通过机箱泄漏；另一部分是设备的连接线作为天线辐射电磁能量。以下将分别进行讨论。
一、通过机箱的泄漏
设备内的元器件、集成片、印刷电路板的走线、有信号电流经过的地方都可能向周围空间辐射电磁能量，频率越高就越容易产生电磁辐射。如果设备采用非屏蔽机箱，则这些电磁能量就直接传递到设备外部空间。如果设备采用金属机箱，或在塑料机箱内喷涂一层金属作为屏蔽层，则电磁能量可能会被限制在设备内部，限制的程度取决于机箱的屏蔽效能。薄薄的一层完整金属具有很高的屏蔽效能，但是如果上面有较大的孔或较长的缝隙，则屏蔽效能就会大大下降，产生电磁能量泄漏。根据电磁场理论，这些孔缝相当于一个二次发射天线，当这些孔缝长度等于半波长的整数倍时，漏泄能量最大。对于固定的孔缝长度，频率越高，泄漏越严重。一般要求孔缝长度应为：1<λ20(商用设备)或1<λ／50(军用设备)，λ为设备内可能辐射的最高频率的波长。如设备内工作信号是数字脉冲，或者由于开关瞬态操作产生脉冲噪声，则应该考虑的辐射发射最高频率为1／(лtr)，其中tr是脉冲的上升时间，或者为10倍的时钟频率。
判别设备的辐射骚扰是否主要由机箱泄漏引起，可把设备连接线拆除，然后再测量辐射骚扰场强。如果加和不加连接线对测量结果没有明显影响，说明机箱泄漏起主要作用。这时可用近场磁场探头(例如HP 11940A)沿孔缝移动，寻找泄漏点。探头接频谱分析仪，可观察不同频率的泄漏情况。如果在某个缝隙发现较大的泄漏场强，可临时在该处贴一条金属导电带，该金属带应与机箱的金属面有良好的导电搭接。如果辐射场强明显减小，则说明泄漏位置寻找正确，在今后的设计中要加以改进，使缝隙尺寸满足要求。例如添加导电衬垫、采用波导设计、缩短连接螺丝的间距等等。
如果机箱必须是非金属的，则应该用近场探头探测设备内的元器件、走线等，找出辐射源，采取相应措施，例如元器件屏蔽、印刷板布线时尽量减小电流环路面积等。
二、设备连接线的辐射
在辐射发射测试中经常发现当设备加上I／O线、控制线等连接线以后，在有些频率段辐射场强就有很大提高，即使连接线终端没有加负载也是如此。这时连接线就变成了天线，向外发射电磁能量。以下对这种辐射的机理进行分析。
1、差模电流辐射和共模电流辐射
连接线上流过高频电流时才能向外发射电磁能量。电流的传输有两种方式：共模方式及差模方式。一对导线上如果流过差模电流，则两条线上的电流，大小相等，方向相反，一般有用信号都是差模电流。一对导线上如果流过共模电流，则两条线上的电流方向相同。骚扰电流在连接线上既可以差模方式出现，也可以共模方式出现。如果连接线终端没有加负载，连接线上就没有差模电流存在，只有共模电流，其产生的辐射称为共模电流辐射。如果连接线终端是有负载的，则可用电流钳来判断是否存在共模电流。电磁兼容使用的电流钳一般具有较宽的频带。把电流钳卡在导线对上，电流钳测得的信号连接到频谱仪上，频谱仪上显示的则是导线对上的共模电流。导线对上的差模电流在电流钳中产生的磁通互相抵消，所以不会有显示。
连接线作为天线发射电磁骚扰，主要是以共模电流辐射形式。因为传输有用信号的导线对常常是紧靠在一起的，而且经常使用双绞线，所以差模电流在周围空间产生的辐射场往往大小相等，方向相反，从而相互抵消。而导线对中两根导线上的共模电流产生的辐射场则相互迭加。如果在计算机常用的扁平馈线中抽取相邻的两根导线，线长1米，导线对上分别加以共模和差模电流，在离导线对3米处按GB 9254规定测量骚扰场强。实验表明如果该处场强要达到B类设备的限值(30~ 230MHz时为40 dBμV／m)，则差模电流要求为20 mA。而共模电流只要8μA，两者相差2500倍。由此可见，共模电流辐射的抑制是非常重要的。
2、共模电流辐射的基本驱动模式
共模电流辐射实际上都是由差模源(有用信号源)驱动产生的，可大致分为两种基本驱动模式：电流驱动模式和电压驱动模式。
1)电流驱动模式：
图1是电流驱动模式的示意图。图1(a)中UDM是差模电压源，设备内部有很多这样的源，例如各种数字信号电路、高频振荡源等等，ZL为回路负载，IDM为回路负载的差模电流，该电流流过AB两点间的回流地(例如印制板的地线)，回到差模源。如AB间存在一定的电感LP则产生压降为
UCM=IDM（jωLp）
这里UCM就是产生共模辐射的驱动源。要产生辐射，除了源以外还必须有天线。这里的天线有两部分组成，一部分是由A点向左看的地线部分，另一部分是由B点向右看的地线部分和外接电缆。其组成的辐射系统的等效电路如图1(b)所示，这实际上是一付不对称振子天线。流过天线的电流即为共模电流，可用下式表示
式中 ICM-共模电流
UCM-共模驱动电压
CA-振子天线二部分之间的电容
合并工（1）和（2）得 LCM=-ω2LpCAIDM （3）
由于共模电流ICM是由差模电流IDM产生的，所以这种模式称电流驱动模式。以下举2例说明电流驱动产生的共模辐射。
例1：在印制电路板上为了把数字部分和模拟部分隔离，常把地分割成数字地和模拟地。如果这两部分之间有信号联系，如图2所示，并且数字地和模拟地的连接部分A8比较细长，存在一定电感，则差模电流IDM将在AB连接线的电感上产生共模驱动电压源，从而引起共模辐射，天线一部分是数字地，另一部分是模拟地和外接地线。
例2：印制电路板的地通过接地导线与机壳相连，如图3所示。印制板上有信号线与机壳贴近，于是差模源VDM通过分布电容C耦合到机壳上，引起差模电流，该电流通过机壳和接地线又回到印制板的差模源。如果接地线存在一定的电感L，则差模电流在L上产生电压降VCM，成为共模驱动电压，从而引起共模辐射。这时天线的一部分是外接地线，另一部分是机壳。这种辐射常发生在以下情况，例如设备内部的地址线、数据线等扁平电缆贴近机壳，分布电容较大，印制板和机壳之间的连接线细长或接触不良等等。
2)电压驱动模式
电压驱动模式的原理如图4所示，图中差模电压源VCM直接驱动天线的两个部分，即上金属部分和下金属部分，从而产生共模辐射，共模辐射电流ICM为 ICM=jωCVDM （4）
式中C为上下两部分金属之间的分市电容。
图5是电压驱动模式的一个实例。图中Q是大功率的开关管，Q可看成是差模电压源UDM，共模电流ICM的途径是由Q通过开关管和散热片之间的分布电容Cd到达散热片，散热片是共模天线的一个极。然后以空间位移电流的形式，即通过CA到达外部接线，外部接线是天线的另一个极，共模电流再由印制板地回到Q。
3、产生共模电流辐射的条件
产生共模电流辐射的条件一是要有共模驱动源，二是要有共模天线。任何两个金属体之间只要存在射频电位差就构成共模辐射系统，两个金属体分别是它的不对称振子天线的两个极。射频电位差即为共模驱动源，它通过不对称振子天线向空间辐射电磁能量。当频率达到MHz级时nH的小电感和pF级的小电容都将产生重要影响。两个导体连接处的小电感能产生射频电位差，例如图2中的数字地和模拟地之间的连接线的小电感，图3中机壳与印刷板之间连接线的小电感等都是产生共模驱动源的根源。没有直接连接点的金属体也可能通过小电容变成天线的一部分，例如图5中的散热片与开关管是绝缘的，但可以通过它们之间的小电容在射频频率上连接起来，构成共模天线的一部分。
共模天线的一个极必定是设备的外部连接线，另一个极可以是设备内部印刷板的地线、电源面、机壳、散热片、金属支撑架等等。当天线二个极的总长度大于λ／20后，天线的辐射才有可能有效。当天线长度与驱动源谐波的波长符合下式时天线发生谐振，辐射能量最大。
1=n（λ/2） n=1，2，3，…… （5）
在天线总长度确定后，源在天线上的位置是天线辐射大小的决定因素。图6中的三种情况天线总长度相同，源的大小也一样，但源在天线上的相对位置不同。源1#在天线中间位置，源2#靠近天线一端，源3#在天线一端。这三种情况下的辐射功率。P1>P2>P3。因为辐射功率大小主要由天线上的共模电流大小决定，由式(3)可知共模电流ICM与天线两个极之间的电容成正比，在图6的三种情况下显然C1>C2>C3，所以I1>I2>I3。由此也可推论：为减小共模辐射，尽量缩短长度较短的极比缩短较长的极效果好。
4、共模电流辐射的抑制方法
1)共模滤波
在设备的电源输入端口接共模滤波器。电磁兼容使用的电源滤波器往往把共模和差模滤波装在一起。滤波器金属外壳和屏蔽机箱紧密搭接，搭接面积越大越好。
在信号线输入输出端口串接共模滤波器，滤波器良好接地。如有可能最好直接采用带滤波器的连接器，这种连接器的插座上每个引脚都带有由铁氧体磁珠和穿心电容组成的滤波器。
2)采用屏蔽电缆、屏敝连接器
共模滤波器通常是低通性质的，只能用在传输频率较低的输入输出信号线上。如果要求传输信号的速率较高，边缘较陡，则串接滤波器就可能把有用信号的高频部分也滤掉，从而影响信号的正常传输。这时就只能采用屏蔽的方法，即采用屏蔽电缆和屏蔽连接器，并要求它们的屏蔽层和机箱的屏蔽层保持电连续性和一致性。具体要求电线屏蔽层和连接器插头的金属外壳要有360°的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象。插头的金属外壳、插座金属外壳以及机壳也应有良好的搭接。
3)使用铁氧体磁环
以上的滤波和屏蔽措施实质上是把共模辐射源两端的“天线”短路了。也可以把铁氧体磁环套在整个连接线上。铁氧体磁环在高频时呈电阻性，所以能消耗高频共模电流。共模电流在连接线上是有一定分布的，因此铁氧体磁环应放在电流较高的位置上，一般放在连接线的引出处。
4)改进印制板上的电路布置
这是从共模电流辐射的源头采取措施。印制板电路布线时应尽量减少供电环路和信号环路的面积。因为环路面积越大，电感就越大，就越容易产生共模电流源。还应尽量减小回流地线的阻抗，各种地线之间的连接也不能用太细的轨线。在元器件布置时各种不相容的电路，例如数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、噪声器件与敏感器件等都应分开安排。
综上所述，在设备辐射测试没有达到标准要求时，应先分析原因，确定是机箱泄漏，还是连接线共模电流辐射。如果是机箱泄漏，可用近场磁场探头找出泄漏点并加以改进。如果是连接线共模电流辐射，可先在连接线上套铁氧体磁环作试验。假如作用不明显，则要进一步调查共模电流产生的途径，画出等效电路，找出抑制对策，这项工作比较复杂并需要有一定的经验。

参考文献：
[1]沙斐，机电一体化系统的电磁兼容技术，中国电力出版社，1999.5
[2]J.L.Drewniak，Fei Sha et al., Diagnosing and modeling common-mode radiation from printed circuit boards with attached cables，IEEE EMC Symp. Proc.1995.
[3]C.R.Panl Introduction to Electromagnetic compatibility，New York Wiley.1992.

录入时间:2007-10-10 来源：网络  

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