中心論題：

• 分析電子產(chǎn)品輻射泄露的途徑、機(jī)理和條件
• 針對不同的輻射泄露途徑提出抑制方法

解決方案：

• 解決機(jī)箱泄露輻射
• 解決設(shè)備連接線輻射
• 抑制共模電流輻射

序言
電子電氣設(shè)備在正常工作時(shí)，同時(shí)向周圍空間輻射電磁騷擾，可能影響其它設(shè)備的工作。為此很多國家標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了對電磁發(fā)射的測量方法和限值，例如GB9254、GB4824、GBl3837等分別規(guī)定了信息技術(shù)設(shè)備、工科醫(yī)設(shè)備、電子測量儀器、聲音和電視廣播接收機(jī)等設(shè)備的輻射發(fā)射限值。在輻射發(fā)射測量中很多設(shè)備的騷擾場強(qiáng)往往在某些頻率段超過限值，因此制造商迫切需要了解超標(biāo)的原因以及應(yīng)采取的措施。通常設(shè)備的輻射發(fā)射可由兩部分組成：一部分是設(shè)備內(nèi)部的電磁能量通過機(jī)箱泄漏；另一部分是設(shè)備的連接線作為天線輻射電磁能量。以下將分別進(jìn)行討論。

電子產(chǎn)品輻射的泄漏途徑和抑制
a.通過機(jī)箱的泄漏
設(shè)備內(nèi)的元器件、集成片、印刷電路板的走線、有信號電流經(jīng)過的地方都可能向周圍空間輻射電磁能量，頻率越高就越容易產(chǎn)生電磁輻射。如果設(shè)備采用非屏蔽機(jī)箱，則這些電磁能量就直接傳遞到設(shè)備外部空間。如果設(shè)備采用金屬機(jī)箱，或在塑料機(jī)箱內(nèi)噴涂一層金屬作為屏蔽層，則電磁能量可能會被限制在設(shè)備內(nèi)部，限制的程度取決于機(jī)箱的屏蔽效能。薄薄的一層完整金屬具有很高的屏蔽效能，但是如果上面有較大的孔或較長的縫隙，則屏蔽效能就會大大下降，產(chǎn)生電磁能量泄漏。根據(jù)電磁場理論，這些孔縫相當(dāng)于一個二次發(fā)射天線，當(dāng)這些孔縫長度等于半波長的整數(shù)倍時(shí)，漏泄能量最大。對于固定的孔縫長度，頻率越高，泄漏越嚴(yán)重。一般要求孔縫長度應(yīng)為：1＜λ／20(商用設(shè)備，屏蔽效能20dB)或1＜λ／50(軍用設(shè)備，屏蔽效能28dB)，λ為設(shè)備內(nèi)可能輻射的最高頻率的波長。如設(shè)備內(nèi)工作信號是數(shù)字脈沖，或者由于開關(guān)瞬態(tài)操作產(chǎn)生脈沖噪聲，則應(yīng)該考慮的輻射發(fā)射最高頻率為1／(π)，其中是脈沖的上升時(shí)間，或者為10倍的時(shí)鐘頻率。

判別設(shè)備的輻射騷擾是否主要由機(jī)箱泄漏引起，可把設(shè)備連接線拆除，然后再測量輻射騷擾場強(qiáng)。如果加和不加連接線對測量結(jié)果沒有明顯影響，說明機(jī)箱泄漏起主要作用。這時(shí)可用近場磁場探頭(例如HP 11940A)沿孔縫移動，尋找泄漏點(diǎn)。探頭接頻譜分析儀，可觀察不同頻率的泄漏情況。如果在某個縫隙發(fā)現(xiàn)較大的泄漏場強(qiáng)，可臨時(shí)在該處貼一條金屬導(dǎo)電帶，該金屬帶應(yīng)與機(jī)箱的金屬面有良好的導(dǎo)電搭接。如果輻射場強(qiáng)明顯減小，則說明泄漏位置尋找正確，在今后的設(shè)計(jì)中要加以改進(jìn)，使縫隙尺寸滿足要求。例如添加導(dǎo)電襯墊、采用波導(dǎo)設(shè)計(jì)、縮短連接螺絲的間距等等。

如果機(jī)箱必須是非金屬的，則應(yīng)該用近場探頭探測設(shè)備內(nèi)的元器件、走線等，找出輻射源，采取相應(yīng)措施，例如元器件屏蔽、印刷板布線時(shí)盡量減小電流環(huán)路面積等。

b.設(shè)備連接線的輻射
在輻射發(fā)射測試中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)備加上I／O線、控制線等連接線以后，在有些頻率段輻射場強(qiáng)就有很大提高，即使連接線終端沒有加負(fù)載也是如此。這時(shí)連接線就變成了天線，向外發(fā)射電磁能量。以下對這種輻射的機(jī)理進(jìn)行分析。
       
1. 差模電流輻射和共模電流輻射
連接線上流過高頻電流時(shí)才能向外發(fā)射電磁能量。電流的傳輸有兩種方式：共模方式及差模方式。一對導(dǎo)線上如果流過差模電流，則兩條線上的電流，大小相等，方向相反，一般有用信號都是差模電流。一對導(dǎo)線上如果流過共模電流，則兩條線上的電流方向相同。騷擾電流在連接線上既可以差模方式出現(xiàn)，也可以共模方式出現(xiàn)。如果連接線終端沒有加負(fù)載，連接線上就沒有差模電流存在，只有共模電流，其產(chǎn)生的輻射稱為共模電流輻射。如果連接線終端是有負(fù)載的，則可用電流鉗來判斷是否存在共模電流。電磁兼容使用的電流鉗一般具有較寬的頻帶。把電流鉗卡在導(dǎo)線對上，電流鉗測得的信號連接到頻譜儀上，頻譜儀上顯示的則是導(dǎo)線對上的共模電流。導(dǎo)線對上的差模電流在電流鉗中產(chǎn)生的磁通互相抵消，所以不會有顯示。 連接線作為天線發(fā)射電磁騷擾，主要是以共模電流輻射形式。因?yàn)閭鬏斢杏眯盘柕膶?dǎo)線對常常是緊靠在一起的，而且經(jīng)常使用雙絞線，所以差模電流在周圍空間產(chǎn)生的輻射場往往大小相等，方向相反，從而相互抵消。而導(dǎo)線對中兩根導(dǎo)線上的共模電流產(chǎn)生的輻射場則相互迭加。如果在計(jì)算機(jī)常用的扁平饋線中抽取相鄰的兩根導(dǎo)線，線長1米，導(dǎo)線對上分別加以共模和差模電流，在離導(dǎo)線對3米處按GB9254規(guī)定測量騷擾場強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明如果該處場強(qiáng)要達(dá)到B類設(shè)備的限值(30~230 MHz時(shí)為40 dBμV／m)，則差模電流要求為20 mA，而共模電流只要8 μA，兩者相差2500倍。由此可見，共模電流輻射的抑制是非常重要的。

2. 共模電流輻射的基本驅(qū)動模式
共模電流輻射實(shí)際上都是由差模源(有用信號源)驅(qū)動產(chǎn)生的，可大致分為兩種基本驅(qū)動模式：電流驅(qū)動模式和電壓驅(qū)動模式。
 1)電流驅(qū)動模式
圖1是電流驅(qū)動模式的示意圖。圖1(a)中UDM是差模電壓源，設(shè)備內(nèi)部有很多這樣的源，例如各種數(shù)字信號電路、高頻振蕩源等等，ZL為回路負(fù)載，IDM為回路負(fù)載的差模電流，該電流流過AB兩點(diǎn)間的回流地(例如印制板的地線)，回到差模源。如AB間存在一定的電感LP，則產(chǎn)生壓降為 

          
 這里UCM就是產(chǎn)生共模輻射的驅(qū)動源。要產(chǎn)生輻射，除了源以外還必須有天線。這里的天線有兩部分組成，一部分是由A點(diǎn)向左看的地線部分，另一部分是由B點(diǎn)向右看的地線部分和外接電纜。其組成的輻射系統(tǒng)的等效電路如圖1(b)所示，這實(shí)際上是一付不對稱振子天線。流過天線的電流即為共模電流，可用下式表示 

   
 由于共模電流ICM是由差模電流IDM產(chǎn)生的，所以這種模式稱電流驅(qū)動模式。以下舉二例說明電流驅(qū)動產(chǎn)生的共模輻射。

例1：在印制電路板上為了把數(shù)字部分和模擬部分隔離，常把地分割成數(shù)字地和模擬地。如果這兩部分之間有信號聯(lián)系，如圖2所示，并且數(shù)字地和模擬地的連接部分AB比較細(xì)長，存在一定電感，則差模電流IDM將在AB連接線的電感上產(chǎn)生共模驅(qū)動電壓源，從而引起共模輻射，天線一部分是數(shù)字地，另一部分是模擬地和外接地線。

例2：印制電路板的地通過接地導(dǎo)線與機(jī)殼相連，如圖3所示。印制板上有信號線與機(jī)殼貼近，于是差模源VDM通過分布電容C耦合到機(jī)殼上，引起差模電流，該電流通過機(jī)殼和接地線又回到印制板的差模源。如果接地線存在一定的電感L，則差模電流在L上產(chǎn)生電壓降VCM，成為共模驅(qū)動電壓，從而引起共模輻射。這時(shí)天線的一部分是外接地線，另一部分是機(jī)殼。這種輻射常發(fā)生在以下情況，例如設(shè)備內(nèi)部的地址線、數(shù)據(jù)線等扁平電纜貼近機(jī)殼，分布電容較大，印制板和機(jī)殼之間的連接線細(xì)長或接觸不良等等。

2)電壓驅(qū)動模式
電壓驅(qū)動模式的原理如圖4所示，圖中差模電壓源VCM直接驅(qū)動天線的兩個部分，即上金屬部分和下金屬部分，從而產(chǎn)生共模輻射，共模輻射電流ICM為

圖5是電壓驅(qū)動模式的一個實(shí)例。圖中Q是大功率的開關(guān)管，Q可看成是差模電壓源UDM，共模電流ICM的途徑是由Q通過開關(guān)管和散熱片之間的分布電容Cd到達(dá)散熱片，散熱片是共模天線的一個極。然后以空間位移電流的形式，即通過C A到達(dá)外部接線，外部接線是天線的另一個極，共模電流再由印制板地回到Q。

                       
c 產(chǎn)生共模電流輻射的條件
產(chǎn)生共模電流輻射的條件一是要有共模驅(qū)動源，二是要有共模天線。任何兩個金屬體之間只要存在射頻電位差就構(gòu)成共模輻射系統(tǒng)，兩個金屬體分別是它的不對稱振子天線的兩個極。射頻電位差即為共模驅(qū)動源，它通過不對稱振子天線向空間輻射電磁能量。當(dāng)頻率達(dá)到MHz級時(shí)nH的小電感和pF級的小電容都將產(chǎn)生重要影響。兩個導(dǎo)體連接處的小電感能產(chǎn)生射頻電位差，例如圖2中的數(shù)字地和模擬地之間的連接線的小電感，圖3中機(jī)殼與印刷板之間連接線的小電感等都是產(chǎn)生共模驅(qū)動源的根源。沒有直接連接點(diǎn)的金屬體也可能通過小電容變成天線的一部分，例如圖5中的散熱片與開關(guān)管是絕緣的，但可以通過它們之間的小電容在射頻頻率上連接起來，構(gòu)成共模天線的一部分。

共模天線的一個極必定是設(shè)備的外部連接線，另一個極可以是設(shè)備內(nèi)部印刷板的地線、電源面、機(jī)殼、散熱片、金屬支撐架等等。當(dāng)天線二個極的總長度大于λ／20后，天線的輻射才有可能有效。當(dāng)天線長度與驅(qū)動源諧波的波長符合下式時(shí)天線發(fā)生諧振，輻射能量最大。

   
d 共模電流輻射的抑制方法

• 共模濾波
  在設(shè)備的電源輸入端口接共模濾波器。電磁兼容使用的電源濾波器往往把共模和差模濾波裝在一起。濾波器金屬外殼和屏蔽機(jī)箱緊密搭接，搭接面積越大越好。在信號線輸入輸出端口串接共模濾波器，濾波器良好接地。如有可能最好直接采用帶濾波器的連接器，這種連接器的插座上每個引腳都帶有由鐵氧體磁珠和穿心電容組成的濾波器。
• 采用屏蔽
  電纜、屏蔽連接器共模濾波器通常是低通性質(zhì)的，只能用在傳輸頻率較低的輸入輸出信號線上。如果要求傳輸信號的速率較高，邊緣較陡，則串接濾波器就可能把有用信號的高頻部分也濾掉，從而影響信號的正常傳輸。這時(shí)就只能采用屏蔽的方法，即采用屏蔽電纜和屏蔽連接器，并要求它們的屏蔽層和機(jī)箱的屏蔽層保持電連續(xù)性和一致性。具體要求電纜屏蔽層和連接器插頭的金屬外殼要有3600的完整搭接，不能出現(xiàn)"豬尾巴"現(xiàn)象。插頭的金屬外殼、插座金屬外殼以及機(jī)殼也應(yīng)有良好的搭接。
• 使用鐵氧體磁環(huán)
  以上的濾波和屏蔽措施實(shí)質(zhì)上是把共模輻射源兩端的"天線"短路了。也可以把鐵氧體磁環(huán)套在整個連接線上。鐵氧體磁環(huán)在高頻時(shí)呈電阻性，所以能消耗高頻共模電流。共模電流在連接線上是有一定分布的，因此鐵氧體磁環(huán)應(yīng)放在電流較高的位置上，一般放在連接線的引出處。
• 改進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置
  這是從共模電流輻射的源頭采取措施，包括印制電路板設(shè)計(jì)，各部件的電磁兼容設(shè)計(jì)，以及相互連接線的布置等等。其中印制電路板的設(shè)計(jì)最為重要，設(shè)計(jì)的步驟是首先要選取印制板類型，然后是確定元器件在板上的位置，再依次布置地線、電源線、高速信號線，低速信號線。印制電路板設(shè)計(jì)應(yīng)遵循三個主要原則。1、無論是信號環(huán)路或供電環(huán)路，電流的環(huán)路面積越小越好，尤其不能出現(xiàn)環(huán)套環(huán)的重疊現(xiàn)象。2、不相容的元器件和信號線(數(shù)字與模擬、高速與低速、大電流與小電流、高電壓與低電壓等)應(yīng)相互遠(yuǎn)離，不要平行走線。分布在不同層上的信號線走向應(yīng)相互垂直。這樣可以減少相互之間的電場和磁場耦合干擾。3、高速信號線應(yīng)考慮阻抗匹配問題，即信號線的負(fù)載應(yīng)與信號線的特性阻抗相等。阻抗不匹配將引起傳輸信號的反射，使數(shù)字波形產(chǎn)生振蕩，造成邏輯混亂。通常信號線的負(fù)載是芯片，基本穩(wěn)定。造成不匹配的原因主要是信號線走線過程中本身的特性阻抗的變化，例如走線的寬窄不一，走線拐彎，經(jīng)過過孔等。所以布線時(shí)應(yīng)采取措施，使得信號線全程走線的特性阻抗保持不變。

      
結(jié)束語
綜上所述，在設(shè)備輻射測試沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，應(yīng)先分析原因，確定是機(jī)箱泄漏，還是連接線共模電流輻射。如果是機(jī)箱泄漏，可用近場磁場探頭找出泄漏點(diǎn)并加以改進(jìn)。如果是連接線共模電流輻射，可先在連接線上套鐵氧體磁環(huán)作試驗(yàn)。假如作用不明顯，則要進(jìn)一步調(diào)查共模電流產(chǎn)生的途徑，畫出等效電路，找出抑制對策，這項(xiàng)工作比較復(fù)雜并需要有一定的經(jīng)驗(yàn)。