EMC理論基礎(chǔ)知識——電磁騷擾的耦合機(jī)理

　　1、基本概念

　　電磁騷擾傳播或耦合，通常分為兩大類：即傳導(dǎo)騷擾傳播和輻射騷擾傳播。通過導(dǎo)體傳播的電磁騷擾，叫傳導(dǎo)騷擾；通過空間傳播的電磁騷擾，叫輻射騷擾。

　　上圖傳染病的模型非常近似：

　　2、 電磁騷擾的常用單位

　　騷擾的單位通用分貝來表示，分貝的原始定義為兩個(gè)功率的比：

　　通常用 dBm 表示功率的單位，dBm 即是功率相對于 1mW 的值：

　　通過以下的推導(dǎo)可知電壓由分貝表示為（注意有一個(gè)前提條件為 R1=R2）：

　　通常用 dBuV 表示電壓的大小，dBuV 即是電壓相對于 1uV 的值。

　　對于輻射騷擾通常用電磁場的大小來度量，其單位是 V/m。通常用的單位是dBuV/m。

　　3、傳導(dǎo)干擾

　　a、共阻抗耦合

　　由兩個(gè)回路經(jīng)公共阻抗耦合而產(chǎn)生，干擾量是電流 i，或變化的電流 di/dt。

　　當(dāng)兩個(gè)電路的地電流流過一個(gè)公共阻抗時(shí)，就發(fā)生了公共阻抗耦合。我們在放大器中，級與級之間的一種耦合方式是“阻容”耦合方式，這就是一種利用公共阻抗進(jìn)行信號耦合的應(yīng)用。在這里，上一級的輸出與下一級的輸入共用一個(gè)阻抗。

　　由于地線就是信號的回流線，因此當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，彼此也會相互影響。一個(gè)電路的地電位會受到另一個(gè)電路工作狀態(tài)的影響，即一個(gè)電路的地電位受另一個(gè)電路的地電流的調(diào)制，另一個(gè)電路的信號就耦合進(jìn)了前一個(gè)電路。

　　對于兩個(gè)共用電源的電路也存在這個(gè)問題。解決的辦法是對每個(gè)電路分別供電，或加解耦電路。

　　b、容性耦合

　　在干擾源與干擾對稱之間存在著分布電容而產(chǎn)生，干擾量是變化的電場，即變化的電壓 du/dt。

　　c、感性耦合

　　在干擾源與干擾對稱之間存在著互感而產(chǎn)生，干擾量是變化的磁場，即變化的電流 di/dt。

　　當(dāng)信號沿傳輸線傳播時(shí)，信號路徑與返回路徑之問將產(chǎn)生電場，圍繞在信號路徑和返回路徑周圍也有磁場。如圖所示，基板材料為FR4的50Ω微帶線橫截面上的電力線和磁力線，可見，這些場并不僅僅局限于微帶線的正下方，而是會延伸到周圍的空間。這些延伸出去的場稱為邊緣場。

　　根據(jù)電磁場基本理論，變化的電場產(chǎn)生感應(yīng)電流，變化的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電壓。那么，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)）的布線進(jìn)入另一網(wǎng)絡(luò)（動態(tài)網(wǎng)絡(luò)）的邊緣場時(shí)，一旦動態(tài)網(wǎng)絡(luò)上的信號電壓和電流發(fā)生變化，將會引起邊緣場的變化，邊緣場的變化又將在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)上感應(yīng)出噪聲電壓或電流，這就是串?dāng)_產(chǎn)生的物理根源。

　　這種兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間通過場相互作用被稱做耦合，耦合又可以分為容性耦合和感性耦合，而把耦合電容和耦合電感分別稱做互容和互感。

　　互容和互感都對串?dāng)_有貢獻(xiàn)，但要區(qū)別對待。當(dāng)返回路徑是很寬的均勻平面時(shí)，如PCB上的布線，容性耦合和感性耦合大體相當(dāng)。因此，要精確預(yù)測耦合傳輸線的串?dāng)_，兩種因素都必須考慮。如果返回路徑不是很寬的均勻平面，比如引線，雖然容性耦合和感性耦合也都存在，但串?dāng)_主要來自于互感。這時(shí)，如果動態(tài)網(wǎng)絡(luò)上有一個(gè)快速變化的電流，如上升、下降沿，將會在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)上引起不可忽視的噪聲。

　　d. 共阻抗耦合干擾抑制方法

　　1）讓兩個(gè)電流回路或系統(tǒng)彼此無關(guān)。信號相互獨(dú)立，避免電路的連接，以避免形成電路性耦合。

　　2）限制耦合阻抗，使耦合阻抗愈低愈好，當(dāng)耦合阻抗趨于零時(shí)，稱為電路去耦。為使耦合阻抗小，必須使導(dǎo)線電阻和導(dǎo)線電感都盡可能小。

　　3）電路去耦：即各個(gè)不同的電流回路之間僅在唯一的一點(diǎn)作電的連接，在這一點(diǎn)就不可能流過電路性干擾電流，于是達(dá)到電流回路間電路去耦的目的。

　　4）隔離：電平相差懸殊的相關(guān)系統(tǒng)（比如信號傳輸設(shè)備和大功率電氣設(shè)備之間），常采用隔離技術(shù)。

　　e. 容性耦合干擾抑制方法

　　為了抑制電容性干擾可以采取以下措施：

　　1）干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應(yīng)使電壓變化幅度和變化率盡可能地?。?/p>

　　2）被干擾系統(tǒng)應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成低阻；

　　3）兩個(gè)系統(tǒng)的耦合部分的布置應(yīng)使耦合電容盡量小。例如電線、電纜系統(tǒng)，則應(yīng)使其間距盡量大，導(dǎo)線短，避免平行走線；

　　4）可對干擾源的干擾對象進(jìn)行電氣屏蔽，屏蔽的目的在于切斷干擾源的導(dǎo)體

　　表面和干擾對象的導(dǎo)體表面之間的電力線通路，使耦合電容變得最小；

　　f. 感性耦合干擾抑制方法

　　1） 干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應(yīng)使電流變化的幅度和速率盡量??；被干擾系統(tǒng)應(yīng)該具有高阻抗；

　　2）減少兩個(gè)系統(tǒng)的互感，為此讓導(dǎo)線盡量短，間距盡量大，避免平行走線，采用雙線結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)縮小電流回路所圍成的面積；

　　3）對于干擾源或干擾對象設(shè)置磁屏蔽，以抑制干擾磁場。

　　4）采用平衡措施，使干擾磁場以及耦合的干擾信號大部分相互抵消。如使被干擾的導(dǎo)線環(huán)在干擾場中的放置方式處于切割磁力線最?。ōh(huán)方向與磁力線平行），則耦合的干擾信號最小；另外如將干擾源導(dǎo)線平衡絞合，可將干擾電流產(chǎn)生的磁場相互抵消。

　　4、輻射干擾

　　a. 近場和遠(yuǎn)場

　　干擾通過空間傳輸實(shí)質(zhì)上是干擾源的電磁能量以場的形式向四周空間傳播。場可分為近場和遠(yuǎn)場。近場又稱感應(yīng)場，遠(yuǎn)場又稱輻射場。判定近場遠(yuǎn)場的準(zhǔn)則是以離場源的距離 r 也定的。

　　r》λ/2π 則為遠(yuǎn)場

　　r《λ/2π 則為近場

　　我們常用波阻抗來描述電場和磁場的關(guān)系，波阻抗定義為Zo=E/H

　　在遠(yuǎn)場區(qū)電場和磁場方向垂直并且都和傳播方向垂直稱為平面波，電場和磁場的比值為固定值，為 Zo=120∏=377 歐。下圖為波阻抗與距離的關(guān)系。

　　b. 減少輻射干擾的措施

　　減小輻射干擾的措施主要有：

　　1） 輻射屏蔽：在干擾源和干擾對象之間插入一金屬屏蔽物，以阻擋干擾的傳播。

　　2） 極化隔離：干擾源與干擾對象在布局上采取極化隔離措施。即一個(gè)為垂直極化時(shí)，另一個(gè)為水平極化，以減小其間的耦合。

　　3） 距離隔離：拉開干擾源與被干擾對象之間的距離，這是由于志在近場區(qū)，場量強(qiáng)度與距離平方或立方成比例，當(dāng)距離增大時(shí)，場衰減很快。

　　4） 吸收涂層法：被干擾對象有時(shí)可涂復(fù)一層吸收電磁波的材料，以減小干擾。