EMC理論基礎知識——電磁騷擾的耦合機理

　　1、基本概念

　　電磁騷擾傳播或耦合，通常分為兩大類：即傳導騷擾傳播和輻射騷擾傳播。通過導體傳播的電磁騷擾，叫傳導騷擾；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：

　　通過以下的推導可知電壓由分貝表示為（注意有一個前提條件為 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、傳導干擾

　　a、共阻抗耦合

　　由兩個回路經公共阻抗耦合而產生，干擾量是電流 i，或變化的電流 di/dt。

　　當兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時，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行信號耦合的應用。在這里，上一級的輸出與下一級的輸入共用一個阻抗。

　　由于地線就是信號的回流線，因此當兩個電路共用一段地線時，彼此也會相互影響。一個電路的地電位會受到另一個電路工作狀態(tài)的影響，即一個電路的地電位受另一個電路的地電流的調制，另一個電路的信號就耦合進了前一個電路。

　　對于兩個共用電源的電路也存在這個問題。解決的辦法是對每個電路分別供電，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生，干擾量是變化的磁場，即變化的電流 di/dt。

　　當信號沿傳輸線傳播時，信號路徑與返回路徑之問將產生電場，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，變化的電場產生感應電流，變化的磁場產生感應電壓。那么，當一個網絡（靜態(tài)網絡）的布線進入另一網絡（動態(tài)網絡）的邊緣場時，一旦動態(tài)網絡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)網絡上感應出噪聲電壓或電流，這就是串擾產生的物理根源。

　　這種兩個網絡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。

　　互容和互感都對串擾有貢獻，但要區(qū)別對待。當返回路徑是很寬的均勻平面時，如PCB上的布線，容性耦合和感性耦合大體相當。因此，要精確預測耦合傳輸線的串擾，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，但串擾主要來自于互感。這時，如果動態(tài)網絡上有一個快速變化的電流，如上升、下降沿，將會在靜態(tài)網絡上引起不可忽視的噪聲。

　　d. 共阻抗耦合干擾抑制方法

　　1）讓兩個電流回路或系統(tǒng)彼此無關。信號相互獨立，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，當耦合阻抗趨于零時，稱為電路去耦。為使耦合阻抗小，必須使導線電阻和導線電感都盡可能小。

　　3）電路去耦：即各個不同的電流回路之間僅在唯一的一點作電的連接，在這一點就不可能流過電路性干擾電流，于是達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系統(tǒng)（比如信號傳輸設備和大功率電氣設備之間），常采用隔離技術。

　　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)應使電壓變化幅度和變化率盡可能地??；

　　2）被干擾系統(tǒng)應盡可能設計成低阻；

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

　　4）可對干擾源的干擾對象進行電氣屏蔽，屏蔽的目的在于切斷干擾源的導體

　　表面和干擾對象的導體表面之間的電力線通路，使耦合電容變得最??；

　　f. 感性耦合干擾抑制方法

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

　　2）減少兩個系統(tǒng)的互感，為此讓導線盡量短，間距盡量大，避免平行走線，采用雙線結構時應縮小電流回路所圍成的面積；

　　3）對于干擾源或干擾對象設置磁屏蔽，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??；另外如將干擾源導線平衡絞合，可將干擾電流產生的磁場相互抵消。

　　4、輻射干擾

　　a. 近場和遠場

　　干擾通過空間傳輸實質上是干擾源的電磁能量以場的形式向四周空間傳播。場可分為近場和遠場。近場又稱感應場，遠場又稱輻射場。判定近場遠場的準則是以離場源的距離 r 也定的。

　　r》λ/2π 則為遠場

　　r《λ/2π 則為近場

　　我們常用波阻抗來描述電場和磁場的關系，波阻抗定義為Zo=E/H

　　在遠場區(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。即一個為垂直極化時，另一個為水平極化，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)，場量強度與距離平方或立方成比例，當距離增大時，場衰減很快。

　　4） 吸收涂層法：被干擾對象有時可涂復一層吸收電磁波的材料，以減小干擾。