日常生活中常用的頻率范圍,,包括交流電源頻率,、音頻、長(zhǎng),、中,、短波收音機(jī)占有的頻段、調(diào)頻及電視廣播,、蜂窩電話常用的900MHz 及1.8GHz,。但實(shí)際的頻譜遠(yuǎn)比這擁擠得多,9KHz 以上的頻段幾乎都被用于特定的場(chǎng)合。隨著微波技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活,,該圖中所示的頻率也很快將擴(kuò)展至10GHz(甚至100GHz),。圖15 在圖14 上覆蓋了一些大家不太熟悉的頻譜,這些頻譜是普通電氣及電子設(shè)備所發(fā)射的,。
圖 1 疊加我們產(chǎn)生的干擾后的頻譜
交流電源整流器件在基頻至相當(dāng)高的諧波頻率范圍內(nèi)均可發(fā)射開(kāi)關(guān)噪聲,,具體情況取決于這些器件的功率。5 千伏安左右的電源(線性或開(kāi)關(guān)模式)由于其50 或60Hz 橋式整流所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲,,通常在數(shù)MHz 頻率以下不能滿足傳導(dǎo)發(fā)射的限制要求,。可控硅直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置及交流移相控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲也大致如此,。這些噪聲極易干擾中長(zhǎng)波和部分短波廣播,。
開(kāi)關(guān)電源的工作基頻一般在2kHz 至500kHz 之間。開(kāi)關(guān)電源在其工作頻率1000 倍的頻率處仍具有很強(qiáng)的發(fā)射是常見(jiàn)的,。圖1 給出了個(gè)人計(jì)算機(jī)中常用的頻率為70kHz 的開(kāi)關(guān)電源的發(fā)射頻譜,。這將干擾包括調(diào)頻廣播在內(nèi)的廣播通信。圖1 中還給出了由16MHz 時(shí)鐘微處理器或微控制器產(chǎn)生的典型發(fā)射頻譜,。這些器件的發(fā)射通常會(huì)在200MHz 甚至更高的頻率超過(guò)發(fā)射極限值,。目前,由于個(gè)人計(jì)算機(jī)采用400MHz 甚至1GHz 以上的時(shí)鐘頻率,,因此數(shù)字技術(shù)必然會(huì)對(duì)高端頻譜產(chǎn)生干擾,。
之所以會(huì)發(fā)生以上各種現(xiàn)象,是因?yàn)樗袑?dǎo)體都是天線,。它們把傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)變成電磁場(chǎng),,然后泄漏到廣闊的環(huán)境中。同時(shí),,它們也能把其周圍的電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變成傳導(dǎo)電信號(hào),。這是放之四海而皆準(zhǔn)的真理。因此,,導(dǎo)體是信號(hào)產(chǎn)生輻射發(fā)射的主要原因,,也是外來(lái)場(chǎng)使信號(hào)受到污染的原因(敏感度和抗擾度)。
2.2 導(dǎo)體的泄漏與天線效應(yīng)
電場(chǎng)(E)由導(dǎo)體上的電壓產(chǎn)生,,磁場(chǎng)(M)由環(huán)路中流動(dòng)的電流產(chǎn)生,。導(dǎo)體上的各種電信號(hào)均可產(chǎn)生磁場(chǎng)和電場(chǎng),因此,,所有導(dǎo)體都可將其上的電信號(hào)泄漏至外部環(huán)境中,,同時(shí)也將外部場(chǎng)導(dǎo)入信號(hào)中。
在遠(yuǎn)大于所關(guān)心頻率的波長(zhǎng)(λ)的1/6 處,,電場(chǎng)和磁場(chǎng)匯合成包含電場(chǎng)和磁場(chǎng)的完整電磁場(chǎng)(平面波),。例如:對(duì)于30MHz,,平面波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1.5m;對(duì)于300MHz,,平面波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在 150m,;對(duì)于900MHz,平面波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在50m,。因此隨著頻率的增加,僅僅把導(dǎo)體視為電場(chǎng)或磁場(chǎng)的發(fā)射和接收器是不夠的,,如圖2 示,。
隨頻率增加的另一個(gè)效應(yīng)是:當(dāng)波長(zhǎng)(λ)與導(dǎo)體的長(zhǎng)度比擬時(shí),會(huì)發(fā)生諧振,。這時(shí)信號(hào)信號(hào)幾乎可以 100%轉(zhuǎn)換成電磁場(chǎng)(或反之),。例如,標(biāo)準(zhǔn)的振子天線僅是一段導(dǎo)線,,但當(dāng)其長(zhǎng)度為信號(hào)波長(zhǎng)的1/4 時(shí),,便是一個(gè)將信號(hào)轉(zhuǎn)變成場(chǎng)的極好的轉(zhuǎn)換器。雖然這是一個(gè)很簡(jiǎn)單的事實(shí),,但對(duì)于使用電纜及連接器的技術(shù)人員而言,,認(rèn)識(shí)到所有的導(dǎo)體都是諧振天線這一點(diǎn)很重要。顯然,,我們希望它們都是效率很低的天線,。如果假定導(dǎo)體是一個(gè)振子天線(很適合我們的目的),我們就可以利用圖3來(lái)幫助我們分析,。
圖 3 電纜長(zhǎng)度與天線效率
圖3 的縱軸表示導(dǎo)體長(zhǎng)度(單位:米),,為了便于觀察,將圖1 的頻譜復(fù)制出來(lái),。最右邊的斜線給出了導(dǎo)體成為理想天線時(shí)導(dǎo)體的長(zhǎng)度與頻率的關(guān)系,。
很明 顯,在常用的頻段內(nèi),,即使很短的導(dǎo)體也能產(chǎn)生發(fā)射和抗擾度問(wèn)題,。可以看到,,在100MHz 處,,1 米長(zhǎng)的導(dǎo)體就是很有效的天線,在1GHz 處,,100mm 的導(dǎo)體就成為很好的天線,。這個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)就是使EMC 被稱為“黑色藝術(shù)”的主要原因。
前幾年,, 日常生活中廣泛使用的頻率都較低,,典型的電纜不能成為很有效的天線,這就是為什么電氣配線“慣例”趨于過(guò)時(shí)的原因。圖17 中,,中間的斜線表示雖然導(dǎo)體沒(méi)有成為高效的天線,,但仍有可能引起問(wèn)題的導(dǎo)體長(zhǎng)度。左邊的斜線表示導(dǎo)體的長(zhǎng)度極短,,其天線效應(yīng)可忽略的情況(特別嚴(yán)格的產(chǎn)品除外),。有人說(shuō):“沒(méi)問(wèn)題,我已經(jīng)接地了”,,你聽(tīng)這話多少次了,?在EMC 業(yè)界人士中,射頻是色盲是經(jīng)常的笑話,。因此不能將傳輸射頻信號(hào)的黃/綠色導(dǎo)線(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定安全地線為黃/綠色)想象成很好的地,,并且,所有用于接地的導(dǎo)體也都是天線,。
2.3 所有電纜受其固有電阻,、電容、電感影響
暫時(shí)不考慮場(chǎng)和天線的作用,,先看下面幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子,。這些例子可以說(shuō)明:在常用的頻率范圍內(nèi),與理想狀態(tài)微小的偏差也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體上所傳輸?shù)男盘?hào)出現(xiàn)問(wèn)題,。
* 直徑1mm 的導(dǎo)線,,在160MHz 時(shí),其電阻是直流狀態(tài)時(shí)的50 倍還要多,,這是趨膚效應(yīng)的結(jié)果,,迫使67%的電流在該頻率處流動(dòng)于導(dǎo)體最外層5 微米厚度范圍內(nèi)。
* 長(zhǎng)度為25 mm,,直徑為1 mm 的導(dǎo)線具有大約1pF 左右的寄生電容,。這聽(tīng)起來(lái)似乎微不足道,但在176MHz時(shí)呈現(xiàn)大約1kO 的負(fù)載作用,。若這根25 mm 長(zhǎng)的導(dǎo)線在自由空間中,,由理想的峰-峰電壓為5V、頻率為16MHz 的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng),,則在16MHz 的十一次諧波處,,僅驅(qū)動(dòng)這根導(dǎo)線就要0.45mA 的電流。
* 連接器中的引腳長(zhǎng)度大約為10mm,,直徑為1 mm,,這根導(dǎo)體具有大約10nH 左右的自感。這聽(tīng)起來(lái)也是微不足道的,,但當(dāng)通過(guò)它向母板總線傳輸16MHz 的方波信號(hào)時(shí),,若驅(qū)動(dòng)電流為40mA,,則連接器針上的電壓跌落大約在40mV 左右,足以引起嚴(yán)重的信號(hào)完整性和/或EMC 方面的問(wèn)題,。
* 1 米長(zhǎng)的導(dǎo)線具有大約1μH 左右的電感,,當(dāng)把它用于建筑物的接地網(wǎng)絡(luò)時(shí),便會(huì)阻礙浪涌保護(hù)裝置的正常工作,。
* 濾波器的100 mm 長(zhǎng)的地線的自感可達(dá)100nH,,當(dāng)頻率超過(guò)5MHz 時(shí),會(huì)導(dǎo)致濾波器失效,。
* 4 米長(zhǎng)的屏蔽電纜,,如果其屏蔽層以長(zhǎng)度為25mm“小辮”方式端接,則在30MHz 以上的頻率就會(huì)使電纜屏蔽層失去作用,。
經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù):對(duì)于直徑2 mm 以下的導(dǎo)線,其寄生電容和電感分別是:1pF / 英寸和 1 nH/毫米(對(duì)不起沒(méi)有統(tǒng)一單位,,但這更容易記憶),。其簡(jiǎn)單的算術(shù)關(guān)系式如下:
2.4 避免使用導(dǎo)體
以上的種種分析表明:隨著頻率升高,電纜的問(wèn)題越來(lái)越多,。用它來(lái)完整地傳輸信號(hào)和防止它產(chǎn)生泄漏越來(lái)越困難,。
即使對(duì)諸如音頻之類的低頻信號(hào),電纜也開(kāi)始呈現(xiàn)越來(lái)越多的問(wèn)題,。由于所有的半導(dǎo)體器件在直到數(shù)百M(fèi)Hz的頻段(即使象LM324 之類的低速運(yùn)放)內(nèi)都具有晶體檢波器的特性,,所以電纜天線效應(yīng)會(huì)使音頻信號(hào)不知不覺(jué)地受到污染。
因此,,從以最經(jīng)濟(jì)的手段滿足 EMC 要求的角度來(lái)說(shuō),,最好徹底避免金屬電纜和連接器??梢允褂梅墙饘賹?dǎo)線進(jìn)行通信,,目前已經(jīng)有許多類似的產(chǎn)品出現(xiàn),包括:
* 光纖(更適宜非金屬導(dǎo)線場(chǎng)合)
* 無(wú)線通信(例如:Bluetooth,;局域網(wǎng))
* 紅外(例如:IrDA)
* 自由空間微波和激光通信(例如:兩建筑物之間)
許多設(shè)計(jì)人員認(rèn)為:只有采用傳統(tǒng)的電纜和導(dǎo)線才能壓縮成本,。但當(dāng)考慮到一個(gè)完整項(xiàng)目的成本、產(chǎn)品或系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性,、安裝等諸多因素時(shí),,經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn),,光纖或無(wú)線通信的總成本較低,。當(dāng)然,這時(shí)一切都晚了,。
對(duì)于信號(hào)電纜及連接器而言,,除了最簡(jiǎn)單的電子產(chǎn)品以外,,原材料價(jià)格與銷售價(jià)格沒(méi)有什么必然的聯(lián)系。對(duì)信號(hào)完整性,、EMC 兼容性,、過(guò)充電的危險(xiǎn)、高返修率的風(fēng)險(xiǎn),、質(zhì)量投訴,、產(chǎn)品滯銷等方面進(jìn)行正確的成本/效益分析是十分必要的。
設(shè)計(jì)工程師們不愿考慮他們?cè)O(shè)計(jì)出的產(chǎn)品所具有的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn),,但他們是唯一決定產(chǎn)品是否具有競(jìng)爭(zhēng)力的人(通常需求是由市場(chǎng)人員提出),。但是,如果電子工程師們一味地只考慮產(chǎn)品的功能參數(shù)和原材料價(jià)格,,那么,,他們公司將失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),同時(shí)還會(huì)承受不可預(yù)測(cè)的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn),。