頻譜利用及潛在的干擾

圖14 給出了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 15 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(mǎn)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15 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15 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?chē)碾姶艌?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16 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17 來(lái)幫助我們分析。

圖 17 電纜長(zhǎng)度與天線效率
圖17 的縱軸表示導(dǎo)體長(zhǎng)度（單位：米），為了便于觀察，將圖15 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(chēng)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(lèi)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(lèi)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(mǎn)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。可以使用非金屬導(dǎo)線進(jìn)行通信，目前已經(jīng)有許多類(lèi)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）

2.4.1 非導(dǎo)體產(chǎn)品的成本/效益分析
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)?？梢园l(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(xiāo)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(xiāo)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)。

本文地址:http://m.makelele.cn/article/80/114/2010/20100506217128.html