盡管到現(xiàn)在為止的章節(jié)主要講述了噪聲的產(chǎn)生和傳導(dǎo)，但許多電磁噪聲干擾實(shí)際上是以無(wú)線電波通過(guò)空間傳導(dǎo)的。本章講述噪聲的空間傳導(dǎo)。

噪聲的空間傳導(dǎo)可以分為兩種問(wèn)題:

一種問(wèn)題出現(xiàn)在較近距離內(nèi)(當(dāng)同一臺(tái)電子設(shè)備內(nèi)的電路彼此干擾時(shí));

另一種問(wèn)題出現(xiàn)在較遠(yuǎn)距離內(nèi)(當(dāng)噪聲發(fā)射為無(wú)線電波且干擾到旁邊的電子設(shè)備時(shí))。

這兩種問(wèn)題因距離而在降低干擾程度方面有所不同，后者的影響波及范圍更遠(yuǎn)。雖然后一個(gè)問(wèn)題根據(jù)噪聲規(guī)則對(duì)不需要的發(fā)射有限制規(guī)定，但前一個(gè)問(wèn)題對(duì)設(shè)計(jì)電子設(shè)備也很重要。

本章將首先討論電路之間的干擾(短距離問(wèn)題)，隨后講述天線理論(遠(yuǎn)距離問(wèn)題)以及如何屏蔽以防止這種問(wèn)題。

圖4-1-1 使用濾波器元件的作用和反作用

為了簡(jiǎn)化闡釋?zhuān)行┈F(xiàn)象可能通過(guò)我們獨(dú)特詮釋方法進(jìn)行極其簡(jiǎn)略的說(shuō)明。有關(guān)詳細(xì)和準(zhǔn)確的理論，請(qǐng)參閱技術(shù)資料。[參考文獻(xiàn) 1,2,3,4]。

本章的內(nèi)容涵蓋了如上圖所示的從傳輸路徑到天線的區(qū)段。類(lèi)似于前一章，會(huì)隨著闡釋逐漸引入技術(shù)術(shù)語(yǔ)和概念。

小貼士：查閱此前章節(jié)內(nèi)容，請(qǐng)點(diǎn)擊下方電子書(shū) 找正品元器件，上唯樣商城。

空間噪聲傳導(dǎo)及其應(yīng)對(duì)措施

如第1章所述，噪聲傳導(dǎo)通過(guò)導(dǎo)體和空間傳導(dǎo)而產(chǎn)生。盡管到現(xiàn)在為止講述地主要是導(dǎo)體傳導(dǎo)，但本章將講述空間傳導(dǎo)以及屏蔽這種傳導(dǎo)的靜噪對(duì)策。

1. 空間噪聲傳導(dǎo)模型和屏蔽

(1) 空間噪聲傳導(dǎo)

如圖4-2-1所示，空間噪聲傳導(dǎo)的主要機(jī)制如下：

靜電感應(yīng)

電磁感應(yīng)

無(wú)線電波的發(fā)射和接收

圖4-2-1 空間噪聲傳導(dǎo)的模型

圖4-2-1展示了噪聲是如何在電子設(shè)備內(nèi)通過(guò)空間傳導(dǎo)，最終從電纜發(fā)射出的示例?？臻g傳導(dǎo)的這三個(gè)機(jī)制也適用于電子設(shè)備外的噪聲傳導(dǎo)以及噪聲接收。

(2) 屏蔽

若要在空中屏蔽空間噪聲傳導(dǎo)，對(duì)目標(biāo)對(duì)象應(yīng)該如圖4-2-2所示進(jìn)行屏蔽。屏蔽意味著用金屬等良導(dǎo)體(或磁體)覆蓋目標(biāo)對(duì)象，屏蔽即可以應(yīng)用于噪聲源側(cè)，又可用于接收器側(cè)。盡管目標(biāo)電路在圖4-2-2中被單獨(dú)屏蔽，但也可以覆蓋整個(gè)電子設(shè)備或整個(gè)房間(稱(chēng)為屏蔽室)。

圖4-2-2 屏蔽

盡管屏蔽方法會(huì)因噪聲感應(yīng)模型而稍有不同，但其具體實(shí)施方案幾乎一樣。只要條件不是極端惡劣，即使很薄的金屬箔也可以在幾MHz的頻率范圍內(nèi)取得足夠好的效果。許多情況下均需要接地連接，且效果會(huì)因接地的優(yōu)良程度而有很大差異。

2. 靜電感應(yīng)

(1) 電場(chǎng)傳輸噪聲

通常，帶電的物體周?chē)鷷?huì)形成一個(gè)電場(chǎng)。如圖4-2-3所示這個(gè)電場(chǎng)會(huì)影響周?chē)娐返默F(xiàn)象稱(chēng)為靜電感應(yīng)。代表這個(gè)現(xiàn)象的電路圖如圖4-2-3(b)所示，其中在噪聲源和受害方之間形成了浮動(dòng)的靜電容量CS，從而形成了電流路徑。

圖4-2-3 靜電感應(yīng)

當(dāng)噪聲源電壓Vn變大且浮動(dòng)靜電容量CS變大時(shí)，靜電感應(yīng)引起的噪聲電壓V2升高。當(dāng)噪聲源和受害方之間的距離縮短且噪聲源和受害方的尺寸變大時(shí)，浮動(dòng)靜電容量CS升高。

(2) 高阻抗電路易受噪聲影響

通常浮動(dòng)靜電容量CS非常小，大約只有幾pF或更小。例如，假定間隙為10mm，并聯(lián)長(zhǎng)度為100mm，線路直徑為1mm的細(xì)線時(shí)(同時(shí)忽視基板的介電常數(shù))，如圖4-2-3(a)所示的線路間的浮動(dòng)靜電容量大約為1pF。

因此，相對(duì)整個(gè)電路來(lái)說(shuō)，圖4-2-3(b)中阻抗CS比率較大。如果作為噪聲受害方的電路阻抗Z2小于這個(gè)比率，則感應(yīng)電壓V2可通過(guò)分壓來(lái)降低。一般而言，這就是為什么高阻抗電路更容易接收噪聲的原因之一(低阻抗電路不太容易接收)。

通常，靜電感應(yīng)指的是電場(chǎng)引起的常規(guī)噪聲感應(yīng)。為了簡(jiǎn)化電路模型，我們只將重點(diǎn)放在如圖4-2-3所示的線路間浮動(dòng)靜電容量。

(3) 如何降低靜電感應(yīng)

為了降低靜電感應(yīng)，通常會(huì)采用以下措施:

增加距離(降低浮動(dòng)靜電容量)。

減小線路等的尺寸。縮短并聯(lián)線路部分的長(zhǎng)度(降低浮動(dòng)靜電容量)。

提供靜電屏蔽(用金屬板蓋住噪聲源或受害方，然后連接到地線)。

降低噪聲源的電壓(使用EMI靜噪濾波器)。

降低接收器的阻抗或靈敏度(使用EMI靜噪濾波器)。

3. 靜電屏蔽

圖4-2-4提供了靜電屏蔽的示例。接地的金屬板放在噪聲源和受害方之間，以便阻擋電場(chǎng)的效果。

圖4-2-4 靜電屏蔽

如圖4-2-4(b)所示，將噪聲旁路到地，降低了對(duì)噪聲受害方的影響。因此必須要有接地(連接到地線)。如果屏蔽高頻噪聲，則沒(méi)有必要接至大地。連接到外殼或電路的地線就足夠了。但接地阻抗應(yīng)盡量小，以便讓噪聲電流流動(dòng)順暢。

一般而言，靜電屏蔽是指對(duì)靜電電場(chǎng)的屏蔽。如果如圖4-2-4所示阻擋線路附近的高頻噪聲，就涉及到了電磁屏蔽的效果(稍后講述)。

屏蔽可同時(shí)應(yīng)用于噪聲源側(cè)和受害方側(cè)。如果屏蔽受害方側(cè)，則連接到受影響電路的地線。

4. 電磁感應(yīng)

(1) 磁場(chǎng)傳輸噪聲

通常電流流過(guò)導(dǎo)線會(huì)在導(dǎo)線周?chē)纬纱艌?chǎng)。如圖4-2-5所示這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)影響周?chē)娐返默F(xiàn)象稱(chēng)為電磁感應(yīng)。

從電路的角度看，可以認(rèn)為感應(yīng)電壓由于如圖4-2-5(b)所示兩個(gè)電路間的互感系數(shù)M而出現(xiàn)在受影響的電路內(nèi)。圖中與M相連的線圈指的是電路導(dǎo)線等形成的電流環(huán)路電感，并不代表特定的元件。

圖4-2-5 電磁感應(yīng)

類(lèi)似于靜電感應(yīng)的情形，當(dāng)噪聲源電流In變大和互感系數(shù)M變大時(shí)，電磁感應(yīng)引起的噪聲電壓V2升高。另外當(dāng)噪聲源和受害方之間的距離縮短且電流的并聯(lián)部分變大時(shí)，互感系數(shù)M也會(huì)變大。

(2) 電流環(huán)路引起問(wèn)題

衡量互感系數(shù)M的大小時(shí)需要考慮整個(gè)電流環(huán)路。例如，對(duì)于上述浮動(dòng)靜電容量示例中采用的細(xì)線(間隙10mm，并聯(lián)長(zhǎng)度100mm，直徑1mm)，只有相關(guān)部分的互感大約為40nH。

但電流始終需要返回的線路(地線等)。

例如這個(gè)返回的線路采用較長(zhǎng)的路徑，如果兩條線路距離下方的地面100mm，則互感增至約100nH。(因?yàn)檫@個(gè)估算未包括線路兩端的電路，所以在考慮兩端的電路后可能數(shù)值會(huì)更高)

相比之下，例如返回的線路采用最短的路徑，如果線路距離下方的地面1mm，則互感降低到約為0.5nH。

如上所述，互感值會(huì)因電流返回線路的布設(shè)方式而有所差異。若要降低互感，需要減少線路兩端的電路以及地面形成的電流環(huán)路總面積。

(3) 如何降低電磁感應(yīng)

為了降低電磁感應(yīng)，通常會(huì)采用以下措施:

增加距離(降低互感)。

縮小線路等的電流環(huán)路面積。電流環(huán)路應(yīng)彼此垂直(降低互感)

設(shè)置電磁屏蔽(用金屬板蓋住噪聲源或受害方)。

降低噪聲源的電流。

將EMI靜噪濾波器連接到接收器(旁通電容器，鐵氧體磁珠等)。

5. 電磁屏蔽

(1) 無(wú)需使用磁體就可以屏蔽磁場(chǎng)

電磁屏蔽的示例如圖4-2-6所示。將一個(gè)金屬板放在噪聲源和受害方之間，以便切斷穿過(guò)此金屬板的磁通量。因?yàn)榍袛啻磐康倪@種效果主要是通過(guò)流經(jīng)金屬板的渦電流實(shí)現(xiàn)的，所以金屬板不需要是磁體，但一定要流過(guò)電流。換言之，如果金屬板內(nèi)存在間隙，屏蔽效果會(huì)明顯變差。

另外還要注意的是直流電流或低頻波引起的磁場(chǎng)無(wú)法用電磁屏蔽來(lái)阻擋。這種情況需要使用磁屏蔽，后文將會(huì)講述這點(diǎn)。

圖4-2-6 電磁屏蔽

(2) 大多數(shù)情況需接地

原則上如圖4-2-6(b)的電路所示，電磁屏蔽不需要接地。但如果屏蔽了一條電纜，電纜的兩端就應(yīng)該接地。

這是因?yàn)閷⑵帘蝺?nèi)表面用作電流的返回線路，可以達(dá)到超小化電流環(huán)路面積的效果。例如，一種理想的屏蔽電纜是同軸電纜，這種電纜將外導(dǎo)體用作信號(hào)電流的返回線路。這就使得外部磁場(chǎng)的電流環(huán)路面積幾乎等于零。

在多數(shù)靜噪對(duì)策中，會(huì)同時(shí)涉及電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)。因此如果用于電磁屏蔽的金屬板接地，同時(shí)也可以用作靜電屏蔽。所以許多情形中也會(huì)將電磁屏蔽接地。

6. 無(wú)線電波的發(fā)射和接收

圖4-2-7 近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)換

(1) 距離增加時(shí)無(wú)線電波傳輸噪聲

除了靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)外，空間噪聲傳導(dǎo)還可能出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換為無(wú)線電波后，如圖4-2-7所示無(wú)線電波在空間傳播并干擾其他電路。

靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)是出現(xiàn)在較近距離內(nèi)的現(xiàn)象，感應(yīng)降低的效果與距離的平方或立方成反比。所以可以將電路彼此分隔開(kāi)。盡管經(jīng)無(wú)線電波的干擾會(huì)隨著距離而降低，但降低的程度并不大，所以噪聲可傳播的距離相對(duì)較遠(yuǎn)。

因此可以說(shuō)近距離內(nèi)的空間傳導(dǎo)主要是由電場(chǎng)或磁場(chǎng)的感應(yīng)造成的，而遠(yuǎn)距離內(nèi)的空間傳導(dǎo)主要是由無(wú)線電波的感應(yīng)造成的。

(2) 近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)

這些現(xiàn)象是發(fā)射噪聲的天線周?chē)碾姶艌?chǎng)結(jié)構(gòu)所引起的。相對(duì)靠近天線的區(qū)域稱(chēng)為近場(chǎng)，相對(duì)遠(yuǎn)離天線的區(qū)域稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)。大致而言，如圖4-2-7所示轉(zhuǎn)換的距離大約為到噪聲源的λ/2π。

轉(zhuǎn)換距離與頻率成反比。盡管10HMz的距離最遠(yuǎn)達(dá)到5m，但100MHz大約為50cm，1GHz大約為5cm。如果在常規(guī)的電子設(shè)備內(nèi)部，就需要考慮1GHz以上頻率范圍(手機(jī)和無(wú)線局域網(wǎng)等使用的頻率范圍)內(nèi)無(wú)線電波引起的感應(yīng)。

(3) 波阻抗

在空中以無(wú)線電波傳輸?shù)脑肼暤钠渲幸粋€(gè)特征是電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比例是恒定的(377歐姆)。電場(chǎng)與磁場(chǎng)的這個(gè)比率稱(chēng)為波阻抗。

對(duì)于近場(chǎng)而言，電場(chǎng)或磁場(chǎng)會(huì)有一個(gè)強(qiáng)度較高，這可能會(huì)形成熱點(diǎn)，使得波阻抗很高或很低。屏蔽效果會(huì)因此受到影響。

由于遠(yuǎn)場(chǎng)的波阻抗是恒定的，所以屏蔽效果穩(wěn)定。

(4)天線

發(fā)送和接收無(wú)線電波的電路稱(chēng)為天線。要實(shí)現(xiàn)噪聲抑制，就需要制造一個(gè)盡量不發(fā)射也不接收電波的電路。這意味著設(shè)計(jì)的電路不應(yīng)該形成有效的天線。近場(chǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)和天線將在后文獨(dú)立的章節(jié)內(nèi)進(jìn)一步講述。

(5) 將電磁屏蔽用于屏蔽

如上所述，使用電磁屏蔽來(lái)屏蔽無(wú)線電波。這意味著電磁屏蔽會(huì)同時(shí)阻擋高頻磁場(chǎng)和電場(chǎng)。電磁屏蔽的效果將在獨(dú)立的章節(jié)內(nèi)講述。

7. 磁屏蔽

電磁屏蔽對(duì)包括直流磁場(chǎng)交流電源等超低頻磁場(chǎng)沒(méi)有任何效果。這種情況下，可采用磁屏蔽。

磁屏蔽會(huì)如圖4-2-8所示用磁體包圍目標(biāo)對(duì)象，將磁力線旁路引至磁體內(nèi)，從而降低了目標(biāo)對(duì)象周?chē)拇艌?chǎng)。為了改善旁路效果，需要使用導(dǎo)磁率較大的更厚材料。

圖4-2-8 磁屏蔽(概念圖)

8. 如何讓屏蔽更輕

(1) 難以制造完美的屏蔽

為了完全阻擋空間傳導(dǎo)(目標(biāo)不低于40 dB)，如圖4-2-9所示需要用屏蔽材料覆蓋住目標(biāo)對(duì)象的所有外圍。但屏蔽的部件大，重量和成本就是問(wèn)題。

圖4-2-9 屏蔽配置

如圖4-2-3和圖4-2-5所示，即使只是在中間放置屏蔽板或是在極端的情況下，將地線敷設(shè)到有問(wèn)題的線路兩端(稱(chēng)為防護(hù)線)，也具有一定程度的屏蔽效果。但這種不完整的屏蔽預(yù)期只能達(dá)到超高約10dB的效果。

(2) 消除導(dǎo)體傳導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的噪聲

電路需要一根天線來(lái)發(fā)射和接收噪聲。如果可以在這根天線和電路之間插入EMI靜噪濾波器來(lái)消除噪聲，就可以消除噪聲導(dǎo)體傳導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的噪聲，因此不需要屏蔽。

圖4-2-10 使用EMI靜噪濾波器抑制空間傳導(dǎo)

盡管通常將采用電容器和線圈的低通濾波器用作EMI靜噪濾波器，但各元件對(duì)噪聲抑制的優(yōu)勢(shì)會(huì)因噪聲感應(yīng)機(jī)制而有所差異。

(3) 靜電感應(yīng)濾波器

例如，如圖4-2-11所示的靜電感應(yīng)，假定由于調(diào)和噪聲的浮動(dòng)靜電容量CS的靜電容量較小，而使得電路阻抗非常高。這種情況下，旁路電容器要比鐵氧體磁珠等阻抗元件更有優(yōu)勢(shì)。

圖4-2-11 對(duì)靜電感應(yīng)有效的濾波器配置示例

(4) 電磁感應(yīng)濾波器

對(duì)于如圖4-2-12所示的電磁感應(yīng)，重點(diǎn)是降低噪聲源側(cè)的電流以及噪聲接收器側(cè)的電壓。阻抗元件對(duì)降低電流有優(yōu)勢(shì)，而旁路電容器則有利于降低電壓。

上述闡釋只是定性分析，阻抗的水平會(huì)因頻率而異。但在考慮噪聲感應(yīng)機(jī)制的情形下選擇電路，可以有效實(shí)施噪聲抑制。

圖4-2-12 對(duì)電磁感應(yīng)有效的電路配置示例

空間噪聲傳導(dǎo)及其應(yīng)對(duì)措施的重點(diǎn)內(nèi)容

√ 靜電感應(yīng)是由電壓引起的。

√ 電磁感應(yīng)是由電流引起的。

√ 在相對(duì)遠(yuǎn)的距離內(nèi)會(huì)經(jīng)無(wú)線電波產(chǎn)生感應(yīng)。

√ 屏蔽用于阻擋上述感應(yīng)。

√EMI靜噪濾波器用于導(dǎo)體傳導(dǎo)的區(qū)域內(nèi)，無(wú)需任何屏蔽就能阻擋感應(yīng)。

審核編輯：湯梓紅