RE理論分析之干擾源
轉自公眾號：電磁兼容EMC
前言
RE實驗是EMC實驗中非常容易出問題的一類實驗，幾乎每一款產品都會存在輻射超標的問題，而RE實驗的整改也往往是非常耗費時間的，沒有一個清晰的，系統性的整改思路，往往會使問題反反復復。下面介紹一些理論知識及分析方法。
電磁干擾問題包含三要素，即干擾源，干擾路徑和敏感設備。在RE測試中，接收機就是敏感設備，接收測試樣件內部產生的并且由空間（干擾路徑）輻射出來的電磁波，再參考相應的產品標準來判斷是否通過試驗。分析輻射發射問題可以從三要素角度分析，去掉其中一個要素就可以解決輻射發射的問題。今天主要介紹干擾源。
1．輻射是如何產生的？
產生電磁輻射的兩個必要條件是時變驅動源和天線。
由奧斯特實驗可知，磁場是由電流產生的，通電導線周圍會產生磁場，磁場正比于電流，反比于離開導體的距離且磁場方向與電流方向有關。所以需要注意的是輻射發射中的時變驅動源指的是時變電流源，電流可以產生磁場，而電壓不能。
按照麥克斯韋的電磁場理論,變化的電場產生磁場，周期性變化的電場產生同頻率的周期性變化的磁場。變化的電場和磁場總是相互聯系的,形成一個不可分離的統一的場，這就是電磁場；電磁場由近及遠地傳播，就形成電磁波。電磁波具有3個基本量：幅值、頻率和相位。
電磁波的傳播速度是光速，C=λf，C=3*108m/s，f為頻率，單位Hz, λ指波長，單位是m。
在低頻的電磁振蕩中，電磁之間的相互作用比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有輻射出去；在高頻的電磁振蕩中，電磁互變很快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能和磁能隨著電場和磁場的周期變化會以電磁波的形式向空間傳播出去，這就是一種輻射。
根據天線理論，當天線的長度與波長相當，則更容易產生電磁波。例如：數米長的電源線，會產生30-300MHz的輻射，在30MHz以下頻帶，因波長較長，當電源線中流過同樣的電流，也不會產生輻射太強的電磁波，故30MHz以下頻帶都是傳導干擾。
總之，當設備的導線長度比波長短時，也就是驅動電流是低頻電流時，主要問題是傳導干擾，當設備的導線長度比波長長時，也就是驅動電流是高頻時，主要問題的輻射問題。
2.輻射中的兩種天線
2.1 環等效天線
在RE測試中，測試的實質就是測試產品中兩種等效天線所產生的輻射信號，第一種等效天線是由信號環路等效的環天線，環路是產生輻射的等效天線，輻射產生的源頭是環路中流動的電流信號，這種信號通常是正常工作信號，它是一種差模信號，如時鐘信號。當環路中的信號是交變的，變化的電場產生磁場，那么信號所在的環路就會產生輻射，這種輻射也叫差模輻射，PCB上的很多電流環都可以構成這種輻射，也叫PCB的差模輻射。如果在環路面積為S的環路中流動著電流強度為I，頻率為F的信號，那么在自由空間中，距離環路D處所產生的輻射強度為：
E=1.3SIF2/D
上式中，E為電場強度，單位uV/m；S為環路面積，單位為cm2；I為電流強度，單位為A；F為信號頻率也叫電流頻率，單位為MHz；D為距離，單位為m。產生的輻射大小與信號的頻率，電流強度，環路面積以及距離環路的距離有關。
注意：這里的電流是指信號的工作電流，如果要求n次諧波的輻射，電流要用n次諧波的電流，n次諧波的電流為：In=0.45*I/n。
控制方法：
1.在不影響信號完整性的情況下，盡量采用小電流驅動；
2. 信號頻率的影響較大，盡量調低；
3. 控制高頻電流的環路面積，特別是DCDC部分，輸出電流較大，可采用調頻DCDC，講頻率倍頻點，調節出測試范圍，根據實際情況而定；
4. 優化地平面，控制信號回流路徑，減小環路面積。
對于差模干擾，一般最常見的情況就是DCDC電路，設計時要注意控制頻率，大電流環路。
2.2 案例分析一
舉個例子：某產品，標準要求過class4標準，RE測試時，屏幕背光的DCDC輻射超標，開關頻率為2.1MHz，可以看到，周期性的毛刺疊加在輻射較高的包絡上，疊加后超過限值，展開波形可以發現，周期性的高頻信號頻率恰好是2.1MHz，實測結果如下圖：
整改前
由 E=1.3SIF2/D可以看出，頻率的影響最大，降低開關頻率為400KHz后，疊加在包絡上的周期性信號消失，超標點合格如下圖：
整改后
2.3 單極或偶極等效天線
第二類等效天線是單極天線或偶極子天線，是由產品中的線纜或其他尺寸較長的導體構成。驅動電流通常是共模電流，是系統的地與接地平面（大地）之間的電壓降造成。此類由共模電流導致的輻射通常稱為共模輻射，如下圖：
在地平面上長度為L的天線，在距離為r的點測到的電場強度為：
當F≥30MHz，D≥1m并且L＜λ/2時，
E=0.63fIL/D
當L≥λ/2時，
E=60*I/D
上式中，電場強度單位為μV/m；頻率f的單位為Hz；電流I單位為A，表示電纜上的共模電流，長度L為電纜長度，單位為m, 距離D的單位為m。產生輻射的大小與頻率，天線長度，共模電流大小有關。共模電流的大小是關鍵。
控制方法：
1.減小共模電流，減小地上的驅動電壓，也就是減小輸出接口處地平面的噪聲，優化地平面的設計；
2.電纜線束屏蔽，并注意屏蔽層的接地；
3.對外的接口電路采用共模電感或電阻降低共模電流；
4.接口采用去耦電容，分流輸出到線纜上的共模電流；
5.特殊線束的阻抗匹配，比如USB線束；
6.電路設計中盡量避免高頻信號干擾到外部的電源線纜，設計PCB時高頻與低頻區域分開；
7.注意連接器的選型，屏蔽線與PCB板的接地良好；
8.合理分配連接器上的接地引腳，提供良好的信號回流路徑，注意連接的引腳間的互感；
9.控制充當天線的線束，金屬外殼的長度。
注意：信號電流大小，頻率，測試距離都一致的情況下，共模輻射要遠遠大于差模輻射，差模電流需要比共模電流大1000倍以上才會產生相同的輻射，所以在產品設計初期需要充分考慮共模輻射的影響，重點要減小共模電流。
也就是減少信號地與真正的大地之間的電流，有交變的驅動電流沒有完全回到信號源端的地，而是從線束泄露到大地上，就會造成嚴重的輻射現象。
2.4 案例分析二
舉個例子：假設一產品的架構由兩塊PCB，PCB由連接器直接對接，其中主板PCB上接有一條通信線纜，PCB之間的連接器間距2mm，長度2cm，連接器中傳輸的信號最高頻率25MHz，電平為2.5V，工作電流為25mA。高頻電流流過連接器，在連接器上形成一個0.4的高頻電流環，如圖所示：
信號頻率25MHz，5倍頻為125MHz，該信號在125MHz處的諧波電流為I5：
I5=0.45*25mA/5=2.25 mA
此環路在125MHz頻率下，距離環路3m處產生的差模輻射電場場強為：
E=1.3SIF2/D=1.3*0.4*0.00225*125*125/3=18.2μV/m
轉化為分貝值，轉化公式為：由dB=20lgV得，dBμV/m=20lgμV/m=20lg18.2=25.20143 dBμV/m。
在這個產品設計中，由環路導致的差模輻射為25.2 dBμV/m，其實除了差模輻射外，這個產品還有共模輻射產生，PCB1和PCB2之間高速的信號通信時，當PCB2上有高速信號25MHz流向PCB1時，GND1上產生一個高速的回流信號流向GND2，所以PCB1和PCB2之間存在一個電位差△U，如圖所示:
△U=I*RL=I*2πFL，F是5倍頻信號的頻率125MHz，L是2cm長的連接器pin針的寄生電感，約為20nH(估算為10nH/cm), I為5次諧波電流I5=2.25mA, RL是電感的等效阻抗，在125MHz頻率下，GND1和GND2之間產生的電壓差:
△U=2πFLI=2*3.14*125MHz*20nH*2.25mA=35mV
△U通過線纜對參考地的等下電阻Zc和GND1對參考地的寄生電容C構成了共模電流的回路。在回路中，共模電流流過線纜，當線纜長度與信號波長可以相比擬時，就會產生輻射。
假設GND1的面積為10cm*8cm，GND1到參考地的距離一般為0.8m,寄生電容估算為3pF。
電路板或金屬外殼與參考大地之間的寄生電容，可用如下公式估算：
Ctotal=Cplates+Cintrinsic
Cplates=ε0* S/d
Cintrinsic=4πε0*D
式中：
Ctotal為總寄生電容，單位為pF；
Cplates為平面電容，單位為pF；
Cintrinsic為固有電容，單位為pF；
ε0 為真空介電常數，8.85×10（-12方）單位F/m；
S為金屬板或電路板的表面積，單位為m2；
d為金屬板或電路板到參考大地之間的間距，單位為m；
D為金屬板或電路板的等效對角線，單位為m;
對于表面積為S，對角線長度為D的浮地設備，寄生電容可用下面式子近似計算：
Cintrinsic=35D
Cplates=9S/d
GND1對參考大地的寄生電容：D=0.128,S=0.1*0.08=0.008，d=0.8m
Cintrinsic=35D=4.48pF
Cplates=9S/d=0.09pF
Ctotal=Cplates+Cintrinsic=4.57pF
線纜對地的阻抗約為150-250Ω之間，它是由電纜的寄生電感Lc和對地的寄生電容Cc決定，其中Lc=1μH/m,Cc=20-50pF/m之間，Zc==150-250Ω。
在125MHz下流過電纜的共模電流為流過GND2對地的寄生電容C的電流：
Icm5=2π*F5*C*△U5=2π*125*4.57*35mV=124.9μA
當電纜長度大于信號波長一半時，線纜在自由空間產生的輻射場強為：
E=60*I/D=60* Icm5/D=60*124.9/3=2498μV/m，換算成分貝值為67.95dBμV/m。
該產品設計中由124.9μA的共模電流在3米場測試中，經由線纜產生的共模輻射遠遠要大于產品中的共模輻射，在產品設計中，需要重點關注共模電流帶來的影響，降低連接器阻抗和GND1對地的寄生電容是關鍵，增加連接器接地的pin數可以降低連接器之間的阻抗。給產品增加金屬外殼可以減小GND1對地的寄生電容。
3 小結
產品中產生輻射的兩種情況，一種是正常工作的差模信號構成環天線，造成PCB板級的輻射，注意控制信號的頻率，電流大小及環路面積。第二種就是由地電位差造成的共模電流，當外接線纜長度與信號波長相近時會由線纜產生共模輻射，共模輻射相比于差模輻射往往更嚴重。
在設計過程中需要更加注意共模電流的大小，路徑，盡量避免共模電流由線纜泄露，造成嚴重的輻射。
