電磁兼容性或電磁兼容（EMC） 是在電學(xué)中研究意外電磁能量的產(chǎn)生、傳播和接收，以及這種能量所引起的有害影響。目標(biāo)是在相同環(huán)境下，涉及電磁現(xiàn)象的不同設(shè)備都能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且不對(duì)此環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生難以忍受的電磁干擾之能力。下面分幾部分詳細(xì)介紹。

2、 電磁騷擾的常用單位

騷擾的單位通用分貝來(lái)表示，分貝的原始定義為兩個(gè)功率的比：

通常用 dBm 表示功率的單位，dBm 即是功率相對(duì)于 1mW 的值：

通過(guò)以下的推導(dǎo)可知電壓由分貝表示為（注意有一個(gè)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(duì)于 1uV 的值。

對(duì)于輻射騷擾通常用電磁場(chǎng)的大小來(lái)度量，其單位是 V/m。通常用的單位是dBuV/m。

當(dāng)信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，信號(hào)路徑與返回路徑之問(wèn)將產(chǎn)生電場(chǎng)，圍繞在信號(hào)路徑和返回路徑周圍也有磁場(chǎng)。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(jiàn)，這些場(chǎng)并不僅僅局限于微帶線的正下方，而是會(huì)延伸到周圍的空間。這些延伸出去的場(chǎng)稱為邊緣場(chǎng)。

邊緣場(chǎng)

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(yīng)使電流變化的幅度和速率盡量小；

被干擾系統(tǒng)應(yīng)該具有高阻抗；

2）減少兩個(gè)系統(tǒng)的互感，為此讓導(dǎo)線盡量短，間距盡量大，避免平行走線，采用雙線結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)縮小電流回路所圍成的面積；

3）對(duì)于干擾源或干擾對(duì)象設(shè)置磁屏蔽，以抑制干擾磁場(chǎng)。

4）采用平衡措施，使干擾磁場(chǎng)以及耦合的干擾信號(hào)大部分相互抵消。如使被干擾的導(dǎo)線環(huán)在干擾場(chǎng)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(hào)最小；另外如將干擾源導(dǎo)線平衡絞合，可將干擾電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消。

4、輻射干擾

a. 近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)

干擾通過(guò)空間傳輸實(shí)質(zhì)上是干擾源的電磁能量以場(chǎng)的形式向四周空間傳播。場(chǎng)

可分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)又稱感應(yīng)場(chǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)又稱輻射場(chǎng)。判定近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的準(zhǔn)則

是以離場(chǎng)源的距離 r 也定的。

r>λ/2π ? ? ?則為遠(yuǎn)場(chǎng)

r<λ/2π ? ? ?則為近場(chǎng)

我們常用波阻抗來(lái)描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)的關(guān)系，波阻抗定義為

Zo=E/H

在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向垂直并且都和傳播方向垂直稱為平面波，電場(chǎng)和磁場(chǎng)

的比值為固定值，為 Zo=120∏=377 歐。下圖為波阻抗與距離的關(guān)系。

差模干擾（Differential-mode）：兩導(dǎo)線上的干擾電流，振幅相等，方向相反

稱為差模干擾。

共模(Common mode)是指存在于兩根或多根導(dǎo)線中，流經(jīng)所有導(dǎo)線的電流都是同極性的，差模(Differential mode)是指在導(dǎo)線對(duì)上的電流極性是相反的。

共模干擾的干擾電流在電纜中的所有導(dǎo)線上幅度／相位相同，它在電纜與大地之間形成回路流動(dòng)，見(jiàn)圖(a)。差模干擾的干擾電流在信號(hào)線與信號(hào)地線之間流動(dòng)，見(jiàn)圖(b)。

由于共模干擾與差模干擾的干擾電流在電纜上的流動(dòng)方式不同，對(duì)這兩種干擾電流的濾波方法也不相同。因此在進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)之前必須了解所面對(duì)的干擾電流的類型。

2 ?PCB的輻射與線纜的輻射

1、PCB輻射

?

PCB 上有許多信號(hào)環(huán)路，由中有差模電流環(huán)也有共模電流環(huán)，計(jì)算其輻射強(qiáng)

度時(shí)，可等效為環(huán)天線，輻射強(qiáng)度由下式計(jì)算：

2、線纜的輻射

計(jì)算線纜的輻射強(qiáng)度時(shí)，將其等效為單極天線，其輻射強(qiáng)度由下式計(jì)算：

以上兩式可以看出線纜的輻射效率遠(yuǎn)大于 PCB 的輻射效率。

第三部分 ? 電磁屏蔽理論

1、 屏蔽效能的感念

屏蔽是利用屏蔽體來(lái)阻擋或減小電磁能傳輸?shù)囊环N技術(shù)，是抑制電磁干擾的重

要手段之一。屏蔽有兩個(gè)目的，一是限值內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出該內(nèi)部區(qū)

域，二是防止外來(lái)的輻射干擾進(jìn)入某一區(qū)域。

電磁場(chǎng)通過(guò)金屬材料隔離時(shí)，電磁場(chǎng)的強(qiáng)度將明顯降低，這種現(xiàn)象就是金屬材

料的屏蔽作用。我們可以用同一位置無(wú)屏蔽體時(shí)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度與加屏蔽體之后

電磁場(chǎng)的強(qiáng)度之比來(lái)表征金屬材料的屏蔽作用，定義屏蔽效能（Shielding

Effectiveness，簡(jiǎn)稱 SE）：

2、屏蔽體上孔縫的影響

實(shí)際上，屏蔽體上面不可避免地存在各種縫隙、開(kāi)孔以及進(jìn)出電纜等各種缺陷，這些缺陷將對(duì)屏蔽體的屏蔽效能有急劇的劣化作用。

上節(jié)中分析的理想屏蔽體在 30MHz 以上的屏蔽效能已經(jīng)足夠高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)工程實(shí)際的需要。真正決定實(shí)際屏蔽體的屏蔽效能的因素是各種電氣不連續(xù)缺陷，包括：縫隙、開(kāi)孔、電纜穿透等。

屏蔽體上面的縫隙十分常見(jiàn)，特別是目前機(jī)柜、插箱均是采用拼裝方式，其縫隙十分多，如果處理不妥，縫隙將急劇劣化屏蔽體的屏蔽效能。

由于輻射源分為近區(qū)的電場(chǎng)源、磁場(chǎng)源和遠(yuǎn)區(qū)的平面波，因此屏蔽體的屏蔽性能依據(jù)輻射源的不同，在材料選擇、結(jié)構(gòu)形狀和對(duì)孔縫泄漏控制等方面都有所不同。在設(shè)計(jì)中要達(dá)到所需的屏蔽性能，則需首先確定輻射源，明確頻率范圍，再根據(jù)各個(gè)頻段的典型泄漏結(jié)構(gòu)，確定控制要素，進(jìn)而選擇恰當(dāng)?shù)钠帘尾牧?，設(shè)計(jì)屏蔽殼體。

綜上所述，孔縫抑制的設(shè)計(jì)要點(diǎn)歸納為：

（1）合理選擇屏蔽材料；

（2）合理設(shè)計(jì)安裝互連結(jié)構(gòu)。

2、孔洞泄露的評(píng)估

機(jī)箱上不可避免地會(huì)有各種孔洞，這些孔洞最終決定了屏蔽體的屏蔽效能（假設(shè)沒(méi)有電纜穿過(guò)機(jī)箱）。一般可以認(rèn)為，屏蔽機(jī)箱在低頻時(shí)的屏蔽效能主要取決于制造屏蔽體的材料，在高頻時(shí)的屏蔽效能主要取決于機(jī)箱上的孔洞和縫隙。當(dāng)電磁波入射到一個(gè)孔洞時(shí)，孔洞的作用是相當(dāng)于一個(gè)偶極天線。當(dāng)縫隙的長(zhǎng)度達(dá)到1/2時(shí)，其輻射效率最高（與縫隙的寬度無(wú)關(guān)）。也就是說(shuō)，它可以入射到縫隙的全部能量輻射出去，如圖所示。

圖??孔縫的電磁泄漏

在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，如果孔洞的最大尺寸L小于λ/2，一個(gè)厚度為0的材料上的縫隙的屏蔽效能為：

如果L大于λ/2，則SE=0（dB）。

式中SE──屏蔽效能（dB）；

L──孔洞的長(zhǎng)度（mm）；

H──孔洞的寬度（mm）；

f──入射電磁波的頻率（MHz）。

這個(gè)公式計(jì)算的是最壞情況下（造成最大泄露的極化方向）的屏蔽效能，實(shí)際情況下屏蔽效能可能會(huì)更高一些。

在近場(chǎng)區(qū)，孔洞的泄露還與輻射源是磁場(chǎng)源有關(guān)。當(dāng)輻射源是電場(chǎng)源時(shí)，孔洞的泄露比遠(yuǎn)場(chǎng)?。ㄆ帘涡芨撸欢?dāng)輻射源是磁場(chǎng)源時(shí)，孔洞的泄露比遠(yuǎn)場(chǎng)大（屏蔽效能低）。對(duì)于不同電路阻抗Zc的輻射源，計(jì)算公式如下：

若ZC＞（7.9/Df）：（電場(chǎng)源）

若ZC＜（7.9/Df）：（電場(chǎng)源）

式中SE──屏蔽效能（dB）；

L──孔洞的長(zhǎng)度（mm）；

H──孔洞的寬度（mm）；

f──入射電磁波的頻率（MHz）。

這個(gè)公式計(jì)算的是最壞情況下（造成最大泄漏的極化方向）的屏蔽效能，實(shí)際情況下屏蔽效能可能會(huì)更高一些。

需要注意的問(wèn)題是，對(duì)于磁場(chǎng)輻射源，孔洞在近場(chǎng)區(qū)的屏蔽效能與電磁波的頻率沒(méi)有關(guān)系，也就是說(shuō)，很小的孔洞也可能導(dǎo)致較大的泄漏。這時(shí)影響屏蔽效能的一個(gè)更重要參數(shù)是孔洞到輻射源的距離?？锥淳嚯x輻射源越近，泄漏越大。這個(gè)特點(diǎn)往往導(dǎo)致屏蔽體發(fā)生意外的泄漏。因?yàn)樵谄帘误w上開(kāi)孔的一個(gè)目的是通風(fēng)散熱，這意味著會(huì)很自然地將孔洞設(shè)計(jì)在靠近發(fā)熱源附近，而發(fā)熱源往往是大電流的載體，在其周圍有較強(qiáng)的磁場(chǎng)。結(jié)果，無(wú)意識(shí)地將孔洞開(kāi)在強(qiáng)磁場(chǎng)輻射源的附近。因此，在設(shè)計(jì)中，要注意孔洞和縫隙要遠(yuǎn)離電流載體，例如線路板、電纜、變壓器等。

當(dāng)N個(gè)尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距較近（距離小于λ/2）時(shí)，孔洞陣列的屏蔽效能會(huì)下降，下降數(shù)值為10lgN。

因?yàn)榭锥吹妮椛溆蟹较蛐?，因此在不同面上的孔洞不?huì)明顯增加泄漏，利用這個(gè)特點(diǎn)可以在設(shè)計(jì)時(shí)將孔洞放在屏蔽機(jī)箱的不同面，避免某一個(gè)面的輻射過(guò)強(qiáng)。

3 電纜的屏蔽設(shè)計(jì)

如果導(dǎo)體從屏蔽體中穿出去，將對(duì)屏蔽體的屏蔽效能產(chǎn)生顯著的劣化作用。這種穿透比較典型的是電纜從屏蔽體中穿出。

電纜穿透的作用是將屏蔽體內(nèi)外通過(guò)導(dǎo)線連通，等效于兩個(gè)背靠背的天線，對(duì)屏蔽體的屏蔽有極大的影響。

為了避免電纜穿透對(duì)屏蔽體的影響，可以從幾個(gè)方面采取措施：

1）采用屏蔽電纜時(shí)，屏蔽電纜在出屏蔽體時(shí)，采用夾線結(jié)構(gòu)，保證電纜屏蔽層與屏蔽體之間可靠接地，提供足夠低的接觸阻抗。

2）采用屏蔽電纜時(shí)，用屏蔽連接器轉(zhuǎn)接將信號(hào)接出屏蔽體，通過(guò)連接器保證電纜屏蔽層的可靠接地。

3） 采用非屏蔽電纜時(shí)，采用濾波連接器轉(zhuǎn)接，保證電纜與屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。

4） 采用非屏蔽電纜時(shí)，電纜在屏蔽體的內(nèi)側(cè)（或者外側(cè)）要足夠短，使干擾信號(hào)不能有效地耦合出去，從而減小了電纜穿透的影響。

5） 電源線通過(guò)電源濾波器出屏蔽體，保證電源線與屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。

第四部分 接地設(shè)計(jì)

接地是抑制電磁干擾、提高電子設(shè)備電磁兼容性的重要手段之一。正確的接地

既能抑制干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外輻射干擾；反之錯(cuò)誤的接地反而會(huì)引

入嚴(yán)重的干擾，甚至使電子設(shè)備無(wú)法正常工作。

1、接地的概念

電子設(shè)備中的“地”通常有兩種含義：一種是“大地”，另一種是“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”。接地就是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)電位基準(zhǔn)間建立低阻的導(dǎo)電通路?！敖哟蟮亍本褪且缘厍虻碾娢蛔鳛榛鶞?zhǔn)，并以大地作為零電位，把電子設(shè)備的金屬外殼、線路選定點(diǎn)等通過(guò)接地線、接地極等組成的接地裝置與大地相連接。

“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”是指信號(hào)回路的基準(zhǔn)導(dǎo)體（電子設(shè)備通常以金屬底座、機(jī)殼、屏蔽罩或粗銅線、銅帶作為基準(zhǔn)導(dǎo)體），并設(shè)該基準(zhǔn)導(dǎo)體電位為相對(duì)零電位，但不是大地零電位，簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)地。

接地的目的有兩個(gè)：一是為了安全，稱為保護(hù)接地。電子設(shè)備的金屬外殼必須接大地，這樣可以避免因事故導(dǎo)致金屬外殼上出現(xiàn)過(guò)高對(duì)地電壓而危及操作人員和設(shè)備的安全。二是為電流返回其源提供低阻抗通道。

2 ?接地的種類

實(shí)際上，各種地線都存在電氣上或是物理上的聯(lián)系，不一定有明確的劃分。在地系統(tǒng)中，有時(shí)一個(gè)地既承擔(dān)保護(hù)地，又承當(dāng)防雷地的作用；或既承擔(dān)工作地，又承當(dāng)保護(hù)地的作用。而不同功能的地連接，針對(duì)的電氣對(duì)象不同，其處理方式的側(cè)重點(diǎn)還會(huì)有所差異。

a. 保護(hù)接地

保護(hù)接地是為了保護(hù)設(shè)備、裝置、電路及人身的安全，防止雷擊、靜電損壞設(shè)備，或在設(shè)備故障情況下，保護(hù)人身安全。因此在設(shè)備、裝置、電路的底盤(pán)及金屬機(jī)殼一定要采取保護(hù)接地。

保護(hù)地保護(hù)原理是：通過(guò)把帶故障電壓的設(shè)備外殼短路到大地或地線端，保護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的短路電流使熔絲或空氣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備和人員安全的作用。

b. 工作接地

工作地是單板、母板或系統(tǒng)之間信號(hào)的等電位參考點(diǎn)或參考平面，它給信號(hào)回流提供了低的阻抗通道。信號(hào)質(zhì)量很大程度上依賴于工作接地質(zhì)量的好壞。由于受接地材料特性和其他技術(shù)因素的影響，接地導(dǎo)體的連接或搭接無(wú)論做的如何好，總有一定的阻抗，信號(hào)的回流會(huì)在工作地線上產(chǎn)生電壓降，形成地紋波，對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響；信號(hào)越弱，信號(hào)頻率越高，這種影響就越嚴(yán)重。盡管如此，在設(shè)計(jì)和施工中最大限度地降低工作接地導(dǎo)體的阻抗仍然是非常重要的。

第五部分 ?濾波設(shè)計(jì) ? ?

1、 濾波電路的基本概念 ?

濾波電路是由電感、電容、電阻、鐵氧體磁珠和共模線圈構(gòu)成的頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)，低通濾波器是電磁兼容抑制技術(shù)中普遍應(yīng)用的濾波器。為了減小電源和信號(hào)線纜對(duì)外輻射，接口電路和電源電路必須進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)。

濾波電路的效能取決于濾波電路兩邊的阻抗特性，在低阻抗電路中，簡(jiǎn)單的電感濾波電路可以得到 40dB 的衰減，而在高阻抗電路中，幾乎沒(méi)有作用；在高阻抗電路中，簡(jiǎn)單的電容濾波電路可以得到很好的濾波效果，在低阻抗電路中幾乎不起作用。在濾波電路設(shè)計(jì)中，電容靠近高阻抗電路設(shè)計(jì)，電感靠近低阻抗電路設(shè)計(jì)。

電容器的插入損耗隨頻率的增加而增加，直到頻率達(dá)到自諧振頻率后，由于在導(dǎo)線和電容器電極的電感在電路上與電容串聯(lián)，于是插入損耗開(kāi)始下降。

編輯：黃飛