EMC 設計技術

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範圍，包括交流電源頻率、音頻、長、中、短波收音機佔有的頻段、調頻及電視廣播、蜂窩電話常用的900MHz 及1.8GHz。但實際的頻譜遠比這擁擠得多，9KHz 以上的頻段幾乎都被用於特定的場合。隨著微波技術廣泛應用於日常生活，該圖中所示的頻率也很快將擴展至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備所發射的。
 
圖15 疊加我們產生的干擾后的頻譜
    交流電源整流器件在基頻至相當高的諧波頻率範圍內均可發射開關雜訊，具體情況取決於這些器件的功率。5 千伏安左右的電源（線性或開關模式）由於其50 或60Hz 橋式整流所產生的開關雜訊，通常在數MHz 頻率以下不能滿足傳導發射的限制要求。可控硅直流電機驅動裝置及交流移相控制系統所產生的雜訊也大致如此。這些雜訊極易干擾中長波和部分短波廣播。
    開關電源的工作基頻一般在2kHz 至500kHz 之間。開關電源在其工作頻率1000 倍的頻率處仍具有很強的發射是常見的。圖15 給出了個人計算機中常用的頻率為70kHz 的開關電源的發射頻譜。這將干擾包括調頻廣播在內的廣播通信。圖15 中還給出了由16MHz 時鐘微處理器或微控制器產生的典型發射頻譜。這些器件的發射通常會在200MHz 甚至更高的頻率超過發射極限值。目前，由於個人計算機採用400MHz 甚至1GHz 以上的時鐘頻率，因此數字技術必然會對高端頻譜產生干擾。
    之所以會發生以上各種現象，是因為所有導體都是天線。它們把傳輸的電能轉變成電磁場，然後泄漏到廣闊的環境中。同時，它們也能把其周圍的電磁場轉變成傳導電信號。這是放之四海而皆準的真理。因此，導體是信號產生輻射發射的主要原因，也是外來場使信號受到污染的原因（敏感度和抗擾度）。

2.2 導體的泄漏與天線效應
    電場（E）由導體上的電壓產生，磁場（M）由環路中流動的電流產生。導體上的各種電信號均可產生磁場和電場，因此，所有導體都可將其上的電信號泄漏至外部環境中，同時也將外部場導入信號中。
    在遠大於所關心頻率的波長（λ）的1/6 處，電場和磁場匯合成包含電場和磁場的完整電磁場（平面波）。例如：對於30MHz，平面波的轉折點在1.5m；對於300MHz，平面波的轉折點在150m；對於900MHz，平面波的轉折點在50m。因此隨著頻率的增加，僅僅把導體視為電場或磁場的發射和接收器是不夠的，如圖16 示。
 
   隨頻率增加的另一個效應是：當波長（λ）與導體的長度比擬時，會發生諧振。這時信號信號幾乎可以100%轉換成電磁場（或反之）。例如，標準的振子天線僅是一段導線，但當其長度為信號波長的1/4 時，便是一個將信號轉變成場的極好的轉換器。
    雖然這是一個很簡單的事實，但對於使用電纜及連接器的技術人員而言，認識到所有的導體都是諧振天線這一點很重要。 顯然，我們希望它們都是效率很低的天線。如果假定導體是一個振子天線（很適合我們的目的），我們就可以利用圖17 來幫助我們分析。
 
圖17 電纜長度與天線效率
    圖17 的縱軸表示導體長度（單位：米），為了便於觀察，將圖15 的頻譜複製出來。最右邊的斜線給出了導體成為理想天線時導體的長度與頻率的關係。
    很明顯，在常用的頻段內，即使很短的導體也能產生髮射和抗擾度問題。可以看到，在100MHz 處，1 米長的導體就是很有效的天線，在1GHz 處，100mm 的導體就成為很好的天線。這個簡單的事實就是使EMC 被稱為“黑色藝術”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，這就是為什麼電氣配線“慣例”趨於過時的原因。
    圖17 中，中間的斜線表示雖然導體沒有成為高效的天線，但仍有可能引起問題的導體長度。左邊的斜線表示導體的長度極短，其天線效應可忽略的情況（特別嚴格的產品除外）。有人說：“沒問題，我已經接地了”，你聽這話多少次了？在EMC 業界人士中，射頻是色盲是經常的笑話。因此不能將傳輸射頻信號的黃/綠色導線（美國標準中規定安全地線為黃/綠色）想象成很好的地，並且，所有用於接地的導體也都是天線。

2.3 所有電纜受其固有電阻、電容、電感影響
    暫時不考慮場和天線的作用，先看下面幾個簡單的例子。這些例子可以說明：在常用的頻率範圍內，與理想狀態微小的偏差也會導致導體上所傳輸的信號出現問題。

•  直徑1mm 的導線，在160MHz 時，其電阻是直流狀態時的50 倍還要多，這是趨膚效應的結果，迫使67%的電流在該頻率處流動於導體最外層5 微米厚度範圍內。
•  長度為25 mm，直徑為1 mm 的導線具有大約1pF 左右的寄生電容。這聽起來似乎微不足道，但在176MHz時呈現大約1kO 的負載作用。若這根25 mm 長的導線在自由空間中，由理想的峰-峰電壓為5V、頻率為16MHz 的方波信號驅動，則在16MHz 的十一次諧波處，僅驅動這根導線就要0.45mA 的電流。
•  連接器中的引腳長度大約為10mm，直徑為1 mm，這根導體具有大約10nH 左右的自感。這聽起來也是微不足道的，但當通過它向母板匯流排傳輸16MHz 的方波信號時，若驅動電流為40mA，則連接器針上的電壓跌落大約在40mV 左右，足以引起嚴重的信號完整性和/或EMC 方面的問題。
•  1 米長的導線具有大約1μH 左右的電感，當把它用於建築物的接地網路時，便會阻礙浪涌保護裝置的正常工作。
•  濾波器的100 mm 長的地線的自感可達100nH，當頻率超過5MHz 時，會導致濾波器失效。
•  4 米長的屏蔽電纜，如果其屏蔽層以長度為25mm“小辮”方式端接，則在30MHz 以上的頻率就會使電纜屏蔽層失去作用。

    經驗數據：對於直徑2 mm 以下的導線，其寄生電容和電感分別是：1pF / 英寸和1 nH/毫米（對不起沒有統一單位，但這更容易記憶）。其簡單的算術關係式如下：
 

2.4 避免使用導體
    以上的種種分析表明：隨著頻率升高，電纜的問題越來越多。用它來完整地傳輸信號和防止它產生泄漏越來越困難。
    即使對諸如音頻之類的低頻信號，電纜也開始呈現越來越多的問題。由於所有的半導體器件在直到數百MHz的頻段（即使象LM324 之類的低速運放）內都具有晶體檢波器的特性，所以電纜天線效應會使音頻信號不知不覺地受到污染。
    因此，從以最經濟的手段滿足EMC 要求的角度來說，最好徹底避免金屬電纜和連接器。可以使用非金屬導線進行通信，目前已經有許多類似的產品出現，包括：

•  光纖（更適宜非金屬導線場合）
•  無線通信（例如：Bluetooth；區域網）
•  紅外（例如：IrDA）
•  自由空間微波和激光通信（例如：兩建築物之間）

2.4.1 非導體產品的成本/效益分析
    許多設計人員認為：只有採用傳統的電纜和導線才能壓縮成本。但當考慮到一個完整項目的成本、產品或系統的可靠性和電磁兼容性、安裝等諸多因素時，經常可以發現，光纖或無線通信的總成本較低。當然，這時一切都晚了。
    對於信號電纜及連接器而言，除了最簡單的電子產品以外，原材料價格與銷售價格沒有什麼必然的聯繫。對信號完整性、EMC 兼容性、過充電的危險、高返修率的風險、質量投訴、產品滯銷等方面進行正確的成本/效益分析是十分必要的。
    設計工程師們不願考慮他們設計出的產品所具有的商業風險，但他們是唯一決定產品是否具有競爭力的人（通常需求是由市場人員提出）。但是，如果電子工程師們一味地只考慮產品的功能參數和原材料價格，那麼，他們公司將失去競爭優勢，同時還會承受不可預測的商業風險。