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电磁屏蔽设计实践
频谱利用及潜在的干扰
图14给出了日常生活中常用的频率范围,包括交流电源频率、音频、长、中、短波收音机占有的频段、调频及电视广播、。但实际的频谱远比这拥挤得多,9KHz以上的频段几乎都被用于特定的场合。随着微波技术广泛应用于日常生活,该图中所示的频率也很快将扩展至10GHz(甚至100GHz)。
图15在图14上覆盖了一些大家不太熟悉的频谱,这些频谱是普通电气及电子设备所发射的。
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图14 日常生活中使用的频率
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图15 叠加我们产生的干扰后的频谱 
交流电源整流器件在基频至相当高的谐波频率范围内均可发射开关噪声,具体情况取决于这些器件的功率。5千伏安左右的电源(线性或开关模式)由于其50或60Hz桥式整流所产生的开关噪声,通常在数MHz频率以下不能满足传导发射的限制要求。可控硅直流电机驱动装置及交流移相控制系统所产生的噪声也大致如此。这些噪声极易干扰中长波和部分短波广播。
开关电源的工作基频一般在2kHz至500kHz之间。开关电源在其工作频率1000倍的频率处仍具有很强的发射是常见的。图15给出了个人计算机中常用的频率为70kHz的开关电源的发射频谱。这将干扰包括调频广播在内的广播通信。图15中还给出了由16MHz时钟微处理器或微控制器产生的典型发射频谱。这些器件的发射通常会在200MHz甚至更高的频率超过发射极限值。目前,由于个人计算机采用400MHz甚至1GHz以上的时钟频率,因此数字技术必然会对高端频谱产生干扰。
之所以会发生以上各种现象,是因为所有导体都是天线。它们把传输的电能转变成电磁场,然后泄漏到广阔的环境中。同时,它们也能把其周围的电磁场转变成传导电信号。这是放之四海而皆准的真理。因此,导体是信号产生辐射发射的主要原因,也是外来场使信号受到污染的原因(敏感度和抗扰度)。
 导体的泄漏与天线效应
电场(E)由导体上的电压产生,磁场(M)由环路中流动的电流产生。导体上的各种电信号均可产生磁场和电场,因此,所有导体都可将其上的电信号泄漏至外部环境中,同时也将外部场导入信号中。
在远大于所关心频率的波长(λ)的1/6处,电场和磁场汇合成包含电场和磁场的完整电磁场(平面波)。例如:对于30MHz,;对于300MHz,平面波的转折点在150m;对于900MHz,平面波的转折点在50m。因此随着频率的增加,仅仅把导体视为电场或磁场的发射和接收器是不够的,如图16示。
 
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图16 电场和磁场随着距离增加变为电磁场 
随频率增加的另一个效应是:当波长(λ)与导体的长度比拟时,会发生谐振。这时信号信号几乎可以100%转换成电磁场(或反之)。例如,标准的振子天线仅是一段导线,但当其长度为信号波长的1/4时,便是一个将信号转变成场的极好的转换器。
虽然这是一个很简单的事实,但对于使用电缆及连接器的技术人员而言,认识到所有的导体都是谐振天线这一点很重要。 显然,我们希望它们都是效率很低的天线。如果假定导体是一个振子天线(很适合我们的目的),我们就可以利用图17来帮助我们分析。 
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图17 电缆长度与天线效率 
图17的纵轴表示导体长度(单位:米),为了便于观察,将图15的频谱复制出来。最右边的斜线给出了导体成为理想天线时导体的长度与频率的关系。
很明显,在常用的频段内,即使很短的导体也能产生发射和抗扰度问题。可以看到,在100MHz处,1米长的导体就是很有效的天线,在1GHz处,100mm的导体就成为很好的天线。这个简单的事实就是使EMC被称为“黑色艺术”的主要原因。
前几年, 日常生活中广泛使用的频率都较低,典型的电缆不能成为很有效的天线,这就是为什么电气配线“惯例”趋于过时的原因。
图17中,中间的斜线表示虽然导体没有成为高效的天线,但仍有可能引起问题的导体长度。左边的斜线表示导体的长度极短,其天线效应可忽略的情况(特别严格的产品除外)。有人说:“没问题,我已经接地了”,你听这话多少次了?在EMC业界人士中,射频是色盲是经常的笑话。因此不能将传输射频信号的黄/绿色导线(美国标准中规定安全地线为黄/绿色)想象成很好的地,并且,所有用于接地的导体也都是天线。
 所有电缆受其固有电阻、电容、电感影响
暂时不考虑场和天线的作用,先看下面几个简单的例子。这些例子可以说明:在常用的频率范围内,与理想状态微小的偏差也会导致导体上所传输的信号出现问题。
* 直径1mm的导线,在160MHz时,其电阻是直流状态时的50倍还要多,这是趋肤效应的结果,迫使67%的电流在该频率处流动于导体最外层5微米厚