設(shè)計(jì)天線時(shí)，如何改善電磁兼容EMC

電磁兼容EMC，離不開(kāi)測(cè)試，不管是輻射騷擾測(cè)試還是抗輻射騷擾度測(cè)試，除了EMI接收機(jī)，信號(hào)源，功率放大器等儀器之外，都要用到天線。

天線，既可以用來(lái)發(fā)射信號(hào)又可以用來(lái)接收信號(hào)，是可逆的，具有互易性，可以看作是一種換能器，是電路與空間的界面器件。用來(lái)發(fā)射信號(hào)時(shí)將信號(hào)源產(chǎn)生的高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成空間的電磁波沿一定的方向發(fā)射出去;用來(lái)接收信號(hào)時(shí)，將空間的電磁波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)電纜傳送到接收機(jī)。

天線的主要參數(shù)包括：頻率范圍，增益，天線系數(shù)，方向圖，功率，阻抗，電壓駐波比等。

在EMC測(cè)試中，根據(jù)不同的EMC標(biāo)準(zhǔn)，比如輻射騷擾的通用標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-6-3(居住和商用環(huán)境)，IEC61000-6-4(工業(yè)環(huán)境)，規(guī)定了要進(jìn)行不同頻段的輻射騷擾測(cè)試和抗輻射騷擾度測(cè)試。具體到不同產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，比如：

· 針對(duì)電氣照明設(shè)備的無(wú)線電干擾測(cè)試IEC/CISPR15，EN55015，GB17743規(guī)定了要進(jìn)行9KHz 到300MHz的輻射騷擾測(cè)試;針對(duì)電氣照明設(shè)備的無(wú)線電抗干擾度測(cè)試IEC61547，EN61547，GB18595規(guī)定了要進(jìn)行80MHz 到1000MHz的輻射抗騷擾度測(cè)試;

· 針對(duì)家用電器的無(wú)線電干擾測(cè)試IEC/CISPR14-1，EN55014-1，GB4343.1規(guī)定了要進(jìn)行30MHz 到300MHz的輻射騷擾測(cè)試;針對(duì)家用電器的無(wú)線電抗干擾度測(cè)試IEC/CISPR14-2，EN55014-2，GB4343.2規(guī)定了要進(jìn)行80MHz 到1000MHz的輻射抗騷擾度測(cè)試;

· 針對(duì)ITE信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電干擾測(cè)試IEC/CISPR22，EN55022，GB9254規(guī)定了要進(jìn)行30MHz 到1000MHz的輻射騷擾測(cè)試?；A(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T6113.203-2008 規(guī)定了對(duì)于1GHz到6GHz的測(cè)量限值;針對(duì)ITE信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電抗干擾度測(cè)試IEC/CISPR24，EN55024，GB/T17618規(guī)定了要進(jìn)行80MHz 到1000MHz的輻射抗騷擾度測(cè)試;

1.電磁兼容三要素

產(chǎn)生電磁兼容或者說(shuō)電磁干擾問(wèn)題，必須同時(shí)具備三個(gè)條件：

1)干擾源：產(chǎn)生干擾的電路或者是設(shè)備

2)敏感源：產(chǎn)品中受這種干擾影響的關(guān)鍵電路或者是設(shè)備

3)耦合路徑：能夠?qū)⒏蓴_源產(chǎn)生的干擾能量傳遞到敏感源的回路路徑。

以上三個(gè)條件是電磁兼容問(wèn)題的三要素，只要將這三個(gè)要素中的一個(gè)消除掉，那么電磁干擾問(wèn)題就不會(huì)存在了。電磁兼容設(shè)計(jì)就是通過(guò)研究每個(gè)要素的關(guān)鍵特點(diǎn)，找出消除每個(gè)要素的技術(shù)方法，再在工程實(shí)踐中進(jìn)行具體的實(shí)踐實(shí)施。

產(chǎn)生電磁干擾的條件：

1)變化的電壓或者電流即電路中存在du/dt，di/dt。

2)電路中的傳導(dǎo)導(dǎo)體，輻射天線

當(dāng)電壓或電流發(fā)生快速變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象，導(dǎo)致電磁干擾。因此，電磁干擾的問(wèn)題主要原因之一就是脈沖電路的應(yīng)用問(wèn)題，比如數(shù)字電路，變頻器電路，開(kāi)關(guān)電源電路等等。只要在這種電壓或電流突然變化的環(huán)境中，都要考慮電磁干擾問(wèn)題。

數(shù)字脈沖電路：隨著產(chǎn)品的物聯(lián)及智能化發(fā)展，這種電路將無(wú)所不在?？蓞⒖肌段锫?lián)產(chǎn)品電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》;

工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)電源，比如AC/DC變換器、DC/DC變換器、電機(jī)及馬達(dá)控制系統(tǒng)?？蓞⒖肌堕_(kāi)關(guān)電源電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》;

感性負(fù)載的接通和關(guān)斷等等。

2.電路中的天線

電子產(chǎn)品及電氣設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)的電磁輻射，這種輻射并不是設(shè)備為了完成預(yù)定的功能而必須發(fā)射出來(lái)的，而伴隨著的輻射問(wèn)題是一種干擾源，所有的電子設(shè)備都必須盡量消除這種輻射問(wèn)題，而不能對(duì)無(wú)線電通信產(chǎn)生干擾。為了消除這種輻射干擾，這時(shí)就需要了解電磁波輻射的條件。

電磁波輻射有兩個(gè)必要條件：驅(qū)動(dòng)源和等效天線，也就是天線和流過(guò)天線的交變電流。在實(shí)際的產(chǎn)品及電子設(shè)備中存在著許多寄生天線，這就是電子產(chǎn)品及電氣設(shè)備在工作中產(chǎn)生伴隨著的電磁輻射的原因。避免產(chǎn)生寄生天線，也是進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的目的。分析和解決電磁兼容問(wèn)題的一個(gè)主要方面是發(fā)現(xiàn)和消除一些寄生的天線結(jié)構(gòu)。如果不能消除這種寄生的天線結(jié)構(gòu)，就要避免交變的電流進(jìn)入天線，降低他們的輻射效率。在實(shí)際應(yīng)用中主要是有下面的天線結(jié)構(gòu)：

典型的天線結(jié)構(gòu)示意圖

注意：?jiǎn)螛O子天線是只有一根金屬導(dǎo)體，另一根金屬導(dǎo)體是由大地或附近的其它金屬物體充當(dāng)，它是偶極子天線的一種變形。單極子天線的輻射效率要低一些，其輻射特性與偶極子天線的原理都是相同的。

電流環(huán)天線即環(huán)路天線在電路中隨處可見(jiàn)，因?yàn)槿魏我粋€(gè)電路回路都可以構(gòu)成一個(gè)環(huán)路輻射天線?？刂齐娏骰芈访娣e是減小電流環(huán)路輻射的有效方法。這在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)和連接線電纜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。

注意：之所以存在天線，實(shí)際上是兩個(gè)導(dǎo)體之間存在電壓。單極子天線是導(dǎo)體和大地之間存在電壓。只要消除或減小兩個(gè)導(dǎo)體之間的電壓，或者是減小導(dǎo)體與大地之間的電壓，就能夠減小輻射。比如屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和金屬體的搭接設(shè)計(jì)就是基于這個(gè)理論。

電流環(huán)路通常是由電路的工作回路形成的，很容易識(shí)別。單偶極子天線對(duì)于我們大多電子設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)就不那么容易被發(fā)現(xiàn)了，這也是電磁兼容設(shè)計(jì)中的最難的地方。因?yàn)轵?qū)動(dòng)這種天線的電壓并不是電路中的工作電壓，他需要研究電路中的共模干擾/共模電流的路徑。也因此電磁兼容問(wèn)題也并不是什么玄學(xué)問(wèn)題，而實(shí)際上電磁兼容問(wèn)題是以研究寄生參數(shù)為重點(diǎn)的共模電流/共模干擾的學(xué)科;因此他所包含的內(nèi)容比較廣泛。他全面覆蓋電磁兼容元器件、硬件原理圖和PCB設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的電氣結(jié)構(gòu)/金屬結(jié)構(gòu)和連接線電纜等等。也就是說(shuō)單偶極子天線驅(qū)動(dòng)這種天線是一些無(wú)意產(chǎn)生的電壓。

注意：結(jié)構(gòu)縫隙天線也屬于單偶極子天線。電子產(chǎn)品及設(shè)備中常見(jiàn)的單偶極子天線有：電路板上的地線、電路板上的外部連接線電纜，比如機(jī)箱上的外拖電纜、I/O連接線電纜和電源線等等、數(shù)字地與模擬地分開(kāi)的PCB電路板、線路板與機(jī)殼連接的導(dǎo)線、金屬機(jī)箱上的孔縫、電路板上懸空的尺寸較長(zhǎng)的導(dǎo)體、沒(méi)有接地的散熱片等等。這些天線需要重點(diǎn)關(guān)注。

在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量消除這些結(jié)構(gòu)或者是控制他們的輻射。外界電磁場(chǎng)會(huì)在金屬部件上感應(yīng)出電流，當(dāng)系統(tǒng)的地線設(shè)計(jì)不合理時(shí)，電路的地線因?yàn)橥饨珉姶艌?chǎng)會(huì)在金屬部件上感應(yīng)出電流，當(dāng)系統(tǒng)的地線設(shè)計(jì)不合理時(shí)，電路的地線電流也會(huì)流過(guò)金屬結(jié)構(gòu)體，電流流過(guò)阻抗較大的部位，比如金屬結(jié)構(gòu)部件之間的孔縫或搭接點(diǎn)位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓。因此金屬結(jié)構(gòu)部件也很容易成為單偶極子天線。