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電磁兼容與噪聲

發(fā)布時(shí)間:2008-10-11 來源:電子產(chǎn)品世界

中心論題:

  • 輻射機(jī)理
  • 實(shí)例分析
  • 結(jié)果討論

解決方案:

  • 考慮屏蔽體的機(jī)械強(qiáng)度、彎曲易加工性、彈性零件的尺寸穩(wěn)定性以及接觸電阻等因素
  • 綜合考慮屏蔽體的外形尺寸、所受磁場方向、漏磁、接地點(diǎn)等問題

引言 
在有限的空間和有限的頻率資源條件下,如何避免電磁之間的相互干擾也就是電磁兼容性問題。所謂“電磁兼容性”在國家EMI標(biāo)準(zhǔn)中作了如下定義:“設(shè)備(分系統(tǒng)、系統(tǒng))在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。即:該設(shè)備不會(huì)由于受到同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)”。電磁兼容性就是使處于同一電磁場環(huán)境下的各種電子電氣設(shè)備或系統(tǒng)能夠正常工作而互不干擾。
  
輻射機(jī)理
電磁場干擾是由于感應(yīng)源和受感器件周圍的交變電場和磁場同時(shí)存在產(chǎn)生的輻射電磁場,其特點(diǎn)是電場分量和磁場分量同時(shí)出現(xiàn)且相互垂直。輻射的電磁場之特性是由輻射源的特性來決定的。源的周圍介質(zhì)以及源與觀察點(diǎn)之間的距離等都能影響電磁場的特性。在源附近的場,其特性主要決定于源的特性:當(dāng)遠(yuǎn)離源的地方,場的性質(zhì)主要決定于場傳播時(shí)所通過的介質(zhì)。因此,在電磁場輻射源的周圍,可分成近場和遠(yuǎn)場兩個(gè)范圍,輻射源附近稱近場,距離大于λ/2π的地方稱遠(yuǎn)場(λ為波長)。在近場中,噪聲一般是通過電容性耦合或電感性耦合方式傳播到電路中。電場E對磁場H的比值常稱為波阻抗(E/H)。在近場時(shí)它決定于源的特性和從源到觀察點(diǎn)的距離,如源為大電流低電壓的情況,則近場主要為磁場,以電感性耦合的噪聲為主;若源為小電流高電壓,則近場主要為電場,以電容性耦合的噪聲為主。當(dāng)頻率低于1MHz時(shí),電子線路內(nèi)的噪聲耦合大多是由近場所造成的。因?yàn)椋鶕?jù)λ/2π計(jì)算的近場范圍很大,在30KHz時(shí),近場范圍可達(dá)1.6KM;在遠(yuǎn)場時(shí),電磁波的波阻抗Z為電場強(qiáng)度E對磁場強(qiáng)度H之比,即:

其中E表示電場,H表示磁場。
  
如將發(fā)生源與觀察點(diǎn)之間距離定為r;RX=λ/2π,則在近場中,當(dāng)發(fā)生源主要為電場時(shí):


 
  

其波阻抗呈高阻抗特性;而當(dāng)發(fā)生源主要為磁場時(shí):

其波阻抗仍呈高阻抗特性(符號(hào)含義同上),如圖1所示。

當(dāng)觀察點(diǎn)距源大于λ/2π的遠(yuǎn)場中,介質(zhì)為自由空間時(shí),波阻抗E/H是一個(gè)常數(shù)120π,近似等于377Ω,所以在討論遠(yuǎn)場時(shí),可以把它看成一個(gè)具有阻抗為377Ω的平面波,近場中屬于電容性耦合和電感性耦合噪聲范圍。在遠(yuǎn)場中,電場和磁場的方向互相垂直,但相位相同,所以它與近場不同,而向四方輻射能量,它對電子電路的干擾是通過能量的輻射方式進(jìn)行的。輻射的電磁場在空間的傳播是由于電場和磁場的相互作用。當(dāng)空間有靜電荷Q時(shí),則產(chǎn)生靜電場,電荷移動(dòng)時(shí)則形成電流,因電磁作用又同時(shí)產(chǎn)生電場和磁場。
  
幅射源引起了周圍的磁場和電場相應(yīng)地改變,這種變化在空間中的傳播就是電磁波,其傳播速度與光速相等,這方面的論述和研究較少。無線電廣播、通訊設(shè)備和其它高頻設(shè)備工作時(shí),有很大功率的電磁波輻射,在此環(huán)境內(nèi)的電器設(shè)備上會(huì)產(chǎn)生正比于電場強(qiáng)度的感應(yīng)電動(dòng)勢U:U=heff
  
其中heff為比例長數(shù)或天線的有效高度。
  
較長的導(dǎo)線,信號(hào)輸入線、輸出線、控制線、電源線等在電磁場中都能接收電磁波而感應(yīng)出噪聲電壓。作為噪聲源,這些導(dǎo)線又能輻射出電磁波造成二次噪聲污染。在大功率廣播設(shè)備附近的強(qiáng)電場中,電子設(shè)備的外殼或內(nèi)部的導(dǎo)線、導(dǎo)體都會(huì)感應(yīng)出很強(qiáng)的感應(yīng)電動(dòng)勢,導(dǎo)致對電路的干擾。抑制輻射最主要的方法是采用屏蔽,即對兩個(gè)空間區(qū)域之間加以金屬隔離,電容性耦合可將金屬接地進(jìn)行靜電屏蔽,對于電感性耦合,則采用一般的電磁屏蔽。而對于遠(yuǎn)場中的電磁波也同樣可以用金屬體進(jìn)行隔離,以阻止這種噪聲的傳播。
  
屏蔽的效果與頻率、屏蔽體的幾何形狀、材料性質(zhì)等因素有關(guān),在分析這些因素并在實(shí)際應(yīng)用屏蔽措施時(shí),金屬屏蔽體對輻射波的衰減作用的機(jī)理研究尤為重要。金屬板屏蔽體對電磁波的衰減可由圖2來說明,當(dāng)電磁波Ei入射到金屬板上時(shí),一部分由AB表面AB反射,另一部分進(jìn)入金屬體內(nèi),而在途中被不斷衰減后達(dá)CD面,這時(shí)其中又有一部分經(jīng)E1透過CD面從金屬板內(nèi)穿出,另一部分則由CD面反射,仍在金屬板內(nèi)部傳播,同樣有一部分穿過AB面穿出,一部分仍在AB面反射。這樣在金屬板內(nèi)多次反射和傳播,則透過金屬屏蔽的電磁波總和E-En=Et。


  
金屬屏蔽板的屏蔽效果是用透過金屬板后的波Et和入射波E1強(qiáng)度之比表示(Et/E1)。無限大的屏蔽平板對于平面波入射時(shí)的屏蔽效果可用S表示:
  

其中:A為厚度為t的屏蔽板內(nèi)電磁波傳輸中的損耗;B為反射損耗系數(shù);R為入射損耗系數(shù);S的單位為dB。
  
實(shí)例分析
一般常用材料的在不同頻率下的屏蔽效果如表1所示。從表1可以看出較薄的金屬箔也有100dB以上的屏蔽效果。

吸收損耗A大于10dB,修正系數(shù)B可忽略不計(jì)。一般在遠(yuǎn)場中B也可忽略不計(jì)。因?yàn)檫@時(shí)的反射損耗很高,B與它相比非常小。對于遠(yuǎn)場中的反射損耗R,隨屏蔽阻抗降低而增大。所以應(yīng)設(shè)法減少屏蔽阻抗,這可用高導(dǎo)電率和低導(dǎo)磁率的材料。對于吸收損耗A,由于電磁輻射通過介質(zhì)時(shí),感應(yīng)的電流產(chǎn)生電阻熱量損耗,其幅度以指數(shù)方式衰減,當(dāng)它衰減到入射時(shí)的1/e或37%,此點(diǎn)離入射點(diǎn)的距離定義為集膚深度δ,銅、鋁、鋼列于表2。圖3是遠(yuǎn)場內(nèi)厚度為0.508mm的銅材料的屏蔽效果圖。

 


 

結(jié)果討論
a.集膚深度隨頻率增高而減小,電磁波衰減到原來的37%時(shí)集膚深度就已很小。
  
b.銅屏蔽殼體在頻率為0.5MHz時(shí),其衰減到1/100的透入深度只在距表面約0.4mm處,而鋁則在約0.6mm處,鋼在約l.0mm處。
  
c.在高頻范圍內(nèi),采用厚度0.5~1.5mm的金屬材料作屏蔽效果較為理想。
  
d.使用鐵磁性作屏蔽體適用于100KHz以下。
  
e.屏蔽效果由反射損耗R決定。
  
吸收損耗與屏蔽介質(zhì)厚度成正比,與集膚深度成反比。從頻率角度看,吸收損耗隨頻度增加而增加,這是由于集膚深度隨頻率增加而減小造成的。反射損耗從圖3可以看出將隨頻率增加而降低,而吸收損耗隨頻率的增加而增加,最小的屏蔽效果出現(xiàn)在中頻頻率。對于低頻平面波的大量衰減是由于反射損耗,而高頻時(shí)大量損耗是由于吸收損耗。
  
屏蔽高頻電磁場輻射,其屏蔽體材料和厚度的選擇,可從取得較好的屏蔽性能出發(fā),往往優(yōu)先考慮屏蔽體的機(jī)械強(qiáng)度、彎曲易加工性、彈性零件的尺寸穩(wěn)定性以及接觸電阻等因素來滿足需要,同時(shí)還要綜合考慮屏蔽體的外形尺寸、所受磁場方向、漏磁、接地點(diǎn)等問題。


 

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