電磁干擾源的類型

在現實環境中，電磁干擾源可以分為自然的和人為的兩種。自然干擾源是指由自然現象引發的電磁干擾，人為干擾源是指人造設備工作時伴隨的電磁干擾。

1．自然電磁干擾源

雷電是一種主要的自然干擾源。雷電是發生在云層之間或云與地面之間的靜電放電現象，在雷電產生的瞬間，放電電流可以達到20萬安培，該放電電流會感應出一個很強的電磁場，這個電磁場作用在電子設備的電源線或信號電纜上，會產生幅度很高的電壓，對電子設備造成傷害。雷電現象是無法控制的，對電子設備進行抗雷電設計，是抵御雷電影響的主要手段。

2．人為電磁干擾源

人為電磁干擾源可以分為功能性電磁能量發射和非功能性電磁能量發射。

功能性電磁能量發射是指無線通信系統、雷達等電子設備為了特定功能而發射出電磁能量。對于功能性發射，主要限制的是那些伴隨功能發射頻率所產生的諧波泄漏發射。

非功能性電磁能量發射是指電子設備在工作時伴隨產生的電磁干擾發射。當電子設備電路中的電壓或電流發生劇烈的變化，如高速數字電路的脈沖、工作在開關模式的電源（開關電源）、電感性負載的接通和斷開等，也就是du/dt或di/dt很大時，通常能夠產生較強的伴隨電磁干擾發射。因為電壓和電流的劇烈變化，意味著電壓和電流中包含了較多的高頻成分，這些高頻成分容易產生電磁波輻射和電磁耦合，形成電磁干擾。各種電磁兼容標準中的發射限制主要是針對伴隨電磁干擾發射而言的，限制電子設備的伴隨電磁干擾發射已經成為產品設計中必須考慮的設計項目之一。

4.1.2　天線的輻射特性

1．基本的天線結構

兩個基本的天線結構如圖4-1所示。關于電流環和電偶極這兩個基本天線結構的詳細分析，請參考有關電磁場與天線的設計資料。產生電磁波輻射的兩個必要條件是天線和流過天線的交變電流。

圖4-1　基本的天線結構

2．電流環天線的輻射特性 ^[12]

下面的結論基于如下假設：環路中的電流是均勻的；除了環路自身的電抗以外，環路導線的阻抗為零；環路的尺寸<<λ；環路的尺寸小于環路與觀測點之間的距離D；環路處于自由空間中，附近沒有金屬物體。

（1）在近場區（觀測點到輻射源的距離小于λ/2π的區域稱為近場區，即D<λ/2π），有

式中，H為電流環輻射的磁場（A/m）；E為電流環輻射的電場（V/m）；I為環路中的電流（A）；A為環路面積（m ² ）；λ為電流頻率對應的波長（m）；D為觀測點到電流環的距離（m）；Z ₀ 為自由空間的特征阻抗（通常為120πΩ或377Ω）。

從式（4-1）可知，磁場的輻射強度與頻率無關，因此該公式對直流也是適用的。磁場的強度隨距離的三次方衰減。由此可見，利用增加距離來減小磁場強度是十分有效的方法。

從式（4-2）可知，電場的輻射強度隨頻率升高而增加，隨距離的平方而衰減。

（2）在遠場區（觀測點到輻射源的距離大于λ/2π的區域稱為遠場區，即D>λ/2π），有

式中的各符號含義同近場區。

圖4-2　電偶極天線中的電流

在遠場區，電場和磁場的輻射強度都隨頻率的平方增加。在脈沖電路中，脈沖信號包含了大量的高頻成分，其輻射效率很高，所以會產生很強的干擾。

3．電偶極天線的輻射特性 ^[12]

與電流環天線不同，電偶極天線只有具備交流電流后才能夠形成回路，如圖4-2所示，電流I是通過空間的雜散電容形成的位移電流。

下面的結論基于如下假設：電偶極導體上的電流是均勻的，電偶極的長度<<λ，電偶極的長度<電偶極與觀測點之間的距離D；電偶極處于自由空間中，附近沒有金屬物體。

（1）在近場區（D<λ/2π），有

式中，H為電偶極輻射的磁場（A/m）；E為電偶極輻射的電場（V/m）；I為電偶極中的電流（A）；L為電偶極的長度（m）；λ為電流頻率對應的波長（m）；D為觀測點到電偶極的距離（m）；Z ₀ 為自由空間的特征阻抗（通常為120πΩ或377Ω）。

從式（4-6）可知，電場強度隨著頻率增加而減弱。因為電流I是由加在電偶極上的電壓U和電偶極之間的電容C決定的，當I一定時，頻率越高，電偶極之間的容抗越低，需要的驅動電壓越低，所以產生的電場強度越小。

（2）在遠場區（D>λ/2π），有

4．波阻抗

在進行電磁屏蔽的設計時，必須考慮所屏蔽對象電磁波的波阻抗。波阻抗的定義 ^[12] 為

式中，Z _W 為波阻抗（Ω）；E為電磁波中的電場分量（V/m）；H為電磁波中的磁場分量（A/m）。

如果電磁波中的電場分量較大，波阻抗就較高，稱為高阻抗波或電場波。反之，如果磁場分量較大，波阻抗就較低，稱為低阻抗波或磁場波。在近場區中的某個位置，電磁波的波阻抗與輻射源的阻抗、頻率、輻射源周圍的介質及觀測點到輻射源的距離有關。在遠場區，波阻抗等于電磁波傳播介質的特性阻抗，在真空中為377Ω。

電流環和電偶極輻射的電磁波代表了典型的磁場波和電場波，它們的波阻抗如圖4-3所示。從式（4-1）和式（4-2）可知，對于電流環的輻射場，在近場區隨著距離的增加，磁場的衰減比電場的衰減快，波阻抗呈現增加的趨勢。從式（4-5）和式（4-6）可知，對于電偶極的輻射場，在近場區隨著距離的增加，磁場的衰減比電場的衰減慢，波阻抗呈現下降的趨勢。

　電流環天線和電偶極天線的波阻抗

注意： 以上兩個基本天線模型可以用來查找電子設備中的寄生天線，只要存在電流環路就構成了一個電流環路天線；只要存在電壓驅動兩個導體，就構成了一個電偶極天線。但是用這兩個模型計算實際電路的輻射會產生較大的誤差，因為實際電路很難滿足這些基本天線中的假設條件。

　寄生天線

電子設備之所以會產生輻射性干擾，就是因為電子設備中包含了各種寄生的天線。只要存在電流環路，就可以構成一個電流環路天線；只要存在電壓驅動兩個導體，就可以構成一個電偶極天線。只有消除了這些寄生天線，或者降低這些天線的輻射效率，或者避免交變電流進入這些天線，才可以減小或消除輻射性的電磁干擾。因此，控制輻射性干擾源的過程就是分析寄生天線，消除寄生天線，控制天線輻射的過程。

1．寄生的偶極天線

偶極天線的一種變形是單極天線，它的形式是只有一根金屬導體，而另一根金屬導體由大地或附近的其他大型金屬物體充當。單極天線的輻射特性與偶極天線的基本相同，但是效率要低一些。偶極天線的實質是兩個導體之間存在電壓，而單極天線則是導體與大地之間存在電壓。因此只要消除兩個導體之間的電壓，或者消除導體與大地之間的電壓，就能夠減小它的輻射。這正是屏蔽結構設計和搭接設計的依據。電子設備中常見的寄生的偶極天線和單極天線結構 ^[12] 如圖4-4所示。

圖4-4　電子設備中常見的寄生的偶極天線

2．寄生的電流環天線

寄生的電流環天線在電路中無處不在，因為任何一個電路都是由電流回路構成的，這就是一個輻射天線。減小寄生的電流環天線輻射的有效方法是控制電流回路的面積，這正是PCB設計和電纜設計中的重要依據。