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4-1. 简介 尽管到现在为止的章节主要讲述了噪声的产生和传导，但许多电磁噪声干扰实际上是以无线电波通过空间传导的。本章讲述噪声的空间传导。 噪声的空间传导可以分为两种问题: 一种问题出现在较近距离内（当同一台电子设备内的电路彼此干扰时），另一种问题出现在较远距离内（当噪声发射为无线电波且干扰到旁边的电子设备时）。这两种问题因距离而在降低干扰程度方面有所不同，后者的影响波及范围更远。虽然后一个问题根据噪声规则对不需要的发射有限制规定，但前一个问题对设计电子设备也很重要。 本章将首先讨论电路之间的干扰（短距离问题），随后讲述天线理论（远距离问题）以及如何屏蔽以防止这种问题。为了简化阐释，有些现象可能通过我们独特诠释方法进行极其简略的说明。有关详细和准确的理论，请参阅技术资料。 本章的内容涵盖了如图1所示的从传输路径到天线的区段。类似于前一章，会随着阐释逐渐引入技术术语和概念。 图4-1-1 第4章要阐释的内容 4-2. 空间噪声传导及其应对措施 如第1章所述，噪声传导通过导体和空间传导而产生。尽管到现在为止讲述地主要是导体传导，但本章将讲述空间传导以及屏蔽这种传导的静噪对策。 4-2-1. 空间噪声传导模型和屏蔽 (1) 空间噪声传导 如图4-2-1所示，空间噪声传导的主要机制如下: (i)静电感应。 (ii)电磁感应。 (iii)无线电波的发射和接收。 图4-2-1展示了噪声是如何在电子设备内通过空间传导，最终从电缆发射出的示例。空间传导的这三个机制也适用于电子设备外的噪声传导以及噪声接收。 图4-2-1 空间噪声传导的模型 (2) 屏蔽 若要在空中屏蔽空间噪声传导，对目标对象应该如图4-2-2所示进行屏蔽。屏蔽意味着用金属等良导体（或磁体）覆盖目标对象，屏蔽即可以应用于噪声源侧，又可用于接收器侧。尽管目标电路在图4-2-2中被单独屏蔽，但也可以覆盖整个电子设备或整个房间（称为屏蔽室）。 尽管屏蔽方法会因噪声感应模型而稍有不同，但其具体实施方案几乎一样。只要条件不是极端恶劣，即使很薄的金属箔也可以在几MHz的频率范围内取得足够好的效果。许多情况下均需要接地连接，且效果会因接地的优良程度而有很大差异。 图4-2-2 屏蔽 4-2-2. 静电感应 (1) 电场传输噪声 通常，带电的物体周围会形成一个电场。如图4-2-3所示这个电场会影响周围电路的现象称为静电感应。代表这个现象的电路图如图4-2-3(b)所示，其中在噪声源和受害方之间形成了浮动的静电容量CS，从而形成了电流路径。 当噪声源电压Vn变大且浮动静电容量CS变大时，静电感应引起的噪声电压V2升高。当噪声源和受害方之间的距离缩短且噪声源和受害方的尺寸变大时，浮动静电容量CS升高。 图4-2-3 静电感应 (2) 高阻抗电路易受噪声影响 通常浮动静电容量CS非常小，大约只有几pF或更小。例如，假定间隙为10mm，并联长度为100mm，线路直径为1mm的细线时（同时忽视基板的介电常数），如图4-2-3(a)所示的线路间的浮动静电容量大约为1pF。 因此，相对整个电路来说，图4-2-3(b)中阻抗CS比率较大。如果作为噪声受害方的电路阻抗Z2小于这个比率，则感应电压V2可通过分压来降低。一般而言，这就是为什么高阻抗电路更容易接收噪声的原因之一（低阻抗电路不太容易接收）。 通常，静电感应指的是电场引起的常规噪声感应。为了简化电路模型，我们只将重点放在如图4-2-3所示的线路间浮动静电容量。 (3) 如何降低静电感应 为了降低静电感应，通常会采用以下措施: (i)增加距离（降低浮动静电容量）。 (ii)减小线路等的尺寸。 缩短并联线路部分的长度（降低浮动静电容量）。 (iii)提供静电屏蔽（用金属板盖住噪声源或受害方，然后连接到地线）。 (iv)降低噪声源的电压（使用EMI静噪滤波器）。 (v)降低接收器的阻抗或灵敏度（使用EMI静噪滤波器）。 4-2-3. 静电屏蔽 图4-2-4提供了静电屏蔽的示例。接地的金属板放在噪声源和受害方之间，以便阻挡电场的效果。 图4-2-4 静电屏蔽 如图4-2-4(b)所示，将噪声旁路到地，降低了对噪声受害方的影响。因此必须要有接地（连接到地线）。如果屏蔽高频噪声，则没有必要接至大地。连接到外壳或电路的地线就足够了。但接地阻抗应尽量小，以便让噪声电流流动顺畅。 一般而言，静电屏蔽是指对静电电场的屏蔽。如果如图4-2-4所示阻挡线路附近的高频噪声，就涉及到了电磁屏蔽的效果（稍后讲述）。 屏蔽可同时应用于噪声源侧和受害方侧。如果屏蔽受害方侧，则连接到受影响电路的地线。 4-2-4. 电磁感应 (1) 磁场传输噪声 通常电流流过导线会在导线周围形成磁场。如图4-2-5所示这个磁场会影响周围电路的现象称为电磁感应。从电路的角度看，可以认为感应电压由于如图4-2-5(b)所示两个电路间的互感系数M而出现在受影响的电路内。图中与M相连的线圈指的是电路导线等形成的电流环路电感，并不代表特定的元件。 类似于静电感应的情形，当噪声源电流In变大和互感系数M变大时，电磁感应引起的噪声电压V2升高。另外当噪声源和受害方之间的距离缩短且电流的并联部分变大时，互感系数M也会变大。 (2) 电流环路引起问题 衡量互感系数M的大小时需要考虑整个电流环路。例如，对于上述浮动静电容量示例中采用的细线（间隙10mm，并联长度100mm，直径1mm），只有相关部分的互感大约为40nH。 但电流始终需要返回的线路（地线等）。例如这个返回的线路采用较长的路径，如果两条线路距离下方的地面100mm，则互感增至约100nH。（因为这个估算未包括线路两端的电路，所以在考虑两端的电路后可能数值会更高） 相比之下，例如返回的线路采用最短的路径，如果线路距离下方的地面1mm，则互感降低到约为0.5nH。 如上所述，互感值会因电流返回线路的布设方式而有所差异。若要降低互感，需要减少线路两端的电路以及地面形成的电流环路总面积。 图4-2-5 电磁感应 (3) 如何降低电磁感应 为了降低电磁感应，通常会采用以下措施: (i)增加距离（降低互感）。 (ii)缩小线路等的电流环路面积。 电流环路应彼此垂直（降低互感） (iii)设置电磁屏蔽（用金属板盖住噪声源或受害方）。 (iv)降低噪声源的电流。 (v)将EMI静噪滤波器连接到接收器（旁通电容器，铁氧体磁珠等） 4-2-5. 电磁屏蔽 (1) 无需使用磁体就可以屏蔽磁场 电磁屏蔽的示例如图4-2-6所示。将一个金属板放在噪声源和受害方之间，以便切断穿过此金属板的磁通量。因为切断磁通量的这种效果主要是通过流经金属板的涡电流实现的，所以金属板不需要是磁体，但一定要流过电流。换言之，如果金属板内存在间隙，屏蔽效果会明显变差。 另外还要注意的是直流电流或低频波引起的磁场无法用电磁屏蔽来阻挡。这种情况需要使用磁屏蔽，后文将会讲述这点。 (2) 大多数情况需接地 原则上如图4-2-6(b)的电路所示，电磁屏蔽不需要接地。但如果屏蔽了一条电缆，电缆的两端就应该接地。这是因为将屏蔽内表面用作电流的返回线路，可以达到最小化电流环路面积的效果。例如，一种理想的屏蔽电缆是同轴电缆，这种电缆将外导体用作信号电流的返回线路。这就使得外部磁场的电流环路面积几乎等于零。 在多数静噪对策中，会同时涉及电磁感应和静电感应。因此如果用于电磁屏蔽的金属板接地，同时也可以用作静电屏蔽。所以许多情形中也会将电磁屏蔽接地。 图4-2-6 电磁屏蔽 4-2-6. 无线电波的发射和接收 (1) 距离增加时无线电波传输噪声 除了静电感应和电磁感应外，空间噪声传导还可能出现在转换为无线电波后，如图4-2-7所示无线电波在空间传播并干扰其他电路。 静电感应和电磁感应是出现在较近距离内的现象，感应降低的效果与距离的平方或立方成反比。所以可以将电路彼此分隔开。尽管经无线电波的干扰会随着距离而降低，但降低的程度并不大，所以噪声可传播的距离相对较远。 因此可以说近距离内的空间传导主要是由电场或磁场的感应造成的，而远距离内的空间传导主要是由无线电波的感应造成的。 (2) 近场和远场 这些现象是发射噪声的天线周围的电磁场结构所引起的。相对靠近天线的区域称为近场，相对远离天线的区域称为远场。大致而言，如图4-2-7所示转换的距离大约为到噪声源的λ/2π。 转换距离与频率成反比。尽管10HMz的距离最远达到5m，但100MHz大约为50cm，1GHz大约为5cm。如果在常规的电子设备内部，就需要考虑1GHz以上频率范围（手机和无线局域网等使用的频率范围）内无线电波引起的感应。 (3) 波阻抗 在空中以无线电波传输的噪声的其中一个特征是电场与磁场的比例是恒定的（377欧姆）。电场与磁场的这个比率称为波阻抗。对于近场而言，电场或磁场会有一个强度较高，这可能会形成热点，使得波阻抗很高或很低。屏蔽效果会因此受到影响。由于远场的波阻抗是恒定的，所以屏蔽效果稳定。 (4) 天线 发送和接收无线电波的电路称为天线。要实现噪声抑制，就需要制造一个尽量不发射也不接收电波的电路。这意味着设计的电路不应该形成有效的天线。近场，远场和天线将在后文独立的章节内进一步讲述。 (5) 将电磁屏蔽用于屏蔽 如上所述，使用电磁屏蔽来屏蔽无线电波。这意味着电磁屏蔽会同时阻挡高频磁场和电场。电磁屏蔽的效果将在独立的章节内讲述。 图4-2-7 近场和远场的转换 4-2-7. 磁屏蔽 电磁屏蔽对包括直流磁场交流电源等超低频磁场没有任何效果。这种情况下，可采用磁屏蔽。磁屏蔽会如图4-2-8所示用磁体包围目标对象，将磁力线旁路引至磁体内，从而降低了目标对象周围的磁场。为了改善旁路效果，需要使用导磁率较大的更厚材料。 图4-2-8 磁屏蔽（概念图） 原创文章，转载请注明：   转载自   吴川斌的博客   http://www.mr-wu.cn/   本文链接地址:  村田噪声抑制基础教程-第四章 空间传导及其应对措施 http://www.mr-wu.cn/murata-emc-knowhow-basic-chapter04/

3-1. 简介 第2章介绍了产生电磁噪声的机制，并特别详细地介绍了数字电路中产生的噪声。 要应对电子设备噪声干扰，不仅需要了解噪声源，还必须知晓传输路径和天线的特征。本章节详细介绍了其中的传输路径。 在此之前，已经通过较为简单的表述解释了噪声的产生（谐波除外）。但是，在解释噪声传输和发射的机制时，会提及传输理论、电磁学和天线理论中使用的术语（如图3-1-1所示）。如果不理解这些术语，就无法处理噪声问题。 因此，本章节将（尽量使用较少的公式）解释这些术语，并介绍关于噪声的重要课题，如谐振和阻尼、噪声传导和反射以及源阻抗。 图3-1-1 第3章将要介绍的内容 3-2. 谐振和阻尼 在产生噪声或接收到噪声感应时，谐振是一个重要因素。如果电路中包含意外建立的谐振电路，则会在谐振频率处产生非常大的电流或电压，更易产生噪声干扰。尽可能消除电路中的谐振是很重要的。如果要抑制谐振，需使用阻尼电阻器。本章节将介绍谐振和阻尼电阻器。 3-2-1. 并联谐振和串联谐振 (1) LC谐振电路 谐振指的是电路中的感应电抗和电容电抗在特定频率处相互抵消，这个特定频率就叫做“谐振频率”。尽管能产生电抗（阻抗的虚数分量）的典型元件是电感器 (线圈) 和电容器，但任何其他元件，甚至连简单的导线都可以是产生谐振的要素，因为它们仍具有非常小的电抗。（尽管除上述元件之外，天线、平行板、传输路径等也可能导致与EMC相关的谐振，但此处我们只着重于电感器和电容器产生的LC谐振。） (2) 谐振电路的阻抗 如图3-2-1所示，谐振电路分两种: 串联谐振和并联谐振。根据图3-2-2中的计算示例，串联谐振使阻抗降至最低值（理论上为零），而并联谐振使阻抗升到最高值（理论上为无穷大）。 图3-2-1 串联谐振和并联谐振 （该图表示电抗在数轴上的大小） 图3-2-2 谐振电路的阻抗 (3) 电抗抵消为零 如图3-2-3所示，电感器电抗和电容器电抗的量值在谐振频率处变为相等，两者相互抵消，最终相加之和为零。 图3-2-3解释了串联谐振的情形；如果是并联谐振，则将电抗替换为电纳（导纳的虚数成分），会出现电纳在谐振频率处被抵消为零。因此，阻抗升到最高值，这很容易理解。 (4) 谐振频率 无论是串联谐振还是并联谐振，都可以通过以下公式估算出谐振频率ƒ 0 。在图3-2-2的示例中，ƒ 0 约为50MHz。 (公式3-2-1) (5) 谐振Q 谐振强度可通过指数Q（质量因子）来表示。Q越高表示谐振越强。指数Q也是用作表示电容器和电感器性能的指数。存在这样一种关系: 当使用Q值较大的电容器或电感器时，所建立谐振电路的Q值也较大。如何估算Q值将在章节3-2-5中作解释。 (6) 电容器和电感器的自谐振 在高频范围内使用电容器或电感器时，由于其固有的寄生成分，电容器或电感器本身会在特定频率处导致谐振。这就叫做自谐振。自谐振将在第6章中进一步讲述。 图3-2-3 串联谐振使阻抗降至最低值的机制 3-2-2. 关于谐振电路EMC措施的问题 (1) 谐振电路放大电压 如果电路中存在意外产生的谐振，阻抗会在谐振频率处发生显著变化，导致较大的电流或电压，这会是产生噪声干扰的一个原因。 例如，从外侧向图3-2-2(a)中计算的串联谐振电路输入交流信号。如图3-2-4所示，当使用输出阻抗为50Ω的信号发生器施加电压恒定（振幅0.5V）的信号时，电容器会在50MHz谐振频率处产生比输入信号高数倍的电压。在这种情况下，电容器或电感器上产生的电压达到输入电压与Q的乘积。如何估算Q值将在章节3-2-5中作解释。图3-2-4的的情况表明Q = 6.3。 (2) 谐振电路可能意外产生 图3-2-4中的测试电路包括一个电容器和一个电感器，其中使用的常数为数字电路中通常会产生的值。例如，数字IC的输入端子具有不同pF的浮动静电容量。线路的电感约为1uH/米。因此，如果将约1m的电缆连接至数字IC的输入端子（将其连接至外部传感器等），就会产生此处所示的谐振电路。 如果误将导体连接至此点，就会成为噪声发射的原因之一。 图3-2-4 谐振电路的频率特征示例（计算值） (3) 在输入电压很小的情况下内部电压升高 如图3-2-2(a)所示，串联谐振电路的阻抗在谐振频率处达到最低值。因此，您可能简单地认定电压降低。但实际上电压为什么会升高呢？ 图3-2-5显示了电压的分解。谐振电路入口处（电阻器和电感器的中点）处的电压确实降低到非常小的水平。但是，由于阻抗降低，电流变大了。因此，谐振电路内产生了比所施加电压更高的电压。 在电容器接收一定电压时，为什么谐振电路入口处的电压会消失？此时，电感器也像电容器一样，接收了完全相同的电压。因为此电压的方向与电容器电压的方向相反，所以在谐振电路入口处几乎察觉不到任何电压。 (4) 谐振电路各点的电压完全不同 当电路发生谐振时，电路各点的电压相差很大。即使某点的电压测量值似乎表明噪声有所减弱，但整个噪声发射的测量值也可能保持不变甚至有所升高。所以需要注意这样的情况。 上面的例子是关于串联谐振电路的情形。如果是并联谐振电路，流经电容器和电感器的电流会比输入信号的电流更高。因为这种电流也是产生噪声的原因之一，所以在并联谐振电路的情况下也需要注意。 图3-2-5 谐振电路不同位置的电压（计算值） 3-2-3. 数字电路连接至谐振电路时 (1) 在谐振频率处更容易产生噪声 如上所述，如果将可以作为天线的导体连接至谐振电路，导体会接收谐振频率的高压，产生很强的发射，从而导致噪声。此外，就抗扰度而言，噪声容易在谐振频率处被接收。 如果接有天线的谐振电路连接至包含很宽范围频率的信号（如数字信号），谐振频率附近频率的谐波将具有很强的发射性。图3-2-6和图3-2-7给出了一些例子: 在上述50MHz串联谐振电路连接至10MHz时钟脉冲信号时，测量脉冲波形和发射的变化。作为噪声抑制的示例，图中也指出了连接有铁氧体磁珠时的波形和发射。 (2) 数字信号连接至谐振电路时 图3-2-6提供了测试电路及电压波形的测量结果。作为噪声源的数字IC中使用了74AC00。IC的输出端连接至谐振频率为50MHz的串联谐振电路。观察到的波形表明10MHz数字脉冲中存在强烈的振铃，使脉冲波形严重失真。这是因为，在10MHz信号所包含的谐波中，仅提取了第5次谐波（50MHz）。（观察到振铃频率为50MHz） (3) 使用铁氧体磁珠的阻尼 后面将会介绍阻尼电阻器和铁氧体磁珠能有效抑制这类谐振。图3-2-6展示了连接有铁氧体磁珠时的波形。从图中可以发现，谐振已经得到抑制，信号也恢复到原来的脉冲波形。 (4) 通过噪声发射确认谐振 图3-2-7显示了噪声发射的结果。磁场强度是通过“3米法”测量的。为便于参照，图中也提供了无天线情况下的测量结果，而且已经证实了在仅包括数字IC和谐振电路时，几乎没有噪声发射。图中下部的曲线表示频谱分析仪的黑色噪声电平。 (5) LC谐振和天线谐振 图3-2-7(a)指出了用15cm导线作为天线连接谐振电路来发射噪声的情形。在LC谐振电路的谐振频率50MHz处观察到强烈的发射。除了此频率外，还在500MHz处观察到了噪声。在该频率处，作为天线连接的15cm导线作为1/4波长天线工作。因此，除了图3-2-7(a)中的LC谐振，还可能观察到天线的谐振效应。天线的谐振将在后续章节中进行讲述。 图3-2-7(b)显示了连接铁氧体磁珠时的测量结果。可以发现噪声发射得到了有效抑制。 图3-2-6 谐振电路和天线连接至数字信号的测试电路 图3-2-7 谐振电路和天线连接至数字信号时的噪声发射 3-2-4. 无电感器或电容器的情况下产生谐振的示例 (1) 数字信号线建立的谐振电路 为了进行测量并着重考察图3-2-6和图3-2-7中的谐振效应，试验中使用了电容器和电感器建立LC谐振电路。但是，在实际电路中，没有这些元件也会产生谐振。 例如，在如图3-2-8所示的数字信号线路中，驱动器和接收器之间连接的导线存在电感。此外，接收信号的接收器的输入端存在静电容量。可以认为章节2-4-7所述数字电路通过这些因素构成了一个谐振电路。 (2) 随着谐振频率降低问题变得明显 当数字信号线路非常短时，这些因素导致的谐振频率会变得非常高（100MHz以上），因此其影响可以忽略。但是，如果使用的是双面板，或通过延长线路增强电感，或通过连接多个接收器增加静电容量，较低谐振频率产生的影响（脉冲波形失真或噪声发射增强等）将不可忽略。 为应对上述情形，可为信号输出元件提供连接盘，便于使用诸如铁氧体磁珠的谐振抑制元件，从而能够按照章节3-2-6所述轻松实施噪声抑制措施。 图3-2-8 数字信号线路构建的谐振电路模型 (3) 电源电缆和印刷电路板可能是产生谐振的原因 除了数字信号外，各种构成电路的因素都可作为电路图中未提及的电容器或电感器运作，并导致谐振。所以需要注意这样的情况。图3-2-9提供了一个示例。 图3-2-9 谐振示例 概念，因为它们广泛用于高频波（并不局限于噪声）的电子测量。 3-3-3. 数字电路阻抗匹配 原创文章，转载请注明：   转载自   吴川斌的博客   http://www.mr-wu.cn/   本文链接地址:  村田噪声抑制基础教程-第三章 噪声问题复杂化的因素 http://www.mr-wu.cn/murata-emc-knowhow-basic-chapter03/