5 電磁相容設計

evanwei

  5.1 電磁相容性
電磁相容性(electromagnetic compatibility, EMC)係指系統或分系統或附屬電子裝備執
行任務時，在遭遇的電磁輻射環境中能夠互相協調處於共存狀態，各自在需求規格下
正常地操作，而不產生系統功能降低或失效的能力，亦即裝備、分系統或系統不會由
於受到處於同一環境中的其他裝備所產生的電磁環境而導致相能降低或失效，也不會
由於本身的電磁環境使處於同一環境中的其他裝備、分系統或系統產生不允許的性能
降低或失效。電磁相容性是任何電子系統與裝備的重要性能指標之一，它又可分為系
統間電磁相容及系統內電磁相容兩類。
對於各種電子裝備的設計，只按理想正常信號進行功能性分析是不夠的，因為這
些裝備是在帶有電磁干擾的實際環境中工作。一個電子裝備必然會受到外來電磁信號的影響，同時本身也是干擾源，會產生電磁信號干擾其他裝備。電磁相容設計就像其
他可靠度設計技術一樣，必須保證系統或裝備在電磁環境下仍然可以正常工作，在產
品研製的每一階段都必須配合設計作業一並考量，並作為研製過程相對階段的驗證或
試驗的內容，以確保所設計的系統或裝備滿足所規定的技術指標與要求。設計時要充
分考量系統的特點以及與周圍系統的關係，使之在時間域、頻率域和空間域等方面均
有合理的配當。
進行電磁相容設計時，在整體上首先根據系統的精度要求、安全性要求、可靠度
要求、和環境保護要求等績效規定，提出對電磁相容指標的總體要求。電磁相容設計
是一門專業的學科，包括屏蔽、接地、濾波、去藕、佈線等。
5.2 電磁相容設計基本準則
電磁相容設計的基本準則為：
(1). 電子單機儘可能採用金屬外殼屏蔽，以防產品內部各組件間的輻射耦合；
(2). 屏蔽罩的金屬接縫要焊接；
(3). 必須開口的孔洞要儘可能小；
(4). 接插頭是可能造成電磁洩漏的部位，它的外殼應有導電防護層，以免影響屏蔽
功用的完整性；
(5). 射頻信號、視頻信號和中頻信號的傳輸應採用同軸電纜連接，屏蔽層兩端均要
接地，所有射頻導電襯墊必須壓緊；
(6). 音頻信號傳輸線的屏蔽只允許在信號源端接地，不能把屏蔽層用作信號回授
線；
(7). 電源引線應採用標準成對絞線自成回路；
(8). 高敏感電路應裝置於單獨的機盒內，其引線應儘量短；
(9). 射頻接地應儘可能不用接地線，不得已須使用接地線時應儘量短；
(10).採用濾波器抑制干擾源的高頻部份電流；
(11).電源線與信號線應分開，輸出線與輸入線應分開，不要放在同一綑線束內或同
一個插接頭內；
(12).導線束內每一根電纜的屏蔽層與其他電纜的屏蔽層應保持電隔離；
(13).敏感電纜的佈線應遠離電源、變壓器和其他大功率裝置；
(14).連接信號的電纜和連接器必須確保阻抗匹配；
(15).多層印刷電路板(尤其是計算機)層間應濾波、去藕；(16).在數位電路接口線上增加旁路電容，以抑制尖脈衝干擾；
(17).數位電路的多餘輸入端應接正電壓或接地，不要懸空，以防外界對輸入端產生
干擾；
(18).大電流信號的接地要與小電流信號的接地分開；
(19).數位電路的接地要與類比電路的接地分開，若實務上不能分開時，加濾波等保
護之；
(20).交流電路接地與直流電路接地分開；
(21).在滿足設計性能指標前題下，不要把射頻信號的輸出功率設計得過大，以免增
加其他電子裝備的電磁相容設計困難；
(22).射頻信號的高次諧波必須予以限制。
5.3 電磁相容設計要點
5.3.1 抑制干擾源設計要點
(1). 減少干擾源數目：儘量去掉對系統工作用途不大的潛在干擾源。
(2). 適切地選擇工作模式：儘量使裝備在設計特性曲線中線性最好的部分工作，以
使輸出諧波分量最小。例如設計振盪器時，應儘量少用倍頻的方法來產生發射
機的載頻，以減少發射機的諧波輸出，在滿足輸出功率的前題下，其輸出級儘
量採用適切的工作狀態，同時為了抑制輸出級產生載波的各次諧波，輸出級最
好採用雙調諧回路設計。
(3). 對有用的發射信號要進行功率與頻帶控制：根據國際無線電規則規定：「所有
電台只應發射保證業務令人滿意所必需的功率」。因此發射信號功率一定要選
擇恰當，不是越大越好，否則不僅造成功率浪廢，而且還會引起有害的干擾。
同時發射信號的頻帶應儘量接近必需的原信號頻帶，並且儘量使用窄頻帶技
術，以降低頻帶外干擾。
(4). 天線選擇：根據任務需求範圍的大小、形狀，適切地選擇天線的型式與天線的
高度。首先根據任務範圍的特殊形狀要求，設計天線的方向圖，以免天線方向
圖覆蓋非工作區，而造成干擾。用於點對點通訊的天線，應是方向性強的高增
益天線，其旁溢電信號位準小可降低干擾信號位準。同時應根據任務區的大小
及場強度要求來確定天線的架設高度，其高度應以達到任務邊界的最小場強度
正好滿足要求為準，不是天線高度越高越好，更不能不顧任務區的大小搶先佔
領高山架設天線，以免對鄰近區域造成干擾。
(5). 脈衝形狀選擇：對控制設備及其它工作的脈衝形狀應適切地予以選擇，因為當
脈衝上升較慢，持續時間較長時，產生的電磁干擾較小，當脈衝的寬度減小、
上升時間縮短時，脈衝的高頻成份增加，頻譜寬度增大，將會在很寬的頻帶內造成干擾。對於一個控制裝備而言，其脈衝的上升時間只需快到能在指定時間
內保證可靠工作即可。同理可知，振盪器和開關速度不應高於性能所需要的速
度。
(6). 控制電弧放電：當兩個物體之間的電位差大到足以使它們之間的絕緣擊穿時，
就會產生電弧放電，造成放電干擾。因此，在設計中要考慮物體間的電位差與
其間距，儘量避免出現電弧放電，對於放電工作開關，應選擇觸點的閉合形狀
和適當的工作電位準，以減少所產生的電磁干擾。例如：由於微型開關的尺寸
小，工作電位準低，因此產生的干擾比繼電器觸點產生的干擾小。
5.3.2 抑制干擾耦合設計要點
電路內部距離很近的長導體之間的干擾耦合現象是很嚴重的，為了減少干擾耦合
在設計時應注意下列事項：
(1). 把攜帶雜訊的零件和導線與連接敏感零件的佈線隔離起來，把有雜訊的零件回
路線與敏感零件的回路線隔離起來，例如把電源線、控制線、高電壓線與低電
壓線隔離，並且儘量避免彼此平行。
(2). 為了縮短干擾耦合路徑的長度，儘可能減短導線長度，並用較粗的屏蔽線或屏
蔽套，以減少導線間的電容耦合。
(3). 要注意佈線與結構體的天線效應：電路中的每根導線及印刷電路板上的每根金
屬線，在某整程度上，既可以作為發射天線之用，又可以作為接收天線之用，
頻率越高這種作用越明顯。對於通過磁場耦合的輻射能量，低阻抗的環形電路
更為顯著，減少這種干擾耦合的方法應該是增加電路的阻抗。對於通過電場耦
合的輻射，高阻抗的直導線較為顯著，減少電路的阻抗可減小干擾耦合。
(4). 通過屏蔽來達到隔離作用：在干擾源與敏感零件之間進行屏蔽可以明顯地減少
輻射耦合，當使用實體屏蔽材料來完全包圍干擾源和敏感零件時，屏蔽效果最
好，使用網狀屏蔽或在主要輻射途徑上用屏蔽體造成輻射屏蔽，也能達到良好
的屏蔽效果。
5.3.3 敏感裝備設計要點
上面所述對於干擾源的各種電磁防護措施同樣也適用於敏感裝備或零件，可以採
用濾波、整體屏蔽、內部屏蔽、機內走線與電路的隔離、內部電路去耦及結構的合理
佈局等措施來抑制電磁干擾。此外，在設計中儘量少用低電壓零件，去除一些不必要
的敏感零件。敏感裝備的靈敏度不必設計的過高，只要滿足工作要求即可。
5.3.4 搭接設計要點
(1). 良好搭接的關鍵在於金屬表面之間的緊密接觸：被搭接表面的接觸區應該保持
光滑、清潔、沒有非導電物質。鎖緊方法應有足夠的壓力將搭接處夾緊，以保
證即使在機械扭曲、衝擊和振動時表面仍然接觸良好。(2). 最好採用同類金屬的搭接，當使用不同類金屬作搭接時，特別要注意腐蝕存在
的可能性，可在其間插入可更換的墊片，搭接完成後外面應加一層保護層。
(3). 不要靠焊料來增加機械強度。
(4). 在搭接處應採取防潮及其他防腐蝕的保護措施。
(5). 跨接片只是直接搭接的代用方法，為減小搭接條的阻抗，應使它儘量短，並儘
量減小搭接條的長寬比(保證長度比小於或等於5)。不要使跨接片在電化學序列
中低於被搭接件材料。應直接與主結構搭接，而不要通過鄰近零組件，不要使
用自攻螺栓或任何其他以螺紋為主的搭接方式。
(6). 要保證直接搭接處或搭接片能夠承受預計的通過電流。
5.3.5 接地設計要點
(1). 當所考慮的電路或零件尺寸小於0.05l，使用單點接地；大於0.15l時，採用多
點接地；介於0.05l和0.15l之間時，則應根據接地線的實際配置以及接地電路
的傳導發射和傳導耐受容限來決定接地方式。對於工作頻率範圍很寬的電路，
還要採用混合接地。
(2). 出現地線環路問題時，可採用浮地隔離方法(例如：使用變壓器隔離)。
(3). 使所有接地線儘可能短，而且儘可能直接連線。
(4). 所設計的接地參考平面應具有較高的電導率，而且要便於維護，以保持良好的
導電性能。
(5). 對信號回線、信號屏蔽層回線、電源系統回線，以及底板或機殼，都要有單獨
的電路接地系統。所有這些接地回線可以一起連接到單一接地參考點上。
(6). 對會產生大突變電流的電路，應有單獨的接地系統，或單獨的接地回線，以減
小對其他電路的瞬態干擾。
(7). 低電壓電路的接地線要與所有其他接地線隔離開來。
(8). 使用平衡差分電路，以儘量減小接地電路干擾的影響。
(9). 最好使用雙絞合線作電源的母線和回線，而且避免把信號線和電源線捆成一束
或相互靠得很近。在信號線與電源線必須交叉的地方，要使導線互相垂直。
(10).對於工作頻率在1MHz 以下的電路，使用單點接地的緊絞合線(是否需要屏蔽視
實際情況而定)是降低裝備敏感度最好的方法。
(11).端接電纜屏蔽時，避免使用屏蔽層辮狀引出線。
(12).需要用同軸電纜傳輸訊號時，要通過屏蔽層提供信號回路，低頻電路可在信號
源端單點接地，高頻電路則採用多點接地。(13).低電壓傳輸要使用多層屏蔽，各屏蔽層用單點接地較好。
5.3.6 屏蔽設計要領
(1). 對於良好導體材料，如銅、鋁和鎂等，應該用於高頻的電場屏蔽，以獲得最高
的反射損耗。
(2). 對於磁性材料，如鐵、鎳鐵、高m合金等，應該用於低頻磁場的屏蔽，以獲得最
高的透入損耗(吸收損耗)。
(3). 對電場屏蔽的屏蔽體，其厚度只要能保證屏蔽本身有足夠的強度就可以了，一
般電屏蔽體對各種頻率的電場均具有良好的電屏蔽作用。
(4). 對於薄層屏蔽，當材料的厚度小於l/4 時，其屏蔽效果為一常數。當厚度超過
l/4 時，屏蔽效果隨厚度的增加而增加。
(5). 多層屏蔽(對於屏蔽殼體或電纜)能夠提供高的屏蔽效果，且可擴展其屏蔽的頻率
範圍。但是，在多種可供選擇的電磁相容方式中，是否採用多層屏蔽，主要是
由它的成本來決定。此外，電纜線採用雙層編織線屏蔽後，其柔軟度將要降
低，這也是是否選用多層屏蔽的一個考慮因素。
(6). 為保持屏蔽體的屏蔽完整性，在設計時應該認真地考慮在它上面可能存在的開
口和不連續處的問題，以保證屏蔽效妥受到的影響最小。同時在材料的選擇上
亦要特別注意，不僅應從屏蔽的觀點來考慮，還應該從電化學腐蝕的觀點來考
慮確定最合適的材料。
(7). 當系統設計的其他條件允許時，採用連續對焊或互搭對焊是最好的焊接方法，
同時應該儘可能使兩金屬板的結合面有更多緊密接觸的部分。
(8). 在接合之前，接縫的配合表面必須予以淨化，將其表層的非導體物質徹底清除
乾淨，除非在接合過程中能夠可靠地且有效地切除表面塗覆層，表面塗覆層應
滿足電磁相容規範要求。
(9). 導電襯墊、指形接觸簧片、波導衰減器、金屬絲網、百葉窗、和導電玻璃等是
可用於保持屏蔽殼體屏蔽效果的主要零件與結構。在具體情況下，究竟採用何
種方法，涉及的因素很多。除了屏蔽能力本身的要求外，還涉及到從空間利用
率到成本等因素，以及從通風要求到可見度要求等許多問題，因此在設計選用
時必須認真考慮。
(10).電纜屏蔽的關鍵性因素之一為屏蔽覆蓋率，一般軍用裝備的覆蓋率需求為不得
低於85%，而在駕駛艙內則要求不得低於94%。電纜屏蔽層應該沿邊緣周界與
連接器外殼尾部搭接，以保持在接合面部位的屏蔽效果。