基于電磁兼容預(yù)估的加載電纜電磁建模修正與屏蔽接地設(shè)計(jì)研究*

馬 虹，張曉陽

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)是研究在有限的空間、時(shí)間、頻譜資源等條件下，各種用電設(shè)備(廣義還包括生物體)可以兼容共存，并能夠達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定工作要求的一門學(xué)科。解決電磁兼容問題不僅需要建立起理論研究基礎(chǔ)，更要找到解決問題的措施、方法和經(jīng)驗(yàn)等實(shí)際手段。影響電子設(shè)備的電磁干擾噪聲源主要來自于自然電磁噪聲、人為電磁噪聲、有意輻射噪聲和電源線傳導(dǎo)噪聲等。來自太陽、地球等自然界的干擾屬于自然電磁噪聲；由弧焊機(jī)、射頻加熱器、頻段設(shè)備、交流高壓輸電線、高頻醫(yī)療電子設(shè)備、高頻電爐等高頻輻射設(shè)備、無線電及雷達(dá)等發(fā)射機(jī)、各種信號接口及各種接地裝置等產(chǎn)生的噪聲即人為電磁噪聲[1-2]；各種供電線路和電源傳輸線會產(chǎn)生交流傳導(dǎo)噪聲。這些噪聲在日常生活和電子設(shè)備中隨處可見。隨著科技水平的提升和新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子電氣產(chǎn)品層出不窮，且數(shù)量還在大大增加，特別是各種功率邏輯、開關(guān)器件等高壓脈沖電路的普遍使用及更高頻率資源的開發(fā)利用，更使得內(nèi)部和外部的電平顯著增加，電磁波頻譜占用率迅速提高[3-6]。在軍事領(lǐng)域，電子通信設(shè)備還需適應(yīng)高功率電磁環(huán)境，即峰值功率超過100 MW 的雷電電磁脈沖、高功率微波武器、超寬帶脈沖、核電磁脈沖等微波源(有意輻射噪聲)。因此，EMC 受到業(yè)界的廣泛重視[7]，并已日益上升為國家戰(zhàn)略。

EMC 成因包括兩個(gè)方面，一是電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)，二 是 電 磁 耐 受 性(Electro Magnetic Susceptibility，EMS)。實(shí)際中，EMI成因非常復(fù)雜，其產(chǎn)生影響的特征和程度不一樣，影響設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行的范圍也十分廣泛，出現(xiàn)的情況輕則造成簡單擾亂，重則導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓[8]。諸如干擾電視和無線電接收、丟失傳輸中的數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)失步、內(nèi)部裝置子系統(tǒng)和大系統(tǒng)出現(xiàn)EMI 而無法正常交付產(chǎn)品設(shè)備、醫(yī)用電子設(shè)備出現(xiàn)故障，影響檢查結(jié)果與使用，汽車、飛機(jī)、地鐵等交通工具運(yùn)行控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障、導(dǎo)航定位設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)誤差、爆炸裝置的無意引爆、重要工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制的生產(chǎn)過程失效、智能制造系統(tǒng)非技術(shù)性故障、軍用通信電子設(shè)備因無源互調(diào)(Passive Inter-Modulation，PIM)非線性效應(yīng)而產(chǎn)生的毀傷等。

為了使電子設(shè)備能夠正常運(yùn)行，免受電磁干擾，早在1981 年美國就執(zhí)行了較嚴(yán)格的EMC 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并開始了EMC 建模。歐洲也于1989 年公布了EMC 指標(biāo)，確保設(shè)備系統(tǒng)電磁環(huán)境穩(wěn)定。EMI和EMC 是相伴而生的，隨著電子電氣系統(tǒng)復(fù)雜度的提高和數(shù)量的持續(xù)增長，電磁環(huán)境變得日益惡化，使得EMI 問題的影響范圍和影響程度更加廣泛和深入[9-10]。繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或者通過設(shè)計(jì)生產(chǎn)之后再去解決EMI 問題，都難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)的最佳EMC，常常需要付出昂貴的代價(jià)且所需處理時(shí)間不能確定。最好的方法應(yīng)該是在設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)之初就充分考慮EMI[11]，科學(xué)論證電磁兼容特性，進(jìn)行EMC 建模預(yù)估。即在嚴(yán)格遵循優(yōu)良EMC 技術(shù)工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析干擾源及敏感單元的可耦合通道，建立若干模型并運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真處理[12-13]。

本文在進(jìn)一步研究分析EMC 預(yù)估方法的基礎(chǔ)上，針對電路板中加載電纜輻射EMC 預(yù)估設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行模擬實(shí)際應(yīng)用場景測量和驗(yàn)證，研究分析Hubing 模型、暗室法和仿真模擬3 種預(yù)估方法，通過對Hubing 假設(shè)的修正及仿真，提高了預(yù)估精度，對高端電子電氣設(shè)備從中國制造到中國創(chuàng)造的升級具有一定的參考價(jià)值。

1 EMC 預(yù)估分析方法

EMC 設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)驗(yàn)分析法、測試分析法和建模仿真法3 種。經(jīng)驗(yàn)分析法是憑借積累的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)復(fù)雜電子系統(tǒng)時(shí)全程考慮電磁兼容設(shè)計(jì)，包括電纜長度、線路走向、固定方法、屏蔽方式、線纜距離、射頻電路等；但近年來，由于新型器件的研究、超調(diào)高頻段的開發(fā)、新材料應(yīng)用等方面的快速發(fā)展和系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，僅僅憑借經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)EMC 往往力不從心。測試分析法是借助近場探頭、頻譜分析儀、場強(qiáng)儀、微波功率計(jì)等電磁檢測儀器，現(xiàn)場檢查干擾源的泄露位置，然后對測試頻譜進(jìn)行分析，確定超標(biāo)的頻點(diǎn)及強(qiáng)度。此方法也是在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行，但僅關(guān)注功能而不考慮電磁兼容，等到系統(tǒng)通電后才能根據(jù)測試干擾評估結(jié)果，有針對性地采取屏蔽、接地、濾波等補(bǔ)救措施。一般而言，測試分析法通常需要反復(fù)測試和修改設(shè)計(jì)才能達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求[14]，特別是瞬時(shí)脈沖干擾僅用測試的方法很難檢測出真實(shí)情況，因此，對于復(fù)雜系統(tǒng)，測試分析法在EMC 的設(shè)計(jì)中收效甚微。建模仿真法是指對干擾源建模仿真，包括電子器件的集總參數(shù)模型、分布參數(shù)模型、自然噪聲干擾模型這三個(gè)方面開展建模仿真，通過建立系統(tǒng)電磁環(huán)境模型，進(jìn)一步分析干擾源輻射機(jī)理、電磁場分布、電磁干擾現(xiàn)象等，進(jìn)而采取抑制干擾的有效措施。

EMC 預(yù)估法是建模仿真法和測試分析法的融合、互補(bǔ)和完善，它是在設(shè)計(jì)之初就充分考慮電子設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的電磁環(huán)境，不斷優(yōu)化EMC 設(shè)計(jì)，最大程度得到設(shè)備或系統(tǒng)EMI 極限條件下的正常運(yùn)行結(jié)果。[15]EMC 預(yù)估法可根據(jù)不同的設(shè)備和系統(tǒng)采用不同的方式，然后再通過進(jìn)一步的實(shí)際測量進(jìn)行有效性驗(yàn)證評估，使問題區(qū)域盡早暴露。[16-17]現(xiàn)將研究歸納出的兩種典型預(yù)估方式通過具體案例開展分析。

1.1 以生產(chǎn)場地為平臺的EMC 預(yù)估方式

這類預(yù)估主要是通過搭建接近實(shí)際的仿真實(shí)驗(yàn)裝置，運(yùn)用電流探頭示波器、頻譜儀及數(shù)字電壓表、場強(qiáng)儀、功率計(jì)、電磁干擾接收機(jī)等儀器儀表對產(chǎn)品的各部分電路中有可能產(chǎn)生的干擾點(diǎn)進(jìn)行檢查和測量，從而得出電磁干擾情況。例如，對某“A”型光纖繪圖儀設(shè)備進(jìn)行EMC 預(yù)估。搭建實(shí)驗(yàn)用的繪圖儀外殼，其由3/6 in(英寸)厚的鋁板制成，內(nèi)有用于通風(fēng)和饋紙器電機(jī)的斷路裝置、CRT 偏轉(zhuǎn)線圈、驅(qū)動電路等。預(yù)估包含AC 線的噪聲電流測量、AC 線濾波器選擇、AC 線抗擾度測試、AC 線傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)、控制線抗擾度測試、輻射敏感度試驗(yàn)、互連電纜感應(yīng)度試驗(yàn)等。與此同時(shí)，還應(yīng)關(guān)注接地、屏蔽和測試裝置的設(shè)置和研究應(yīng)用。測試和預(yù)估的重點(diǎn)確定為:

①如何改變表面處理、設(shè)計(jì)EMI 密封襯墊和金屬網(wǎng)狀通風(fēng)過濾器等，使繪圖儀機(jī)殼形成一個(gè)有效的屏蔽。

②如何選用合適的AC 線濾波器件。

③確定繪圖儀能夠承受AC 線的傳導(dǎo)噪聲和過/欠壓的條件，即對過零檢測器、晶閘觸發(fā)電路、高壓電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行噪聲測量與評估。

④對互連電纜的敏感度電平進(jìn)行測試并設(shè)計(jì)屏蔽接地方式。

1.2 基于EMI 的EMC 預(yù)估方式

此類EMC 預(yù)估方式是在設(shè)計(jì)的早期進(jìn)行，對包括干擾源、干擾耦合途徑和敏感器件等所面臨的電磁輻射和干擾做出一定的評估。通?？梢酝ㄟ^電磁理論估算得出參考結(jié)論，并以此作為設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計(jì)。例如，在對一個(gè)功率控制器EMC 預(yù)估時(shí)，首先進(jìn)行的是功率控制器EMI 估計(jì)，預(yù)估過程要化繁為簡，通過原理分析和經(jīng)驗(yàn)公式，“分條分塊”進(jìn)行分析估算，具體步驟為:

①由內(nèi)部20 kHz 功率分配系統(tǒng)所產(chǎn)生的場計(jì)算。機(jī)殼內(nèi)20 kHz 功率分配系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射場主要是磁場，則輻射磁場近似計(jì)算式為:

式中:r是測量儀器到測量點(diǎn)的距離，m；S是環(huán)面積，m2；I是電流幅值，A。測量儀距離測量點(diǎn)設(shè)為7 cm，測量點(diǎn)選擇在接縫、條形插槽、孔隙等有可能成為高電平的發(fā)射點(diǎn)上，且假設(shè)這些測量點(diǎn)在低頻時(shí)等效為一個(gè)攜載電流的導(dǎo)線環(huán)(環(huán)面積S)?？赏ㄟ^實(shí)際測量驗(yàn)證近似公式，理論計(jì)算誤差。

②來自高于20 kHz 內(nèi)部產(chǎn)生的信號場。經(jīng)分析，輻射出三個(gè)基本源，即20 kHz 電源諧波、時(shí)鐘頻率、20 kHz 信號諧波和上述兩個(gè)諧波頻率的互調(diào)產(chǎn)物，經(jīng)實(shí)際測量得到上述各頻點(diǎn)電磁干擾強(qiáng)度。

③來自互連電纜的輻射干擾。這部分主要是由電纜屏蔽線上的共模電流引起的，可選擇半波長(λ/2＝2 m)整數(shù)倍長度的電纜進(jìn)行諧振頻率計(jì)算和測量，即運(yùn)用傳輸線理論公式計(jì)算預(yù)估的電場，并與實(shí)測電場進(jìn)行對比分析。

④傳導(dǎo)發(fā)射。傳導(dǎo)發(fā)射是指那些非信號頻率在電纜上所產(chǎn)生的電磁輻射，它有可能是連續(xù)的或是瞬間的。實(shí)際中，一般用EMI 降低技術(shù)來減少傳導(dǎo)發(fā)射，具體可以通過降低發(fā)射源輻射和增設(shè)濾波器等方法實(shí)現(xiàn)。

⑤內(nèi)部電路對內(nèi)部產(chǎn)生場的敏感度(串?dāng)_)。對于設(shè)備內(nèi)部而言，因串?dāng)_和耦合無處不在，對系統(tǒng)屏蔽罩內(nèi)電路的輻射發(fā)射敏感度預(yù)估是比較困難的。實(shí)際中，可對電源PCB 線和互連電纜距離較近的部分運(yùn)用“感受器導(dǎo)線的類型和粗細(xì)的改變造成受害電路中感應(yīng)電壓電平的波動，進(jìn)而引起受害電源和負(fù)載阻抗的變化”[18]思路進(jìn)行串?dāng)_估算和測量。

2 一種改進(jìn)的加載線纜EMC 預(yù)估方法

本文在研究分析EMC 預(yù)估方法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的加載線纜EMC 預(yù)估方法。針對電路板中加載線纜輻射EMC 預(yù)估設(shè)計(jì)，研究分析了Hubing模型、暗室法和仿真模擬3 種預(yù)估方法，通過對Hubing 假設(shè)的修正改進(jìn)，進(jìn)一步提高了預(yù)估精度。

電磁建模是用數(shù)學(xué)解決復(fù)雜工程問題的重要方法。在EMC 預(yù)估中，建模過程主要有圖形描述、電氣描述定義、模型的有效性、求解結(jié)果描述的定義和輸出顯示5 個(gè)步驟。在加載線纜輻射EMC 預(yù)估中，美國Hubing 提出了基于電路參數(shù)分析電流驅(qū)動分析模型，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)輻射快速重構(gòu)。在此分析中，Hubing 為了簡化研究過程，假設(shè)輻射線纜共模電流是簡單直流模型，即認(rèn)為電流在輻射線纜中是均一分布的，其幅值和相位保持不變。顯然，當(dāng)頻率較高時(shí)，其輻射預(yù)估精度必將大大降低。為了解決加載線纜高頻輻射預(yù)估精度低的問題，結(jié)合國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)前沿研究[19]，本研究利用電流傳輸波動特性，通過對Hubing 假設(shè)的修正改進(jìn)，建立了新的輻射線纜共模電流分布模型，如圖1 所示。

圖1 輻射線纜共模電流分布修正模型

在圖1 的輻射線纜共模電流分布模型中，3 m標(biāo)準(zhǔn)暗室測試距離時(shí)，輻射電磁干擾噪聲測試起始頻率為30 MHz，對應(yīng)波長的1/4～1/3(根據(jù)輻射電磁干擾噪聲的頻段特征及λ/4 原則)，將輻射線纜劃分為i段；線纜中心點(diǎn)處的電流定為基準(zhǔn)電流I0，兩側(cè)電流相位修正因子值ejia，幅值修正因子值。eiξ，以期更符合高頻傳導(dǎo)特性；根據(jù)麥克斯韋方程組和線纜輻射關(guān)系，可得帶電導(dǎo)線在遠(yuǎn)場產(chǎn)生的輻射電場如式(2)所示:

式中:Z0是自由空間波阻抗，為120π Ω(377 Ω)；I為通過線纜的電流；L為線纜長度；β0為電波傳播常數(shù)；r為遠(yuǎn)場點(diǎn)到線纜的距離；θ為距離r與線纜的夾角[4]。

修正后的輻射線纜各段的共模電流均會產(chǎn)生相應(yīng)的輻射電場為Ei，在測試點(diǎn)產(chǎn)生的合成場為不同的輻射電場Ei在測試點(diǎn)處的矢量和，如式(3)所示:

搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行模擬實(shí)際應(yīng)用場景測量和驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)平臺中，改進(jìn)了加載線纜抗干擾屏蔽接地方法。電子設(shè)備中的接地分為保護(hù)型接地和功能型接地兩種，保護(hù)型接地主要是防止設(shè)備靜電及漏電等；功能型接地包括系統(tǒng)接地、邏輯接地、屏蔽接地、信號接地等，其中屏蔽接地對EMC 有較大影響。電子系統(tǒng)中高頻信號加載往往采用同軸電纜，同軸電纜通常都有屏蔽層，這樣可以大大減少輻射干擾。然而，同軸電纜接地方式的設(shè)計(jì)會直接影響其屏蔽效果。圖2 為實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)的一種混合接地方式，當(dāng)傳輸信號在低頻端時(shí)，同軸電纜一點(diǎn)接地；而傳輸信號在高頻端時(shí)，達(dá)到多點(diǎn)接地的要求，將可能產(chǎn)生的輻射干擾降到最低，實(shí)現(xiàn)信號的寬頻帶傳輸。圖2 中右邊表示為負(fù)載端的機(jī)箱和同軸電纜屏蔽層通過高頻電容接地，左邊表示為信號源機(jī)箱與同軸電纜屏蔽層一起直接接地。當(dāng)信號頻率較低時(shí)，電容C可視作開路，同軸電纜只有一點(diǎn)接地；而信號頻率較高時(shí)，電容可視為短路，構(gòu)成兩點(diǎn)接地，可在較寬頻帶范圍內(nèi)有效抑制干擾。

圖2 同軸電纜混合接地示意圖

設(shè)備接地線一般宜采用扁平的銅帶，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，矩形扁銅帶接地電感可表示為[19]:

式中:a、b、l(單位均為cm)分別為矩形扁銅帶橫截面的寬度、厚度和長度。由式(4)可以看出，當(dāng)接地銅帶橫截面不變時(shí)，導(dǎo)體寬厚比大，接地電感Ld就小，且電感大小與接地線長度成正比。因此，實(shí)際制作接地線時(shí)必須選用寬厚比大，盡量短的矩形扁平銅帶實(shí)現(xiàn)接地，以減小接地電感，增強(qiáng)抗干擾能力。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精度對比分析

加載電纜在電子系統(tǒng)中應(yīng)用較多，研究其預(yù)估方法具有典型意義。通過Hubing 修正模型預(yù)估仿真、計(jì)算機(jī)模擬仿真、暗室實(shí)際測量等，進(jìn)一步驗(yàn)證修正模型的正確性。

3.1 Hubing 修正模型預(yù)估仿真結(jié)果

對輻射電纜共模電流分布模型修正后，仿真預(yù)估結(jié)果如圖3 所示。其橫軸頻率在0～1 000 MHz，縱軸為輻射電平，單位為dB。干擾電平和干擾電壓的關(guān)系如下:A＝20lgU/U0，其中A是分貝值，U是實(shí)測的干擾電壓(μV)；U0是基準(zhǔn)電壓(1μV)。

圖3 Hubing 修正模型預(yù)估結(jié)果

對比未修正Hubing 模型仿真結(jié)果(圖5 最下面一條曲線)，修正后的預(yù)估輻射電平有較大提升，如頻率在600 MHz 時(shí)，未修正時(shí)預(yù)估輻射電平為27 dB，而修正后達(dá)到了40 dB。說明修正效果顯著。

3.2 暗室法預(yù)估測試結(jié)果

采用3 m 標(biāo)準(zhǔn)電波暗室法設(shè)置測試裝置，用電磁干擾接收機(jī)進(jìn)行輻射干擾(Radiated Emission，RE)測試，用頻譜儀進(jìn)行近場頻譜分析，并用高頻探頭采集驗(yàn)證電路中的電壓，綜合分析測試數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同頻點(diǎn)的輻射強(qiáng)度有較大差異，在600 MHz 趨于平緩下降，其曲線走勢與Hubing 修正模型仿真結(jié)果相吻合。

圖4 暗室法預(yù)估測試結(jié)果

3.3 計(jì)算機(jī)模擬仿真結(jié)果

以式(3)為依據(jù)，在充分考慮幅值修正因子和相位修正因子后，以修正的Hubing 仿真模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模仿真設(shè)計(jì)，使用瑞士SPEAG 公司面向電磁兼容(EMC)的SEMCAD 軟件，通過運(yùn)行編寫的傳輸線輻射運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬估算，運(yùn)算結(jié)果參看圖5 的程序運(yùn)算結(jié)果曲線。

3.4 模擬結(jié)果分析對比

輻射線纜電磁輻射3 m 法標(biāo)準(zhǔn)電波暗室測試結(jié)果、計(jì)算機(jī)模擬仿真運(yùn)算結(jié)果、未修正的Hubing 模型結(jié)果三者對比曲線如圖5 所示。

圖5 輻射線纜暗室測試、計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果、Hubing 結(jié)果對比

圖5 中未修正的Hubing 預(yù)估平均值約為25.9 dB，經(jīng)過修正后的Hubing 模型計(jì)算機(jī)仿真預(yù)估結(jié)果平均值約48 dB，暗室直接測試平均值在69.5 dB 左右。由此可以看出，三種預(yù)估方法在同一頻率點(diǎn)的干擾強(qiáng)度有較大差異；但不同頻率點(diǎn)，電磁干擾噪聲強(qiáng)度值趨于一致性，說明其方法都具有科學(xué)性與合理性，三者預(yù)估結(jié)果需要綜合考慮。修正后的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果在中間值，且在低頻段和高頻段與暗室實(shí)際測試比較接近，其預(yù)估效果會更好。

4 結(jié)束語

本文在分析電磁干擾成因的基礎(chǔ)上，研究了EMC 預(yù)估法，并通過實(shí)例分析了電流傳輸波動特性，建立了修正的輻射線纜共模電流分布模型，得到場強(qiáng)求解修正公式，并對理論計(jì)算公式進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明:增加了相位修正因子和幅值修正因子的輻射線纜共模電流分布計(jì)算公式具有一定的科學(xué)性和合理性，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬，可使預(yù)估精度提高20 dB 以上，更接近實(shí)際的暗室測量預(yù)估。為克服線纜輻射的影響，研究設(shè)計(jì)了一種同軸電纜屏蔽混合接地方式，有效提升了抗干擾性能。

隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)會越來越復(fù)雜，電磁環(huán)境也會越來越惡劣。因此，電磁兼容已成為復(fù)雜電子工程中迫切需要解決的一個(gè)重要技術(shù)問題，通過對電磁建模不斷的研究與修正，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，EMC 預(yù)估將具有更好的精確性，且必將得到廣泛的應(yīng)用。