盡管到現(xiàn)在為止的章節(jié)主要講述了噪聲的產(chǎn)生和傳導(dǎo)，但許多電磁噪聲干擾實際上是以無線電波通過空間傳導(dǎo)的。本章講述噪聲的空間傳導(dǎo)。

噪聲的空間傳導(dǎo)可以分為兩種問題:

一種問題出現(xiàn)在較近距離內(nèi)(當同一臺電子設(shè)備內(nèi)的電路彼此干擾時);

另一種問題出現(xiàn)在較遠距離內(nèi)(當噪聲發(fā)射為無線電波且干擾到旁邊的電子設(shè)備時)。

這兩種問題因距離而在降低干擾程度方面有所不同，后者的影響波及范圍更遠。雖然后一個問題根據(jù)噪聲規(guī)則對不需要的發(fā)射有限制規(guī)定，但前一個問題對設(shè)計電子設(shè)備也很重要。

本章將首先討論電路之間的干擾(短距離問題)，隨后講述天線理論(遠距離問題)以及如何屏蔽以防止這種問題。

圖4-1-1 使用濾波器元件的作用和反作用

為了簡化闡釋，有些現(xiàn)象可能通過我們獨特詮釋方法進行極其簡略的說明。有關(guān)詳細和準確的理論，請參閱技術(shù)資料。[參考文獻 1,2,3,4]。

本章的內(nèi)容涵蓋了如上圖所示的從傳輸路徑到天線的區(qū)段。類似于前一章，會隨著闡釋逐漸引入技術(shù)術(shù)語和概念。

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空間噪聲傳導(dǎo)及其應(yīng)對措施

如第1章所述，噪聲傳導(dǎo)通過導(dǎo)體和空間傳導(dǎo)而產(chǎn)生。盡管到現(xiàn)在為止講述地主要是導(dǎo)體傳導(dǎo)，但本章將講述空間傳導(dǎo)以及屏蔽這種傳導(dǎo)的靜噪對策。

1. 空間噪聲傳導(dǎo)模型和屏蔽

(1) 空間噪聲傳導(dǎo)

如圖4-2-1所示，空間噪聲傳導(dǎo)的主要機制如下：

靜電感應(yīng)

電磁感應(yīng)

無線電波的發(fā)射和接收

圖4-2-1 空間噪聲傳導(dǎo)的模型

圖4-2-1展示了噪聲是如何在電子設(shè)備內(nèi)通過空間傳導(dǎo)，最終從電纜發(fā)射出的示例。空間傳導(dǎo)的這三個機制也適用于電子設(shè)備外的噪聲傳導(dǎo)以及噪聲接收。

(2) 屏蔽

若要在空中屏蔽空間噪聲傳導(dǎo)，對目標對象應(yīng)該如圖4-2-2所示進行屏蔽。屏蔽意味著用金屬等良導(dǎo)體(或磁體)覆蓋目標對象，屏蔽即可以應(yīng)用于噪聲源側(cè)，又可用于接收器側(cè)。盡管目標電路在圖4-2-2中被單獨屏蔽，但也可以覆蓋整個電子設(shè)備或整個房間(稱為屏蔽室)。

圖4-2-2 屏蔽

盡管屏蔽方法會因噪聲感應(yīng)模型而稍有不同，但其具體實施方案幾乎一樣。只要條件不是極端惡劣，即使很薄的金屬箔也可以在幾MHz的頻率范圍內(nèi)取得足夠好的效果。許多情況下均需要接地連接，且效果會因接地的優(yōu)良程度而有很大差異。

2. 靜電感應(yīng)

(1) 電場傳輸噪聲

通常，帶電的物體周圍會形成一個電場。如圖4-2-3所示這個電場會影響周圍電路的現(xiàn)象稱為靜電感應(yīng)。代表這個現(xiàn)象的電路圖如圖4-2-3(b)所示，其中在噪聲源和受害方之間形成了浮動的靜電容量CS，從而形成了電流路徑。

圖4-2-3 靜電感應(yīng)

當噪聲源電壓Vn變大且浮動靜電容量CS變大時，靜電感應(yīng)引起的噪聲電壓V2升高。當噪聲源和受害方之間的距離縮短且噪聲源和受害方的尺寸變大時，浮動靜電容量CS升高。

(2) 高阻抗電路易受噪聲影響

通常浮動靜電容量CS非常小，大約只有幾pF或更小。例如，假定間隙為10mm，并聯(lián)長度為100mm，線路直徑為1mm的細線時(同時忽視基板的介電常數(shù))，如圖4-2-3(a)所示的線路間的浮動靜電容量大約為1pF。

因此，相對整個電路來說，圖4-2-3(b)中阻抗CS比率較大。如果作為噪聲受害方的電路阻抗Z2小于這個比率，則感應(yīng)電壓V2可通過分壓來降低。一般而言，這就是為什么高阻抗電路更容易接收噪聲的原因之一(低阻抗電路不太容易接收)。

通常，靜電感應(yīng)指的是電場引起的常規(guī)噪聲感應(yīng)。為了簡化電路模型，我們只將重點放在如圖4-2-3所示的線路間浮動靜電容量。

(3) 如何降低靜電感應(yīng)

為了降低靜電感應(yīng)，通常會采用以下措施:

增加距離(降低浮動靜電容量)。

減小線路等的尺寸。縮短并聯(lián)線路部分的長度(降低浮動靜電容量)。

提供靜電屏蔽(用金屬板蓋住噪聲源或受害方，然后連接到地線)。

降低噪聲源的電壓(使用EMI靜噪濾波器)。

降低接收器的阻抗或靈敏度(使用EMI靜噪濾波器)。

3. 靜電屏蔽

圖4-2-4提供了靜電屏蔽的示例。接地的金屬板放在噪聲源和受害方之間，以便阻擋電場的效果。

圖4-2-4 靜電屏蔽

如圖4-2-4(b)所示，將噪聲旁路到地，降低了對噪聲受害方的影響。因此必須要有接地(連接到地線)。如果屏蔽高頻噪聲，則沒有必要接至大地。連接到外殼或電路的地線就足夠了。但接地阻抗應(yīng)盡量小，以便讓噪聲電流流動順暢。

一般而言，靜電屏蔽是指對靜電電場的屏蔽。如果如圖4-2-4所示阻擋線路附近的高頻噪聲，就涉及到了電磁屏蔽的效果(稍后講述)。

屏蔽可同時應(yīng)用于噪聲源側(cè)和受害方側(cè)。如果屏蔽受害方側(cè)，則連接到受影響電路的地線。

4. 電磁感應(yīng)

(1) 磁場傳輸噪聲

通常電流流過導(dǎo)線會在導(dǎo)線周圍形成磁場。如圖4-2-5所示這個磁場會影響周圍電路的現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。

從電路的角度看，可以認為感應(yīng)電壓由于如圖4-2-5(b)所示兩個電路間的互感系數(shù)M而出現(xiàn)在受影響的電路內(nèi)。圖中與M相連的線圈指的是電路導(dǎo)線等形成的電流環(huán)路電感，并不代表特定的元件。

圖4-2-5 電磁感應(yīng)

類似于靜電感應(yīng)的情形，當噪聲源電流In變大和互感系數(shù)M變大時，電磁感應(yīng)引起的噪聲電壓V2升高。另外當噪聲源和受害方之間的距離縮短且電流的并聯(lián)部分變大時，互感系數(shù)M也會變大。

(2) 電流環(huán)路引起問題

衡量互感系數(shù)M的大小時需要考慮整個電流環(huán)路。例如，對于上述浮動靜電容量示例中采用的細線(間隙10mm，并聯(lián)長度100mm，直徑1mm)，只有相關(guān)部分的互感大約為40nH。

但電流始終需要返回的線路(地線等)。

例如這個返回的線路采用較長的路徑，如果兩條線路距離下方的地面100mm，則互感增至約100nH。(因為這個估算未包括線路兩端的電路，所以在考慮兩端的電路后可能數(shù)值會更高)

相比之下，例如返回的線路采用最短的路徑，如果線路距離下方的地面1mm，則互感降低到約為0.5nH。

如上所述，互感值會因電流返回線路的布設(shè)方式而有所差異。若要降低互感，需要減少線路兩端的電路以及地面形成的電流環(huán)路總面積。

(3) 如何降低電磁感應(yīng)

為了降低電磁感應(yīng)，通常會采用以下措施:

增加距離(降低互感)。

縮小線路等的電流環(huán)路面積。電流環(huán)路應(yīng)彼此垂直(降低互感)

設(shè)置電磁屏蔽(用金屬板蓋住噪聲源或受害方)。

降低噪聲源的電流。

將EMI靜噪濾波器連接到接收器(旁通電容器，鐵氧體磁珠等)。

5. 電磁屏蔽

(1) 無需使用磁體就可以屏蔽磁場

電磁屏蔽的示例如圖4-2-6所示。將一個金屬板放在噪聲源和受害方之間，以便切斷穿過此金屬板的磁通量。因為切斷磁通量的這種效果主要是通過流經(jīng)金屬板的渦電流實現(xiàn)的，所以金屬板不需要是磁體，但一定要流過電流。換言之，如果金屬板內(nèi)存在間隙，屏蔽效果會明顯變差。

另外還要注意的是直流電流或低頻波引起的磁場無法用電磁屏蔽來阻擋。這種情況需要使用磁屏蔽，后文將會講述這點。

圖4-2-6 電磁屏蔽

(2) 大多數(shù)情況需接地

原則上如圖4-2-6(b)的電路所示，電磁屏蔽不需要接地。但如果屏蔽了一條電纜，電纜的兩端就應(yīng)該接地。

這是因為將屏蔽內(nèi)表面用作電流的返回線路，可以達到超小化電流環(huán)路面積的效果。例如，一種理想的屏蔽電纜是同軸電纜，這種電纜將外導(dǎo)體用作信號電流的返回線路。這就使得外部磁場的電流環(huán)路面積幾乎等于零。

在多數(shù)靜噪對策中，會同時涉及電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)。因此如果用于電磁屏蔽的金屬板接地，同時也可以用作靜電屏蔽。所以許多情形中也會將電磁屏蔽接地。

6. 無線電波的發(fā)射和接收

圖4-2-7 近場和遠場的轉(zhuǎn)換

(1) 距離增加時無線電波傳輸噪聲

除了靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)外，空間噪聲傳導(dǎo)還可能出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換為無線電波后，如圖4-2-7所示無線電波在空間傳播并干擾其他電路。

靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)是出現(xiàn)在較近距離內(nèi)的現(xiàn)象，感應(yīng)降低的效果與距離的平方或立方成反比。所以可以將電路彼此分隔開。盡管經(jīng)無線電波的干擾會隨著距離而降低，但降低的程度并不大，所以噪聲可傳播的距離相對較遠。

因此可以說近距離內(nèi)的空間傳導(dǎo)主要是由電場或磁場的感應(yīng)造成的，而遠距離內(nèi)的空間傳導(dǎo)主要是由無線電波的感應(yīng)造成的。

(2) 近場和遠場

這些現(xiàn)象是發(fā)射噪聲的天線周圍的電磁場結(jié)構(gòu)所引起的。相對靠近天線的區(qū)域稱為近場，相對遠離天線的區(qū)域稱為遠場。大致而言，如圖4-2-7所示轉(zhuǎn)換的距離大約為到噪聲源的λ/2π。

轉(zhuǎn)換距離與頻率成反比。盡管10HMz的距離最遠達到5m，但100MHz大約為50cm，1GHz大約為5cm。如果在常規(guī)的電子設(shè)備內(nèi)部，就需要考慮1GHz以上頻率范圍(手機和無線局域網(wǎng)等使用的頻率范圍)內(nèi)無線電波引起的感應(yīng)。

(3) 波阻抗

在空中以無線電波傳輸?shù)脑肼暤钠渲幸粋€特征是電場與磁場的比例是恒定的(377歐姆)。電場與磁場的這個比率稱為波阻抗。

對于近場而言，電場或磁場會有一個強度較高，這可能會形成熱點，使得波阻抗很高或很低。屏蔽效果會因此受到影響。

由于遠場的波阻抗是恒定的，所以屏蔽效果穩(wěn)定。

(4)天線

發(fā)送和接收無線電波的電路稱為天線。要實現(xiàn)噪聲抑制，就需要制造一個盡量不發(fā)射也不接收電波的電路。這意味著設(shè)計的電路不應(yīng)該形成有效的天線。近場，遠場和天線將在后文獨立的章節(jié)內(nèi)進一步講述。

(5) 將電磁屏蔽用于屏蔽

如上所述，使用電磁屏蔽來屏蔽無線電波。這意味著電磁屏蔽會同時阻擋高頻磁場和電場。電磁屏蔽的效果將在獨立的章節(jié)內(nèi)講述。

7. 磁屏蔽

電磁屏蔽對包括直流磁場交流電源等超低頻磁場沒有任何效果。這種情況下，可采用磁屏蔽。

磁屏蔽會如圖4-2-8所示用磁體包圍目標對象，將磁力線旁路引至磁體內(nèi)，從而降低了目標對象周圍的磁場。為了改善旁路效果，需要使用導(dǎo)磁率較大的更厚材料。

圖4-2-8 磁屏蔽(概念圖)

8. 如何讓屏蔽更輕

(1) 難以制造完美的屏蔽

為了完全阻擋空間傳導(dǎo)(目標不低于40 dB)，如圖4-2-9所示需要用屏蔽材料覆蓋住目標對象的所有外圍。但屏蔽的部件大，重量和成本就是問題。

圖4-2-9 屏蔽配置

如圖4-2-3和圖4-2-5所示，即使只是在中間放置屏蔽板或是在極端的情況下，將地線敷設(shè)到有問題的線路兩端(稱為防護線)，也具有一定程度的屏蔽效果。但這種不完整的屏蔽預(yù)期只能達到超高約10dB的效果。

(2) 消除導(dǎo)體傳導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的噪聲

電路需要一根天線來發(fā)射和接收噪聲。如果可以在這根天線和電路之間插入EMI靜噪濾波器來消除噪聲，就可以消除噪聲導(dǎo)體傳導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的噪聲，因此不需要屏蔽。

圖4-2-10 使用EMI靜噪濾波器抑制空間傳導(dǎo)

盡管通常將采用電容器和線圈的低通濾波器用作EMI靜噪濾波器，但各元件對噪聲抑制的優(yōu)勢會因噪聲感應(yīng)機制而有所差異。

(3) 靜電感應(yīng)濾波器

例如，如圖4-2-11所示的靜電感應(yīng)，假定由于調(diào)和噪聲的浮動靜電容量CS的靜電容量較小，而使得電路阻抗非常高。這種情況下，旁路電容器要比鐵氧體磁珠等阻抗元件更有優(yōu)勢。

圖4-2-11 對靜電感應(yīng)有效的濾波器配置示例

(4) 電磁感應(yīng)濾波器

對于如圖4-2-12所示的電磁感應(yīng)，重點是降低噪聲源側(cè)的電流以及噪聲接收器側(cè)的電壓。阻抗元件對降低電流有優(yōu)勢，而旁路電容器則有利于降低電壓。

上述闡釋只是定性分析，阻抗的水平會因頻率而異。但在考慮噪聲感應(yīng)機制的情形下選擇電路，可以有效實施噪聲抑制。

圖4-2-12 對電磁感應(yīng)有效的電路配置示例

空間噪聲傳導(dǎo)及其應(yīng)對措施的重點內(nèi)容

√ 靜電感應(yīng)是由電壓引起的。

√ 電磁感應(yīng)是由電流引起的。

√ 在相對遠的距離內(nèi)會經(jīng)無線電波產(chǎn)生感應(yīng)。

√ 屏蔽用于阻擋上述感應(yīng)。

√EMI靜噪濾波器用于導(dǎo)體傳導(dǎo)的區(qū)域內(nèi)，無需任何屏蔽就能阻擋感應(yīng)。

審核編輯：湯梓紅