4.3 電纜、連接器在產(chǎn)品中的位置對(duì)共模電流方向與大小的影響

4.3.1 EMC測(cè)試與連接器、電纜的關(guān)系

EMC測(cè)試從連接器電纜開(kāi)始。表4-1為騷擾測(cè)試項(xiàng)目。表4-2為抗擾度測(cè)試項(xiàng)目。

從上述表格中可以看出，EMC測(cè)試的直接對(duì)象是電纜及其電纜直接相連的接口。對(duì)于EMI測(cè)試，產(chǎn)品的EMI騷擾主要是從電纜傳導(dǎo)或輻射出來(lái)的。對(duì)于抗擾度測(cè)試，測(cè)試干擾主要是從電纜注入的，不管是ESD測(cè)試還是輻射抗擾度測(cè)試，其主要問(wèn)題通常還是因?yàn)殡娎|在測(cè)試中成了接收干擾的通道。設(shè)想一下一個(gè)沒(méi)有任何電纜（包括沒(méi)有電源線）的產(chǎn)品其對(duì)EMC的要求也會(huì)大大降低。在實(shí)際中也會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)：當(dāng)將設(shè)備上的外拖電纜取下來(lái)時(shí)，設(shè)備就可以順利通過(guò)試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)中遇到電磁干擾現(xiàn)象時(shí)，只要將電纜拔下來(lái)，故障現(xiàn)象就會(huì)消失。這是因?yàn)殡娎|不但是一根高效的接收和輻射天線，而且也是干擾與騷擾進(jìn)出的通道。另外，電纜中的導(dǎo)線傳輸?shù)木嚯x最長(zhǎng)，導(dǎo)線之間存在的寄生電容和寄生互感也最大，導(dǎo)致導(dǎo)線之間發(fā)生信號(hào)的串?dāng)_也最大。

從第2章關(guān)于EMC測(cè)試技術(shù)的描述可以看出，抗擾度測(cè)試中的干擾總是以共模方式注入產(chǎn)品各種電纜接口上的；對(duì)于ESD測(cè)試和輻射抗擾度測(cè)試，當(dāng)測(cè)試進(jìn)行時(shí)，電纜無(wú)時(shí)無(wú)刻地都在以共模的形式接收著電磁場(chǎng)的干擾（當(dāng)然差模干擾也不能被忽略，如環(huán)路所引起的干擾）；對(duì)于傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾測(cè)試，其難點(diǎn)也在于共模問(wèn)題。共模問(wèn)題往往錯(cuò)綜復(fù)雜，干擾傳遞路徑不明確，而差模干擾問(wèn)題比較而言相對(duì)單一。

隨著當(dāng)今電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)及多層板電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，其時(shí)鐘頻率通常在幾十兆赫或幾百兆赫，甚至更高，所用信號(hào)脈沖的前后沿在亞納秒范圍；信號(hào)接口傳輸速率通常為幾十Mb/s或幾百M(fèi)b/s；電路上振蕩速率變得更快（上升/下降時(shí)間的dU/dt），電壓/電流幅度變得更大。在這種情況下，那些本來(lái)可以忽略的寄生電容C中將流過(guò)更大的寄生電流I=CdU/dt，這些寄生電流大多數(shù)是EMC問(wèn)題中的共模電流，這使得共模問(wèn)題將顯得更為嚴(yán)峻。例如，盡管在電路設(shè)計(jì)時(shí)為了不產(chǎn)生或不引入干擾，總會(huì)將信號(hào)的環(huán)路設(shè)計(jì)得最小并做一些必要的差模濾波，但是經(jīng)容性耦合的噪聲干擾總是無(wú)時(shí)無(wú)刻地發(fā)生著，一旦在連接器和機(jī)殼或地平面之間接入電纜，某些RF共模電壓就會(huì)出現(xiàn)在電纜上，導(dǎo)致幾十微安的RF共模電流就足以超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的發(fā)射值；或某些干擾（如EFT/B、ESD干擾）就會(huì)被引入到電路內(nèi)，導(dǎo)致幾十伏以上的瞬態(tài)電壓就足以使電路工作不正常。

可見(jiàn)電纜和接口是EMC測(cè)試中干擾與被測(cè)設(shè)備最早發(fā)生關(guān)系的部分，也是導(dǎo)致電磁兼容問(wèn)題的最直接的因素，共模問(wèn)題是EMC測(cè)試和設(shè)計(jì)中最值得關(guān)注的問(wèn)題。

4.3.2 連接器、電纜的EMI分析

1.什么是天線

天線的基本功能是輻射和接收無(wú)線電波。發(fā)射時(shí)，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；接收時(shí)，把電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流。天線的一般原理是：當(dāng)導(dǎo)體上通以高頻電流時(shí)，在其周圍空間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)與磁場(chǎng)。按電磁場(chǎng)在空間的分布特性，電磁場(chǎng)可分為近區(qū)、中間區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)。設(shè)R 為空間一點(diǎn)距導(dǎo)體的距離，λ是高頻電流信號(hào)的波長(zhǎng)，R＜＜λ/2π的區(qū)域稱為近場(chǎng)區(qū)，在該區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)與導(dǎo)體中電流、電壓有緊密的聯(lián)系。R>>λ/2π的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)能離開(kāi)導(dǎo)體向空間傳播，它的變化相對(duì)于導(dǎo)體上的電流、電壓就要滯后一段時(shí)間，此時(shí)傳播出去的電磁波已不再與導(dǎo)線上的電流、電壓有直接的聯(lián)系了，這一區(qū)域的電磁場(chǎng)稱為輻射場(chǎng)。

輻射發(fā)射天線正是利用輻射場(chǎng)的這種性質(zhì)，使傳送的信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射天線后能夠充分地向空間輻射。那么，如何使導(dǎo)體成為一個(gè)有效輻射體系統(tǒng)呢？這與信號(hào)在導(dǎo)體中傳輸?shù)哪Ｐ陀嘘P(guān)，如圖4-33（a）所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，將信號(hào)功率以最小的損耗傳送到電路輸入端（高頻有用信號(hào)在產(chǎn)品的印制電路板內(nèi)部傳送時(shí)，通常是以傳輸線的形式傳送的），在這種平行雙線的傳輸線上傳輸?shù)男盘?hào)只有能量的傳輸而沒(méi)有輻射或輻射很小，這種平行的雙線傳輸架構(gòu)稱為傳輸線架構(gòu)。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量，這種傳輸架構(gòu)必須保證兩線架構(gòu)對(duì)稱，線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)電流大小相等方向相反（實(shí)際傳輸線架構(gòu)中，雖然不能做到傳輸損耗等于零，但是這種輻射也是很小的）。如果要使電磁場(chǎng)能有效通過(guò)空間傳播出去，即輻射出去，就必須破壞傳輸線的這種對(duì)稱性，如采用把兩個(gè)導(dǎo)體成一定的角度分開(kāi)，或是將其中一邊去掉等方法，都能使導(dǎo)體“對(duì)稱性”破壞而產(chǎn)生輻射。這樣，這種被分開(kāi)的導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。如圖4-33（b）所示，將兩導(dǎo)線張開(kāi)，電場(chǎng)就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。另外必須指出，這種對(duì)稱性被破壞的導(dǎo)體，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)小于導(dǎo)體中流動(dòng)信號(hào)的波長(zhǎng)λ時(shí)，輻射也很微弱；而導(dǎo)線的長(zhǎng)度L增大到可與導(dǎo)體中流動(dòng)信號(hào)的波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。圖4-33 （c）中，將開(kāi)路傳輸或距離終端導(dǎo)體中流動(dòng)信號(hào)的λ/4處的導(dǎo)體成直桿狀分開(kāi)，此時(shí)終端導(dǎo)體上的電流已不是反相而是同相了，從而使該段導(dǎo)體在空間點(diǎn)的輻射場(chǎng)同相疊加，構(gòu)成一個(gè)有效的輻射系統(tǒng)。圖4-34是天線電壓、電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布圖。這個(gè)輻射模型對(duì)應(yīng)到實(shí)際需要考慮EMC問(wèn)題的電子產(chǎn)品中，就是產(chǎn)品發(fā)生輻射發(fā)射最壞的情況。這是最簡(jiǎn)單、最基本的單元天線，稱為半波對(duì)稱振子天線。電磁波從發(fā)射天線輻射出來(lái)以后，向四面?zhèn)鞑コ鋈ィ綦姶挪▊鞑サ姆较蛏弦卜乓粋€(gè)半波對(duì)稱振子，則在電磁波的作用下，天線振子上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如此時(shí)天線與接收設(shè)備相連，則在接收設(shè)備輸入端就會(huì)產(chǎn)生高頻電流，這樣天線就起著接收作用并將電磁波轉(zhuǎn)化為高頻電流，也就是說(shuō)此時(shí)天線起著接收天線的作用。這個(gè)輻射接收模型對(duì)應(yīng)到實(shí)際需要考慮EMC問(wèn)題的電子產(chǎn)品中，就是產(chǎn)品中出現(xiàn)輻射抗擾度問(wèn)題的最壞情況。接收效果的好壞除電波的強(qiáng)弱外，還取決于天線的方向性和半波對(duì)稱振子與接收設(shè)備的匹配。

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。圖4-35為天線中電流方向與電場(chǎng)、磁場(chǎng)方向的關(guān)系。

一般規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。圖4-36為兩種基本的單極化的情況，垂直極化是最常用的，水平極化也會(huì)被用到。

EMC測(cè)試時(shí)，只有接收天線的極化方向與發(fā)射天線的極化方向相同時(shí)，才能接收到信號(hào)。

2.兩種常見(jiàn)的天線工作原理

產(chǎn)生輻射的天線很多，如對(duì)稱振子天線、不對(duì)稱振子天線、縫隙天線、環(huán)形天線等，這里僅介紹產(chǎn)品中與共模電流引起的輻射有關(guān)的兩種最常見(jiàn)的天線—對(duì)稱振子天線和不對(duì)稱振子天線。

1）對(duì)稱振子天線

一般當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時(shí)，電路上的電流最大，對(duì)于天線也一樣，若使天線處于諧振狀態(tài)，流過(guò)天線導(dǎo)體的高頻電流最大，天線的輻射也最強(qiáng)。由傳輸線理論可知，當(dāng)導(dǎo)體長(zhǎng)度L為1/4波長(zhǎng)（λ）的整數(shù)倍時(shí)，該導(dǎo)體在該波長(zhǎng)的頻率上呈諧振特性。導(dǎo)體長(zhǎng)度L為1/4波長(zhǎng)時(shí)呈串聯(lián)諧振特性，此時(shí)天線的阻抗最小，流過(guò)天線的電流最大，輻射也最大；導(dǎo)體長(zhǎng)度L為1/2波長(zhǎng)時(shí)呈并聯(lián)諧振特性，此時(shí)天線的阻抗最大，流過(guò)天線的電流最小，輻射也最小。對(duì)稱振子天線是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可單獨(dú)使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫作對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為1/2波長(zhǎng)的振子，稱半波對(duì)稱振子。圖4-37是對(duì)稱振子天線模型及輻射方向圖。

2）不對(duì)稱偶極天線和單極天線

如果將對(duì)稱振子天線從饋電點(diǎn)分為兩半，如果這兩半的幾何結(jié)構(gòu)形式或尺寸不完全相同，則該天線稱為不對(duì)稱振子天線，如單根長(zhǎng)導(dǎo)線天線、倒V形天線、盤(pán)錐天線等。其中典型的不對(duì)稱振子天線為不對(duì)稱偶極天線和單極天線。一般說(shuō)來(lái)，諧振式不對(duì)稱天線的臂長(zhǎng)不超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)。若偶極天線的一臂長(zhǎng)度為零并將饋電點(diǎn)直接接地，另一臂垂直于地面架設(shè)則構(gòu)成單極天線。如果地是無(wú)限大理想導(dǎo)電平面，則該單極天線與鏡像在導(dǎo)電平面另一端的天線猶如組成了一個(gè)對(duì)稱振子天線。例如，單極天線的輸入阻抗等于對(duì)稱偶極天線的一半，其方向圖也是相同的，如圖4-38所示。當(dāng)天線高度低于0.625λ時(shí)，最大輻射方向沿地平面，水平方向（H面）的方向圖為一個(gè)圓。如果地面尺寸有限，則鏡像理論不再適用。在非理想導(dǎo)電地面上，由于地的導(dǎo)電率是有限的，除會(huì)增大天線的損耗外，還將引起輻射波瓣的上翹，這對(duì)低仰角輻射不利。

由于1/2波長(zhǎng)的振子比1/4波長(zhǎng)的振子長(zhǎng)，所以1/2波長(zhǎng)振子的輻射比1/4波長(zhǎng)振子強(qiáng)，但振子超過(guò)1/2波長(zhǎng)時(shí)，雖然輻射繼續(xù)加強(qiáng)，但由于超過(guò)1/2波長(zhǎng)的部分的輻射是反相位的，對(duì)輻射有抵消作用，總的輻射效果反而被打折扣，所以通常的天線都采用1/4波長(zhǎng)或1/2波長(zhǎng)的振子長(zhǎng)度單位，這種由兩根長(zhǎng)度相同的導(dǎo)體構(gòu)成的天線就叫偶極天線。這是最簡(jiǎn)單、最基本的天線，其他的天線都可以等效成偶極天線的變形和疊加。

工程中，頻率f≥30MHz，并且輻射源與測(cè)量接收天線的距離D≥1m時(shí)，常用式（4.8）和式（4.9）來(lái)估算產(chǎn)品中電纜成為天線時(shí)所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度，即

當(dāng)Lm＜λ/2時(shí)，有：

當(dāng)Lm≥λ/2時(shí)，有：

式中 EμV/m—輻射源在測(cè)量處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)（μV/m）；

IμA—流過(guò)電纜的共模電流（μA）；

fMHz—輻射源的信號(hào)頻率（MHz）；

Lm—電纜長(zhǎng)度（m）；

Dm—輻射源到測(cè)量天線的距離（m）。

3.產(chǎn)品中的電纜都是等效天線

從以上天線工作的原理分析可知，當(dāng)天線導(dǎo)體中存在電流時(shí)，天線會(huì)把導(dǎo)體上的電信號(hào)泄漏至外部環(huán)境中，同時(shí)也將外部電磁場(chǎng)導(dǎo)入與天線相連的電路中。當(dāng)天線達(dá)到一定的長(zhǎng)度時(shí)，這種電信號(hào)與電磁場(chǎng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換達(dá)到最大。顯然產(chǎn)品中的電纜是具備天線這種機(jī)械特性的，而且隨著頻率的增加，僅僅把電纜導(dǎo)體視為電場(chǎng)或磁場(chǎng)的發(fā)射和接收器是不夠的。電纜與天線一樣，當(dāng)波長(zhǎng)（λ）與電纜導(dǎo)體的長(zhǎng)度可以比擬時(shí)，會(huì)發(fā)生諧振。這時(shí)信號(hào)幾乎可以100%轉(zhuǎn)換成電磁場(chǎng)（或反之）。例如，電纜的長(zhǎng)度正好為電纜中傳輸信號(hào)波長(zhǎng)的1/4時(shí)，便是一個(gè)將信號(hào)轉(zhuǎn)變成場(chǎng)的極好的轉(zhuǎn)換器。

很多年以前，普通電子產(chǎn)品的頻率都很低，頻率相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，典型的電纜不能成為很有效的天線。但是在電子產(chǎn)品工作頻率越來(lái)越高的今天，工作信號(hào)頻率的波長(zhǎng)與電子產(chǎn)品中任何一根電纜的長(zhǎng)度可以比擬了。雖然有些電纜或?qū)w不能成為高效的天線（正好處于上述天線工作原理的諧振狀態(tài)，此時(shí)輻射最大），但它的長(zhǎng)度仍有可能引起EMC問(wèn)題。只有在產(chǎn)品中電纜或?qū)w的長(zhǎng)度與其相比極短，其天線效應(yīng)才可以被忽略（特別嚴(yán)格的產(chǎn)品除外）。當(dāng)然，除了電子產(chǎn)品中的電纜，電子產(chǎn)品的接地線也一樣，不管是否接地，只要長(zhǎng)度與工作信號(hào)的波長(zhǎng)可以比擬，都是輻射發(fā)射產(chǎn)生的天線。因此，不能將用于安全接地用的黃/綠色導(dǎo)線（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定安全地線為黃/綠色）想象成很好的接地線。

4.電纜中的EMI共模電流是如何產(chǎn)生的

電纜的輻射問(wèn)題是工程中最常見(jiàn)的問(wèn)題之一，90%以上的設(shè)備不能通過(guò)輻射發(fā)射測(cè)試都是由于電纜輻射造成的。在實(shí)際中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)：當(dāng)將設(shè)備上的外拖電纜取下來(lái)時(shí)，設(shè)備就可以順利通過(guò)試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)中遇到電磁干擾現(xiàn)象時(shí)，只要將電纜拔下來(lái)，故障現(xiàn)象就會(huì)消失。這是因?yàn)殡娎|是一根高效的接收和輻射天線。電纜產(chǎn)生輻射的機(jī)理有兩種，一種是電纜中的信號(hào)電流（差模電流）回路產(chǎn)生的差模輻射；另一種是電纜中的導(dǎo)線（包括屏蔽層）上的共模電流產(chǎn)生的共模輻射。電纜的輻射主要來(lái)自共模輻射。共模輻射是由共模電流產(chǎn)生的，共模電流的環(huán)路面積是由電纜與大地（或鄰近其他大型導(dǎo)體）形成的，因此具有較大的環(huán)路面積，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射。對(duì)于各種輻射驅(qū)動(dòng)模式可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

● 信號(hào)回流路徑阻抗較高，使信號(hào)回流的電流經(jīng)過(guò)回流路徑阻抗時(shí)產(chǎn)生壓降，該壓降成為共模電壓，而且正好在電纜與大地（或鄰近的其他大型導(dǎo)體）之間，導(dǎo)致共模電流。

● 差模電流泄漏導(dǎo)致的共模電流。即使電纜中包含了信號(hào)回線，也不能保證信號(hào)電流100%從回線返回信號(hào)源，特別是在頻率較高的場(chǎng)合，空間各種雜散參數(shù)為信號(hào)電流提供了第三條，甚至更多的返回路徑。

● 電纜與大地之間形成的寄生回路，通過(guò)磁耦合的方式感應(yīng)出電流，成為共模電流。

上述三種共模電流雖然所占的電流比例很小，但是由于輻射環(huán)路面積大，輻射是不能忽視的。因此不要試圖通過(guò)將電路與大地“斷開(kāi)”（將電路板與機(jī)箱之間的地線斷開(kāi)，或?qū)C(jī)箱與大地之間的地線斷開(kāi)）來(lái)減小共模電流，從而減小共模輻射。將電路與大地?cái)嚅_(kāi)僅能夠在低頻時(shí)減小共模電流，高頻時(shí)寄生電容形成的通路阻抗已經(jīng)很小。共模電流主要是由寄生電容、寄生電感產(chǎn)生的。當(dāng)然，如果共模輻射的問(wèn)題主要發(fā)生在低頻，將電路板或機(jī)箱與大地?cái)嚅_(kāi)會(huì)有一定效果。從EMI共模電流產(chǎn)生的機(jī)理可知，減小這種共模電流的有效方法是將信號(hào)線與回線靠近，這樣差模信號(hào)電流與回流產(chǎn)生的各種寄生效果就能相互抵消。按照這種方法來(lái)避免電纜輻射的一個(gè)典型的例子就是使用同軸電纜，由于同軸電纜的回流電流均勻分布在外皮上，其等效電流與軸心重合，因此回路面積為零，幾乎100%的信號(hào)電流從同軸電纜的外皮返回信號(hào)源，共模電流幾乎為零，所以共模輻射很小。另一方面，由于差模電流回路的面積幾乎為零，差模輻射也很小，所以同軸電纜的輻射是很小的。對(duì)于高頻信號(hào)，用同軸電纜傳送可以避免輻射。這也與傳統(tǒng)上用同軸電纜傳輸高頻信號(hào)，以減小信號(hào)的損耗的目的具有相同的本質(zhì)。因?yàn)樾盘?hào)的損耗小了，自然說(shuō)明泄漏的成分少了，而這部分泄漏就是電纜的輻射。減小這種共模電流的另一種有效方法是減小差模回路的阻抗，從而促使大部分信號(hào)電流從地線返回時(shí)產(chǎn)生的壓降幾乎為零，即電路板的地線噪聲為零，自然共模電流也為零。這里的電路板的地線就是信號(hào)的回流線，因此地線上的兩點(diǎn)之間必然存在電壓，對(duì)于高頻電路而言，這些就是高頻噪聲電壓，它作為共模電壓驅(qū)動(dòng)電纜上的共模電流，導(dǎo)致共模輻射。第5章關(guān)于地平面阻抗的討論中，提供了多種減小地線阻抗的設(shè)計(jì)方法，可以用來(lái)減小地線上的噪聲，從而減小共模電壓。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如果地平面阻抗控制失敗（實(shí)際上地平面阻抗控制也是一件非常難的事情，隨著電路板密集程度的提高，控制難度會(huì)隨之增加），那么有一種補(bǔ)償?shù)姆绞骄褪窃诋a(chǎn)品的I/O接口將“0V”通過(guò)零阻抗（意味著連接部分的長(zhǎng)寬比等于1或360°搭接）接地，并將I/O信號(hào)通過(guò)Y電容接地，當(dāng)然接地點(diǎn)必須是“干凈地”。所謂“干凈地”就是這塊地線上沒(méi)有可以產(chǎn)生噪聲的電路，因此“干凈地”上的局部電位幾乎相等。如果產(chǎn)品外殼是金屬的，側(cè)“干凈地”就為金屬外殼。

4.3.3 電纜、連接器的抗擾度分析

從第2章描述的EMC抗擾度測(cè)試的原理可以看出，不管是IEC61000-4-4和ISO7637-2、ISO7637-3規(guī)定的電快速瞬變脈沖群抗擾度測(cè)試，還是IEC61000-4-6和ISO11452-4、ISO11452-7規(guī)定的傳導(dǎo)騷擾抗擾度測(cè)試，干擾都是以共模的形式直接注入電纜上的。如果電纜是屏蔽電纜，那么干擾信號(hào)直接注入在屏蔽層上；如果電纜是非屏蔽電纜，則干擾直接注入在電纜中的各個(gè)信號(hào)線上。對(duì)于ESD和輻射抗擾度測(cè)試，電纜處于電磁場(chǎng)中時(shí)，此時(shí)電纜也可以成為接收天線，它與頻率的關(guān)系與其成為輻射發(fā)射天線時(shí)一樣，這樣電纜上會(huì)感應(yīng)出噪聲電壓。與電纜輻射的情況相對(duì)應(yīng)，電磁場(chǎng)在電纜上感應(yīng)出的電壓也分為共模電壓和差模電壓兩種。共模電壓是電磁場(chǎng)在電纜與大地之間的回路中產(chǎn)生的，差模電壓是電磁場(chǎng)在信號(hào)線與信號(hào)地線（或差分線對(duì)之間）形成的回路中產(chǎn)生的。當(dāng)電路是非平衡電路時(shí)，共模電流會(huì)轉(zhuǎn)換成差模電壓，對(duì)電路形成干擾。由于信號(hào)線與信號(hào)地線形成的回路面積很小，因此噪聲電壓仍以共模為主。

如果電纜很靠近地平面，那么電場(chǎng)分量垂直于地平面，磁場(chǎng)分量垂直于導(dǎo)線與地平面形成的回路時(shí)，電纜中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)感應(yīng)最強(qiáng)；如果電纜遠(yuǎn)離地平面，那么電場(chǎng)分量平行于地平面、磁場(chǎng)分量垂直于導(dǎo)線與地平面回路時(shí)，電纜中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)感應(yīng)最強(qiáng)。雖然理論上電磁場(chǎng)在電纜上感應(yīng)出的電壓也分為共模和差模兩種，但是在單個(gè)產(chǎn)品獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，電磁場(chǎng)在導(dǎo)線中感應(yīng)出的電壓是以共模形式為主的。負(fù)載上的電壓以系統(tǒng)中的公共導(dǎo)體或大地為參考點(diǎn)，一般以系統(tǒng)中參考地平面為參考點(diǎn)。對(duì)于多芯電纜，這意味著電纜中的所有導(dǎo)體都暴露在同一個(gè)場(chǎng)中，它們上面所感應(yīng)的電壓取決于每根導(dǎo)體與參考點(diǎn)之間的阻抗和感應(yīng)電流。如圖4-39所示，兩種天線上的感應(yīng)電流估算公式如下：

當(dāng)L≤λ/4時(shí)，對(duì)稱振子天線上的感應(yīng)電流

近似公式為：

當(dāng)L≥λ/2時(shí)，對(duì)稱振子天線上的感應(yīng)電流

近似公式為：

式中 I—對(duì)稱振子天線中心的電流（A）；

d—導(dǎo)體直徑（m）；

E—電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m）；

FMHz—信號(hào)頻率（MHz）；

L—對(duì)稱振子天線長(zhǎng)度（或2倍的單極天線長(zhǎng)度）；

λ—信號(hào)波長(zhǎng)（m）。

例如，一個(gè)麥克風(fēng)的電纜長(zhǎng)度為1m，直徑為5mm，當(dāng)其暴露在頻率為27MHz、電場(chǎng)強(qiáng)度為1V/m的電磁場(chǎng)中時(shí)，電纜上的感應(yīng)電流可以按如下方式計(jì)算：

由于麥克風(fēng)只有一端與放大器相連，因此其等效模型近似于單極天線，等效對(duì)稱振子天線長(zhǎng)度為2×1m=2m。

27MHz頻率的波長(zhǎng)λ=300/27≈11m。由于等效對(duì)稱振子天線長(zhǎng)度L=2m，則：

L＜λ/4

按照式（4.10），得電纜上的感應(yīng)電流I為：

注：共模感應(yīng)電流引起的共模電壓取決于電纜的負(fù)載阻抗。

4.3.4 電纜的寄生電阻、電容、電感對(duì)EMC的影響

即使不考慮場(chǎng)和天線的作用，通過(guò)下面幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子，說(shuō)明在常用的頻率范圍內(nèi)，與理想狀態(tài)微小的偏差也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體上所傳輸?shù)男盘?hào)出現(xiàn)EMC問(wèn)題。

● 直徑1mm的導(dǎo)線，在160MHz時(shí)，其電阻是直流狀態(tài)時(shí)的50多倍。這是趨膚效應(yīng)的結(jié)果，已迫使67%的電流在該頻率處流動(dòng)于導(dǎo)體最外層5Vm厚度范圍內(nèi)。長(zhǎng)度為25mm、直徑為1mm的導(dǎo)線具有大約1pF左右的寄生電容。這聽(tīng)起來(lái)似乎微不足道，但在176MHz時(shí)卻呈現(xiàn)大約1kΩ的負(fù)載作用。若這根25mm長(zhǎng)的導(dǎo)線在自由空間中，由理想的峰-峰電壓為5V、頻率為16MHz的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，則在16MHz的十一次諧波處，僅驅(qū)動(dòng)這根導(dǎo)線就要0.45mA的電流。

● 連接器中的引腳長(zhǎng)度大約為10mm，直徑為1mm，這根導(dǎo)體具有大約10nH的自感。這聽(tīng)起來(lái)也是微不足道的，但當(dāng)通過(guò)它向母板總線傳輸16MHz的方波信號(hào)時(shí)，若驅(qū)動(dòng)電流為40mA，則連接器引腳上的電壓跌落大約為40mV，足以引起嚴(yán)重的信號(hào)完整性和/或EMC方面的問(wèn)題。

● 1m長(zhǎng)的導(dǎo)線具有大約1VH的電感，當(dāng)把它用于建筑物的接地網(wǎng)絡(luò)時(shí)，便會(huì)阻礙浪涌保護(hù)裝置的正常工作。

● 濾波器100mm長(zhǎng)的地線的自感可達(dá)100nH，當(dāng)頻率超過(guò)5MHz時(shí)，會(huì)導(dǎo)致濾波器失效。

● 4m長(zhǎng)的屏蔽電纜，如果其屏蔽層以長(zhǎng)度為25mm“豬尾巴”方式端接，30MHz以上的頻率就會(huì)使電纜屏蔽層失去作用。

可見(jiàn)，想要進(jìn)行產(chǎn)品的EMC分析，就必須關(guān)注電纜所固有的電阻、寄生電容、寄生電感的影響。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：對(duì)于直徑2mm以下的導(dǎo)線，其寄生電容和電感分別是1pF/in和1nH/mm。

4.3.5 敏感電路、EMI騷擾源的位置和共模電流的關(guān)系處理

綜上所述，電快速瞬變脈沖群、ESD等高頻瞬態(tài)共模干擾電流，在電纜接口或機(jī)箱被注入后，主要進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部的導(dǎo)體，再通過(guò)產(chǎn)品的各部分回到參考接地板。一方面，產(chǎn)品系統(tǒng)中的接地點(diǎn)與參考接地板直接互連；另一方面，在進(jìn)行EFT/B、ESD等抗擾度測(cè)試時(shí)，電纜與參考接地板之間的寄生電容較大，使進(jìn)入產(chǎn)品地（GND）系統(tǒng)的共模電流通常會(huì)通過(guò)電纜或接地點(diǎn)流入?yún)⒖冀拥匕濉＿@樣，電纜I/O連接器和接地點(diǎn)在產(chǎn)品中的位置決定外部注入的共模干擾電流的流向與大小。圖4-40是某一工業(yè)產(chǎn)品的共模瞬態(tài)干擾電流的分析（分析建立在電快速瞬變脈沖群測(cè)試原理的基礎(chǔ)上），圖中的箭頭線表示共模電流流動(dòng)的方向。如果其中的一些電纜在產(chǎn)品中的位置發(fā)生改變，那么共模瞬態(tài)干擾電流的流向與大小也將改變。了解這一點(diǎn)，對(duì)分析機(jī)械架構(gòu)對(duì)產(chǎn)品EMC性能的影響有很重要的意義。

同樣，產(chǎn)品在工作時(shí)內(nèi)部的高頻信號(hào)也會(huì)因系統(tǒng)接地線的存在而與參考接地板形成各種共模回路。除了因系統(tǒng)接地線產(chǎn)生的共模回路，還會(huì)因電纜與參考接地板之間的寄生電容而形成共模回路。因此，電纜I/O連接器和系統(tǒng)接地線在產(chǎn)品中的位置也在一定程度上決定EMI共模電流的流向與大小。

既然電纜與連接器在產(chǎn)品中的位置是決定共模電流的流向和路徑的一個(gè)因素，那么在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，就可以考慮共模電流的路徑、敏感電路、騷擾源及連接器電纜四者之間的關(guān)系。通過(guò)合理地布置輸入/輸出連接器、電纜在電路板中的位置，可以使外界注入電纜的共模電流更少地流過(guò)敏感電路，也可以使內(nèi)部電路的騷擾源信號(hào)不流向外界電纜和連接器。一種比較有效的方法是：將那些流過(guò)共模電流的連接器、電纜集中放置在一個(gè)電路板的同一側(cè)，這樣可以使共模電流不流過(guò)整個(gè)電路板及其工作地（GND）。在電路板中分散放置連接器意味著EMC風(fēng)險(xiǎn)的增加。

圖2-50所示的電路板中，連接器與信號(hào)電纜位于電路板的兩側(cè)，當(dāng)共模干擾信號(hào)從電源線中注入后，由于信號(hào)電纜與參考地之間的寄生電容或在信號(hào)電纜處存在接地，這時(shí)會(huì)有相當(dāng)一部分的干擾共模電流流過(guò)整個(gè)電路板，整個(gè)電路板中的電路都會(huì)受到共模電流的影響。而當(dāng)連接器與信號(hào)電纜位于電路板的同一側(cè)時(shí)，如圖4-41所示，共模電流的大小并沒(méi)有改變（信號(hào)電纜對(duì)地的阻抗也未發(fā)生變化），但共模電流的路徑發(fā)生了改變，即共模電流自電源線進(jìn)入電路板后，又很快通過(guò)信號(hào)電纜對(duì)地的分布電容流入?yún)⒖冀拥匕澹罱K使得電路板的大部分的電路受到保護(hù)。當(dāng)然，承載不同特性信號(hào)的連接器在同一電路板的同一側(cè)放置時(shí)，也應(yīng)防止各個(gè)信號(hào)間的串?dāng)_，并對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行濾波。

同樣，利用以上所述例子也可以分析連接器與信號(hào)電纜放置在一個(gè)電路板的同一側(cè)和放置在電路板兩側(cè)對(duì)輻射發(fā)射產(chǎn)生的影響。如圖4-42（a）所示，可以很明顯看出，當(dāng)產(chǎn)品不接地時(shí)，該產(chǎn)品將是一個(gè)很好的對(duì)稱振子天線模型，如果PCB內(nèi)的高頻信號(hào)回流地平面阻抗控制不好，那么就會(huì)產(chǎn)生電流驅(qū)動(dòng)模式的共模輻射。在這樣的連接器電纜布置下，即使將電源線接地（通常產(chǎn)品只會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)接地點(diǎn)），也會(huì)存在單極天線的模型，如圖4-42（b）所示，可見(jiàn)這是一個(gè)失敗的EMC機(jī)械架構(gòu)設(shè)計(jì)。

當(dāng)將電源線和信號(hào)電纜放置在PCB的同一側(cè)后，天線的模型發(fā)生了變化。如圖4-43（a）所示，在產(chǎn)品不接地的情況下，天線的模型由原來(lái)的對(duì)稱振子天線變?yōu)橐訮CB中工作地GND為參考平面的單極天線。從上一節(jié)關(guān)于天線輻射的原理可知，單極天線的輻射效率要比對(duì)稱振子天線的輻射效率低，這就意味著輻射發(fā)射水平降低。如圖4-43（b）所示，在產(chǎn)品接地的情況下，天線的模型將發(fā)生更大的變化，這時(shí)由于電纜在連接器處的接地，已將原來(lái)在產(chǎn)品不接地情況下在天線（電纜）接口處的驅(qū)動(dòng)共模電壓短路，共模電流將不再流過(guò)天線（電纜），即輻射消失。

注：如果這兩個(gè)接口分別隔離，那么器件可以跨接旁路電路，高頻短接。

圖4-44為各種電纜都位于產(chǎn)品PCB同一側(cè)的例子。圖中，電纜都放置在PCB一側(cè)，并在I/O連接器處進(jìn)行接地與濾波處理，遠(yuǎn)端不接地。流入電纜的共模干擾電流都會(huì)在I/O連接器入口處流入大地或參考地，敏感電路受到保護(hù)。同樣，高速電路中的噪聲也不會(huì)流入I/O連接器及與I/O相連的電纜（電纜是等效發(fā)射天線）。另外，A/D轉(zhuǎn)換器將敏感電路和高速電路分散在其兩側(cè)，避免了兩者之間的串?dāng)_。這是一個(gè)比較好的設(shè)計(jì)。

雖然上述討論騷擾測(cè)試時(shí)電纜中的共模電流和抗擾度測(cè)試的共模電流是兩種原理，但是在具體設(shè)計(jì)方案上兩者并未出現(xiàn)矛盾。實(shí)際上在設(shè)計(jì)中也發(fā)現(xiàn)，抑止產(chǎn)生騷擾的共模電流的設(shè)計(jì)方法與抑止抗擾度測(cè)試時(shí)注入電纜上的共模電流的設(shè)計(jì)方法并不矛盾。抑止產(chǎn)生騷擾的共模電流的設(shè)計(jì)是為了讓產(chǎn)品內(nèi)部或電路內(nèi)部的噪聲或騷擾不向外面?zhèn)鬟f；抑止抗擾度測(cè)試時(shí)注入電纜上的共模電流的設(shè)計(jì)是為了不讓外界的干擾流入產(chǎn)品內(nèi)部或電路內(nèi)部，兩者只是方向不同。