EMC测试案例分析——由电缆布线造成的辐射超标

该文章主要观点来自于郑军奇老师的作品《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》，欢迎购买老师的作品进行反复拜读。

本文主要简要讲述由电缆布线造成的辐射超标问题分析以及相关应对措施。

本案例主要涉及布线问题，这个问题在其它的案例分析中也有讲述，大家也可以翻看前面的一些案例分析。

Part 1

现象描述:

对某产品进行辐射发射测试, 发现其不能满足标准要求。

具体现象是在100~230MHz频段内有点超出ClassB限值20dB之多｡ 测试频谱如下图所示｡

这是一个辐射发射的问题，一般的辐射发射问题，大多是从线缆上辐射出去的，所以我们首先去分析布局布线的问题。

Part 2

原因分析：

经过仔细检查发现, 该设备的直流供电电源线, 布置如下图实线所示,

即直流电源线从电源连接器､ 电源滤波器进入设备后, 正负电源线分为两路, 经过一段很长的距离后再接到内部连接器｡

从图中可见, 两根直流电源线 (-48V线与0V) 之间形成了一个较大的环路, 如上图箭头线所示｡

根据电磁理论以及麦克斯韦方程, 磁场由电流和电场产生｡

变化的电场会产生磁场（变化的磁场产生电场）, 根据右手定律, 电流流过导体或环路时也会产生磁场, 如下图所示：

可见, 电流和环路是形成辐射的重要条件｡

在本案例中, 正､ 负电源线分开布线形成了 一个比较大的环路。

电源线中流动的电源噪声是由辐射产生的｡

如果闭环较小 (远小于所关心的信号或频率的波长）则场强与闭环面积成正比｡

闭环越大, 天线终端观察到的频率越低｡ 对于一个特定的物理尺寸, 天线将在特定的频率上产生谐振｡

环形天线产生的差模辐射, 远区辐射场的电场强度与回路面积呈线性变化关系｡

闭合回路的面积越大, 差模电流所产生的辐射就越严重｡

另外, 同样面积的闭合回路, 如果回路形状发生变化, 不再是正方形结构, 其产生的辐射干扰效果一样会随着变化, 甚至产生相当大的差异｡

频率增高, 相同结构的闭合回路产生的辐射干扰跟着增强, 并且随着频率增高差模电流的辐射能量逐渐向环路的正面转移｡

更为重要的是, 随着闭合回路由正方形逐渐变化为越来越狭长的矩形, 差模电流所产生的辐射干扰显著减小｡

也就是说, 即使闭合回路的面积相同, 适当地改变其形状, 使之越来越狭长, 同样可以减小相同强度的差模电流的辐射干扰｡

闭合回路上流过的差模电流产生的辐射发射在各个极化方向上的分布是不同的｡

辐射的极化分量主要集中于环路正面的两侧, 而本案例中的散热孔正好位于环路的正上方, 也就是环路辐射最强的方向上｡

这也是本案例中造成的辐射超标的原因之所在｡

Part 3

处理措施：

根据以上分析结果, 要解决此问题, 只要将地线与电源线从散热孔中间布线 ，如下图中虚线所示：

使电源线的环路面积与原来相比大大减小, 经过测试, 在111~165 MHz辐射发射降低近20dBμV/m, 如下图所示：

以上处理方式说明，改变线缆布局方式，是可以减少辐射干扰的。

如果还有超标的频点，还可以针对不同频率，通过滤波、屏蔽等手段进行优化。

Part 4

思考与启示：

由以上分析过程我们可以得到以下启示和结论：

1.根据差模电流在各个极化方向上的辐射水平的不同。

2. 尽量使邻近电缆环路､ PCB 上的印制线或元器件在较大辐射水平的极化方向上有最小的电长度。

这样可以保证它们耦合到较少的电磁能量｡

3. 在对机箱内部的电缆进行布线设计时, 确保电缆在较大辐射水平的极化方向上的长度最小, 从而使电缆耦合到的电磁能量最少｡

4. 确定得到最小的机箱对外辐射效果的通风窗或观察窗的位置和结构｡

通风窗或观察窗应尽可能安装在辐射水平较低的位置｡

如果通风窗或观察窗是由矩形孔构成的, 还应该考虑辐射场在窗口位置的各 个方向的极化水平

尽量使矩形孔的长边不在辐射水平最大的极化方向上, 以便使从机箱辐射出去的电磁能量最少｡

5. 有关线缆其它的一些布局建议，可以详细浏览前期的文章，如《产品中电缆、连接器、接口电路、PCB互联对EMC的影响概述（一）——线缆》以及《电缆布线的常规要求》等。