基于電磁兼容預估的加載電纜電磁建模修正與屏蔽接地設計研究*

馬 虹，張曉陽

(1.南京工業職業技術大學電氣工程學院，江蘇 南京 210023；2.南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094)

電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)是研究在有限的空間、時間、頻譜資源等條件下，各種用電設備(廣義還包括生物體)可以兼容共存，并能夠達到系統穩定工作要求的一門學科。解決電磁兼容問題不僅需要建立起理論研究基礎，更要找到解決問題的措施、方法和經驗等實際手段。影響電子設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、射頻加熱器、頻段設備、交流高壓輸電線、高頻醫療電子設備、高頻電爐等高頻輻射設備、無線電及雷達等發射機、各種信號接口及各種接地裝置等產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生交流傳導噪聲。這些噪聲在日常生活和電子設備中隨處可見。隨著科技水平的提升和新技術的廣泛應用，電子電氣產品層出不窮，且數量還在大大增加，特別是各種功率邏輯、開關器件等高壓脈沖電路的普遍使用及更高頻率資源的開發利用，更使得內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]。在軍事領域，電子通信設備還需適應高功率電磁環境，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 受到業界的廣泛重視[7]，并已日益上升為國家戰略。

EMC 成因包括兩個方面，一是電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)，二 是 電 磁 耐 受 性(Electro Magnetic Susceptibility，EMS)。實際中，EMI成因非常復雜，其產生影響的特征和程度不一樣，影響設備或系統運行的范圍也十分廣泛，出現的情況輕則造成簡單擾亂，重則導致系統癱瘓[8]。諸如干擾電視和無線電接收、丟失傳輸中的數據、網絡失步、內部裝置子系統和大系統出現EMI 而無法正常交付產品設備、醫用電子設備出現故障，影響檢查結果與使用，汽車、飛機、地鐵等交通工具運行控制系統出現故障、導航定位設備出現突發誤差、爆炸裝置的無意引爆、重要工業物聯網控制的生產過程失效、智能制造系統非技術性故障、軍用通信電子設備因無源互調(Passive Inter-Modulation，PIM)非線性效應而產生的毀傷等。

為了使電子設備能夠正常運行，免受電磁干擾，早在1981 年美國就執行了較嚴格的EMC 設計標準和規范，并開始了EMC 建模。歐洲也于1989 年公布了EMC 指標，確保設備系統電磁環境穩定。EMI和EMC 是相伴而生的，隨著電子電氣系統復雜度的提高和數量的持續增長，電磁環境變得日益惡化，使得EMI 問題的影響范圍和影響程度更加廣泛和深入[9-10]。繼續沿用傳統的經驗設計或者通過設計生產之后再去解決EMI 問題，都難以實現設備和系統的最佳EMC，常常需要付出昂貴的代價且所需處理時間不能確定。最好的方法應該是在設備或系統的設計開發之初就充分考慮EMI[11]，科學論證電磁兼容特性，進行EMC 建模預估。即在嚴格遵循優良EMC 技術工藝的基礎上，進一步分析干擾源及敏感單元的可耦合通道，建立若干模型并運用計算機仿真處理[12-13]。

本文在進一步研究分析EMC 預估方法的基礎上，針對電路板中加載電纜輻射EMC 預估設計，搭建實驗平臺進行模擬實際應用場景測量和驗證，研究分析Hubing 模型、暗室法和仿真模擬3 種預估方法，通過對Hubing 假設的修正及仿真，提高了預估精度，對高端電子電氣設備從中國制造到中國創造的升級具有一定的參考價值。

1 EMC 預估分析方法

EMC 設計方法主要有經驗分析法、測試分析法和建模仿真法3 種。經驗分析法是憑借積累的經驗，在設計復雜電子系統時全程考慮電磁兼容設計，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、超調高頻段的開發、新材料應用等方面的快速發展和系統復雜度的提高，僅僅憑借經驗來設計EMC 往往力不從心。測試分析法是借助近場探頭、頻譜分析儀、場強儀、微波功率計等電磁檢測儀器，現場檢查干擾源的泄露位置，然后對測試頻譜進行分析，確定超標的頻點及強度。此方法也是在設計初期進行，但僅關注功能而不考慮電磁兼容，等到系統通電后才能根據測試干擾評估結果，有針對性地采取屏蔽、接地、濾波等補救措施。一般而言，測試分析法通常需要反復測試和修改設計才能達到電磁兼容標準的要求[14]，特別是瞬時脈沖干擾僅用測試的方法很難檢測出真實情況，因此，對于復雜系統，測試分析法在EMC 的設計中收效甚微。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模型、分布參數模型、自然噪聲干擾模型這三個方面開展建模仿真，通過建立系統電磁環境模型，進一步分析干擾源輻射機理、電磁場分布、電磁干擾現象等，進而采取抑制干擾的有效措施。

EMC 預估法是建模仿真法和測試分析法的融合、互補和完善，它是在設計之初就充分考慮電子設備和系統實際應用的電磁環境，不斷優化EMC 設計，最大程度得到設備或系統EMI 極限條件下的正常運行結果。[15]EMC 預估法可根據不同的設備和系統采用不同的方式，然后再通過進一步的實際測量進行有效性驗證評估，使問題區域盡早暴露。[16-17]現將研究歸納出的兩種典型預估方式通過具體案例開展分析。

1.1 以生產場地為平臺的EMC 預估方式

這類預估主要是通過搭建接近實際的仿真實驗裝置，運用電流探頭示波器、頻譜儀及數字電壓表、場強儀、功率計、電磁干擾接收機等儀器儀表對產品的各部分電路中有可能產生的干擾點進行檢查和測量，從而得出電磁干擾情況。例如，對某“A”型光纖繪圖儀設備進行EMC 預估。搭建實驗用的繪圖儀外殼，其由3/6 in(英寸)厚的鋁板制成，內有用于通風和饋紙器電機的斷路裝置、CRT 偏轉線圈、驅動電路等。預估包含AC 線的噪聲電流測量、AC 線濾波器選擇、AC 線抗擾度測試、AC 線傳導敏感度試驗、控制線抗擾度測試、輻射敏感度試驗、互連電纜感應度試驗等。與此同時，還應關注接地、屏蔽和測試裝置的設置和研究應用。測試和預估的重點確定為:

①如何改變表面處理、設計EMI 密封襯墊和金屬網狀通風過濾器等，使繪圖儀機殼形成一個有效的屏蔽。

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 線的傳導噪聲和過/欠壓的條件，即對過零檢測器、晶閘觸發電路、高壓電路、步進電機驅動電路進行噪聲測量與評估。

④對互連電纜的敏感度電平進行測試并設計屏蔽接地方式。

1.2 基于EMI 的EMC 預估方式

此類EMC 預估方式是在設計的早期進行，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。通常可以通過電磁理論估算得出參考結論，并以此作為設計的準則進行設備結構和布局設計。例如，在對一個功率控制器EMC 預估時，首先進行的是功率控制器EMI 估計，預估過程要化繁為簡，通過原理分析和經驗公式，“分條分塊”進行分析估算，具體步驟為:

①由內部20 kHz 功率分配系統所產生的場計算。機殼內20 kHz 功率分配系統產生的輻射場主要是磁場，則輻射磁場近似計算式為:

式中:r是測量儀器到測量點的距離，m；S是環面積，m2；I是電流幅值，A。測量儀距離測量點設為7 cm，測量點選擇在接縫、條形插槽、孔隙等有可能成為高電平的發射點上，且假設這些測量點在低頻時等效為一個攜載電流的導線環(環面積S)。可通過實際測量驗證近似公式，理論計算誤差。

②來自高于20 kHz 內部產生的信號場。經分析，輻射出三個基本源，即20 kHz 電源諧波、時鐘頻率、20 kHz 信號諧波和上述兩個諧波頻率的互調產物，經實際測量得到上述各頻點電磁干擾強度。

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)整數倍長度的電纜進行諧振頻率計算和測量，即運用傳輸線理論公式計算預估的電場，并與實測電場進行對比分析。

④傳導發射。傳導發射是指那些非信號頻率在電纜上所產生的電磁輻射，它有可能是連續的或是瞬間的。實際中，一般用EMI 降低技術來減少傳導發射，具體可以通過降低發射源輻射和增設濾波器等方法實現。

⑤內部電路對內部產生場的敏感度(串擾)。對于設備內部而言，因串擾和耦合無處不在，對系統屏蔽罩內電路的輻射發射敏感度預估是比較困難的。實際中，可對電源PCB 線和互連電纜距離較近的部分運用“感受器導線的類型和粗細的改變造成受害電路中感應電壓電平的波動，進而引起受害電源和負載阻抗的變化”[18]思路進行串擾估算和測量。

2 一種改進的加載線纜EMC 預估方法

本文在研究分析EMC 預估方法的基礎上，提出了一種改進的加載線纜EMC 預估方法。針對電路板中加載線纜輻射EMC 預估設計，研究分析了Hubing模型、暗室法和仿真模擬3 種預估方法，通過對Hubing 假設的修正改進，進一步提高了預估精度。

電磁建模是用數學解決復雜工程問題的重要方法。在EMC 預估中，建模過程主要有圖形描述、電氣描述定義、模型的有效性、求解結果描述的定義和輸出顯示5 個步驟。在加載線纜輻射EMC 預估中，美國Hubing 提出了基于電路參數分析電流驅動分析模型，實現了目標輻射快速重構。在此分析中，Hubing 為了簡化研究過程，假設輻射線纜共模電流是簡單直流模型，即認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，當頻率較高時，其輻射預估精度必將大大降低。為了解決加載線纜高頻輻射預估精度低的問題，結合國內學者的相關前沿研究[19]，本研究利用電流傳輸波動特性，通過對Hubing 假設的修正改進，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標準暗室測試距離時，輻射電磁干擾噪聲測試起始頻率為30 MHz，對應波長的1/4～1/3(根據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；線纜中心點處的電流定為基準電流I0，兩側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特性；根據麥克斯韋方程組和線纜輻射關系，可得帶電導線在遠場產生的輻射電場如式(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；r為遠場點到線纜的距離；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生相應的輻射電場為Ei，在測試點產生的合成場為不同的輻射電場Ei在測試點處的矢量和，如式(3)所示:

搭建實驗平臺進行模擬實際應用場景測量和驗證。在實驗平臺中，改進了加載線纜抗干擾屏蔽接地方法。電子設備中的接地分為保護型接地和功能型接地兩種，保護型接地主要是防止設備靜電及漏電等；功能型接地包括系統接地、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計會直接影響其屏蔽效果。圖2 為實驗平臺設計的一種混合接地方式，當傳輸信號在低頻端時，同軸電纜一點接地；而傳輸信號在高頻端時，達到多點接地的要求，將可能產生的輻射干擾降到最低，實現信號的寬頻帶傳輸。圖2 中右邊表示為負載端的機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箱與同軸電纜屏蔽層一起直接接地。當信號頻率較低時，電容C可視作開路，同軸電纜只有一點接地；而信號頻率較高時，電容可視為短路，構成兩點接地，可在較寬頻帶范圍內有效抑制干擾。

圖2 同軸電纜混合接地示意圖

設備接地線一般宜采用扁平的銅帶，根據經驗公式，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，當接地銅帶橫截面不變時，導體寬厚比大，接地電感Ld就小，且電感大小與接地線長度成正比。因此，實際制作接地線時必須選用寬厚比大，盡量短的矩形扁平銅帶實現接地，以減小接地電感，增強抗干擾能力。

3 仿真實驗結果及精度對比分析

加載電纜在電子系統中應用較多，研究其預估方法具有典型意義。通過Hubing 修正模型預估仿真、計算機模擬仿真、暗室實際測量等，進一步驗證修正模型的正確性。

3.1 Hubing 修正模型預估仿真結果

對輻射電纜共模電流分布模型修正后，仿真預估結果如圖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系如下:A＝20lgU/U0，其中A是分貝值，U是實測的干擾電壓(μV)；U0是基準電壓(1μV)。

圖3 Hubing 修正模型預估結果

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

3.2 暗室法預估測試結果

采用3 m 標準電波暗室法設置測試裝置，用電磁干擾接收機進行輻射干擾(Radiated Emission，RE)測試，用頻譜儀進行近場頻譜分析，并用高頻探頭采集驗證電路中的電壓，綜合分析測試數據，結果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同頻點的輻射強度有較大差異，在600 MHz 趨于平緩下降，其曲線走勢與Hubing 修正模型仿真結果相吻合。

圖4 暗室法預估測試結果

3.3 計算機模擬仿真結果

以式(3)為依據，在充分考慮幅值修正因子和相位修正因子后，以修正的Hubing 仿真模型進行計算機模仿真設計，使用瑞士SPEAG 公司面向電磁兼容(EMC)的SEMCAD 軟件，通過運行編寫的傳輸線輻射運行程序實現計算機模擬估算，運算結果參看圖5 的程序運算結果曲線。

3.4 模擬結果分析對比

輻射線纜電磁輻射3 m 法標準電波暗室測試結果、計算機模擬仿真運算結果、未修正的Hubing 模型結果三者對比曲線如圖5 所示。

圖5 輻射線纜暗室測試、計算機仿真結果、Hubing 結果對比

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

4 結束語

本文在分析電磁干擾成因的基礎上，研究了EMC 預估法，并通過實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，得到場強求解修正公式，并對理論計算公式進行了仿真。仿真結果表明: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算公式具有一定的科學性和合理性，結合計算機模擬，可使預估精度提高20 dB 以上，更接近實際的暗室測量預估。為克服線纜輻射的影響，研究設計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、信息技術的飛速發展，電子設備系統設計會越來越復雜，電磁環境也會越來越惡劣。因此，電磁兼容已成為復雜電子工程中迫切需要解決的一個重要技術問題，通過對電磁建模不斷的研究與修正，運用計算機仿真計算，EMC 預估將具有更好的精確性，且必將得到廣泛的應用。