电子、电气设备工作时会产生一种伴随电磁辐射,这种辐射并不是设备为了完成预定的功能而必须发射的。伴随辐射是一类主要的干扰源,所有的电子设备都必须尽量消除这种辐射。为了消除这种辐射骚扰,需要了解电磁波辐射的条件。
电磁波辐射有两个必要的条件,那就是天线和流过天线的交变电流。在实际的设备中存在着许多寄生天线,这就是电气、电子设备在工作时产生伴随电磁辐射的原因。避免产生寄生天线,也是电磁兼容设计的目的之一,分析和解决电磁兼容问题的其中一项主要内容就是发现和去除一些寄生的天线结构。如果不能彻底去除寄生天线结构,也应该避免交变电流进入天线,降低它们的辐射效率。为了达到目的,首先需要认识一下天线的结构,也就是说,什么样的结构能起到天线的作用。
图1-1 基本天线结构
电偶极和电流环是两个基本的天线结构,如图 1-1所示。
单极天线形式是只有一根金属导体,另一根金属导体由大地或附近的其他大型金属物体充当,它是电偶极天线的一种变形。单极天线的辐射效率要低一些,但是辐射特性与偶极天线的基本相同。
电流环天线在电路中随处可见,因为任何一个电路回路都可以构成一个辐射天线。控制电流回路的面积是减小电流环路辐射的有效方法。在进行线路板设计和电缆设计时也应该以此为依据。
其实之所以存在天线,实际上就是两个导体之间存在电压。单极天线就是导体和大地之间存在电压。只要去除两个导体之间的电压,或者去除导体与大地之间的电压,就能够减小辐射。屏蔽结构设计和搭接设计应该以此为依据。
电流环通常是由电路的工作回路形成的,很容易识别。偶极和单极天线就不那么容易被发现了,因为驱动这种天线的电压并不是电路的工作电压,而是一些无意产生的电压。
电子产品中常见的寄生偶极天线和单极天线有线路板上的地线、线路板上的外拖电缆(包括机箱外拖电缆、I/O 电缆和电源线等)、数字地与模拟地分开的线路板、线路板与机箱连接的导线、金属机箱上的孔缝、电路板上较长的悬空走线、没有接地的散热片等。在电磁兼容设计时,要尽量消除这些结构或控制它们的辐射。因为当系统的地线设计不合理时,电路的地线因为外界电磁场会在金属部件上感应出电流,当系统的地线设计不合理时,电路的地线电流也会流过金属部件,电流流过阻抗较大的部位(如金属部件之间的孔缝或搭接点)时会产生电压,因此金属部件很容易成为偶极或单极天线。