无线终端产品印制电路板中辐射干扰的研究.doc

毕业设计报告（论文） 报告（论文）题目：无线终端产品印制电路板 中辐射干扰的研究 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子信息工程 作者所在班级： b07213 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2011 年 6 月 20 日 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院北华航天工业学院 毕业设计毕业设计( (论文论文) )任务书任务书( (理工类理工类) ) 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： b07213 学 号： 指导教师： 职 称： 完成时间： 毕业设计(论文)题目： 无线终端产品印制电路板中辐射干扰的研究 纵向课题（）理论研究（ ） 教师科研 课 题横向课题（ ） 应用研究（） 教师自拟课题（）应用设计（ ） 题目来源 学生自拟课题（ ） 题目类型 其 他（ ） 注：请直 接在所属 项目括号 内打 “” 总体设计要求及技术要点： 总体设计要求：首先阐述了电磁兼容性的相关理论，包括电磁能量的传导耦合和 辐射耦合、共模辐射耦合和差模辐射耦合；进而给出了印制电路板上共模电流辐射耦 合的模型，并对此进行分析、计算，得出结论。其次，基于理论研究，论文对无线终 端产品的印制电路板上的共模电流辐射耦合和噪声干扰作了分析，结合无线公话产品 在开发中遇到的辐射干扰现象，提出了抗干扰解决方案，并得以实现。最后论文总结 了产品开发中的实际问题，再次与理论相结合，为以后的工作和研究提供了宝贵的经 验。 要求熟练掌握 pcb 电路图和板图的设计，复杂的无线终端电子产品的焊接技术。 工作环境及技术条件： pc 机，电烙铁。 工作内容及最终成果： 随着电子技术的发展，电子设备在各个方面的应用越来越普及，对于电子设备的 电磁兼容性要求也越来越高，同时对电子设备的抗干扰能力也有了严格的要求，而印 制电路板 pcb 设计在电子设备的电磁兼容性及抗干扰能力方面有着重要的作用。我 们首先阐述了电磁兼容理论，包括电磁能量的传导耦合和辐射耦合、共模辐射耦合和 差模辐射耦合；进而给出了印制电路板上共模电流辐射耦合的模型，并对此进行分析、 计算，得出结论。再次，对 pcb 的共模辐射模型及分析 最后再对无线终端产品印制电路板中辐射干扰的分析并且运用实际当中。 时间进度安排： 第七学期第六周 根据学生选择情况，完成双向选择，下达毕业设计任务书； 第七学期六十五周 教师指导学生查阅文献，撰写开题报告，准备外文译文、文献综述； 第七学期第十六周 论证学生的开题报告，确定能否开始毕业设计； 第八学期一十五周 学生进行毕业设计，完成毕业设计所有文档。答辩委员会验收； 第八学期第十六周 毕业设计答辩，评定成绩，评选优秀毕业设计(论文)，汇总上报； 第八学期第十七周 系、教研室进行毕业设计总结，汇总上报教务处； 第八学期第十八周 毕业设计资料整理归档。 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字： 年 月 日 北华航天工业学院 本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 无线终端产品印制电路板中辐射干扰 的研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设 计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的法律结果完 全由本人承担。 本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计 （论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有 权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、 数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文） 的部分或全部内容。 特此声明 毕业设计（论文）作者： 指导教师： 年 月 日 年 月 日 i 摘 要 随着电子技术的发展，电子设备在各个方面的应用越来越普及，对于电子设备的电 磁兼容性要求也越来越高，同时对电子设备的抗干扰能力也有了严格的要求，而印制电 路板(pcb)设计在电子设备的电磁兼容性及抗干扰能力方面有着重要的作用。 论文中首先阐述了电磁兼容性及电磁干扰的相关理论，再论述了印制电路板设计中 的抗干扰措施与电磁兼容性，最后论述了电磁兼容技术在印制电路板中的应用，从印制 电路板的选取到元器件的布置，地线、电源线以及信号线的设计，最后结合 protel 公 司的 protel99se 软件，给出了一种在 pcb 设计中减少电磁干扰的设计方法，这些为 以后的工作和研究提供了宝贵的经验。 关键字 电磁兼容 电磁干扰 印制电路板 噪声 ii abstract with the development of electronic technology， electronic equipment in all aspects of the application for electronic equipment is becoming more and more popular， the electromagnetic compatibility and higher demand for electronic equipment， and the anti- interference ability also had strict requirements， and printed circuit board (pcb) design in electronic equipment emc and anti-jamming ability has important role. paper first elaborated the electromagnetic compatibility and the related theory of electromagnetic interference，then discusses the printed circuit board design anti-interference measures and electromagnetic compatibility， it also expounds the electromagnetic compatibility technology in the application of printed circuit board， from the selection of printed circuit board to the arrangement of components， and the design of the power supply cord wire and the signal， finally the paper protel company protel99se software， in pcb design are given in reducing the design method of electromagnetic interference， these for the future work and study provides valuable experience. key words： emc common-mode current printed circuit noise wireless public phone iii 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景及发展简史 1 1.2 电磁环境问题 1 1.3 电磁兼容的重要性 2 1.4 研究对象及研究领域 3 1.5 电磁兼容研究的基本内容 5 1.6 emc 设计方法的演变 5 第 2 章 电磁干扰7 2.1 电磁干扰的定义 7 2.2 电磁干扰（骚扰）的构成 7 2.3 噪声源的分类 8 2.4 噪声干扰的方式 .10 2.5 噪声干扰的传播途径 .10 2.6 电磁干扰的分类 .12 2.6.1 内部干扰 .12 2.6.2 外部干扰 .12 2.7 电磁干扰机理 .13 2.8 电磁干扰的危害 .14 2.9 电磁干扰抑制技术 .14 2.9.1 抑制干扰源 .14 2.9.2 切断电磁干扰耦合途径 .15 2.9.3 降低电磁敏感装置的敏感度 .17 第 3 章 印制电路板设计中的抗干扰措施与电磁兼容性.18 3.1 电路板设计的一般原则 .18 3.1.2 布局 .18 3.1.3 布线 .19 3.2 电路板及电路抗干扰措施 .19 3.2.1 电源线设计 .19 iv 3.2.2 地线设计 .19 3.2.3 合理设置退耦电容 .20 3.2.4 特殊器件的处理 .21 3.3 电磁兼容性设计 .21 3.3.1 印刷电路板设计中的电磁兼容性措施 .21 3.3.2 配套于印刷电路板的开关电源的电磁兼容性 .22 3.3.3 传输线的电磁兼容性 .23 3.3.4 静电的防护 .23 第四章 pcb 设计中电磁兼容技术的应用 .24 4.1 印制电路板的选取 .24 4.2 元器件布置 .24 4.3 地线的布置 .24 4.4 电源线的布置 .25 4.5 信号线的布置 .25 4.6 protel99se 在 pcb 电磁兼容设计中的应用 26 第 5 章 结论.27 致 谢.28 参考文献.29 附 录.30 1 无线终端产品印制电路板中辐射干扰的研究 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及发展简史 电磁兼容（electromagnetic compatibility，emc）是一门迅速发展的综合性交叉学科。 电磁兼容主要研究在同一电磁环境下工作的各种电子器件、电路或系统，都能正常工作， 达到兼容状态。电磁兼容以电磁场和无线电技术理论为基础，涉及微波技术、微电子技 术、计算机技术、通信技术、网络技术及新材料等多个技术领域。在电力、电源、通信、 交通、金融、航空、航天、军工、计算机、医疗等各个行业都有着广泛的应用。随着电 磁环境的不断恶化，电磁干扰已经成为电子、通信设备中必须面对的关键问题，电磁兼 容越来越受到人们的重视。 随着高频、高速数字通信的不断发展，高速大规模电子系统的广泛应用，电路设计 越来越复杂，pcb 集成度也越来越高，这就对从事电子或通信领域的专业技术人员提出 了更高的要求。pcb 设计又直接影响到电子、通信设备的性能。当系统时钟达到 120mhz 时，基于传统方法设计的 pcb 将无法工作。因此，在 pcb 设计中考虑电磁兼 容性已经成为必须采取的手段。 电磁兼容的研究工作可追溯到 19 世纪，希维赛德 1881 年写的“论干扰”一文，是 重要的早期文献。此后 1887 年柏林电气协会成立了全部干扰问题委员会，1889 年英国 邮电部门研究了通信干扰问题。到 20 世纪 20 年代以后各工业先进国家都日益重视电磁 兼容的研究，纷纷成立相关的国际组织；40 年代为了解决飞机通信系统受到电磁干扰造 成的飞机事故，开始较系统的进行电磁兼容技术的研究，特别是美国 1945 年颁布了一系 列电磁兼容军标和电磁兼容设计规范，使电磁兼容技术进入新的阶段；60 年代起，美、 苏、英等国家军事部门都先后建立较完善的电磁兼容实验室、电磁兼容分析中心，制定 各种标准规范，研究各类武器系统在恶劣环境下的电磁干扰问题；到了 80 年代，国外电 磁兼容标准规范从军事转向民用发展，为满足规范要求工业发达国家投入了大量人力物 力，开辟实验基地，建立屏蔽室，研究各种干扰测试方法和抑制措施，形成电磁兼容发 展高潮。 我国电磁兼容工业起步较晚，20 世纪 70 年代随着 4 个现代化的实施才逐渐发展起 来。 1.2 电磁环境问题 为了设计和研制一个有抗扰性的武器装备系统，使其能在有电磁干扰的环境中正常 2 工作，首先必须研究该系统在使用期间所处的电磁辐射环境；只有对电磁辐射环境进行 定义以后，才能着手拟定符合实际的系统抗电磁辐射干扰要求。 电磁辐射环境由各种电磁发射源产生，其主要来源是发射机、设备自身的乱真发射、 非线性效应所产生的互调以及电磁脉冲、自然界中的雷电、静电、大气噪声等。而军事 装备系统的电磁环境的来源主要取决于场所和周围环境。如在非实战工作条件下，电磁 环境的主要来源是自身和友邻的发射。在实战工作条件下，敌方的发射机将成为外加的 主要来源。因此，系统生存和工作的电磁环境是依赖于使用和周围环境的。 一个设备在具体电磁环境里所受的影响，取决于设备的敏感性、环境影响的幅度、 频率和时间特性，以及设备的响应时间和频率响应等。为了避免这些问题，产品设计师 必须考虑电磁环境对每个新系统可能产生的影响。当预测设备或系统在指定电磁环境内 的工作状况时，应考虑所有与环境有关的已知资料。 电磁环境电平是根据实际测量或预测而定的。为了制定抗电磁辐射干扰的要求，必 须把所预测的单个环境综合为一个合成的电磁辐射环境分布图。每个设备、分系统和系 统在其寿命期内会处于各种不同的电磁环境。例如，一枚导弹在装运、库存、检查、发 射和接近目标时将处于不同的电磁环境中。在确定机内设备可能处于的电磁环境时，应 考虑安装在特定底座的实际辐射电平而不是通用的辐射电平。对某些设备，设计时不但 要对其在某一特定的电磁环境下的性能进行分析，而且还应考虑到该设备在其他环境中 应用的可能性。这样，尽管由于设计中考虑的电磁环境很恶劣，使设备的造价提高，但 却能使设备具有良好的适应性，这种提高是合理的。 电磁环境所产生的有害影响主要有以下几种： 烧坏或击穿元件、天线等； 接 收机信号处理电路性能降低； 机电设备、电子线路、元件、军械等错误或意外的工作； 电爆装置、易燃材料等的意外触发或点燃。 电磁产生的有害影响有两个基本途径，一个是不希望的能量通过预定的通路（天线、 传输线）进入到使用电磁能量的系统，设备或电路中；一个是非预期的能量进入与响应。 消除第一种影响主要是接收机的设计问题，消除第二种影响不仅和设计有关，还包括频 率的使用和对寄生发射的控制。消除电磁环境的有害影响除从设计上考虑外，还可通过 相应的安装和操作使用限制，对设备和人员生存和工作的电磁环境进行控制。 在某一具体电磁环境中，对受害者的影响取决于该受害者的敏感特性、环境电平、 频域和时域特性。为避免有害影响问题，考虑电磁环境对系统、分系统和设备的影响是 十分必要的。 1.3 电磁兼容的重要性 1.为了电子设备工作的可靠性 磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电子设备工作 3 性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作，甚至造成电子设备 中的某些元件损害。因此对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要注意电子 设备不受周围电磁干扰而能正常工作，又要注意电子设备本身不对周围其他设备产生电 磁干扰，影响其他设备正常运行。 2.为了电子设备的国际接轨 近来，电磁兼容性已由事后处理发展到预先分析、预测和设计。电磁兼容已成为现 代工程设计中的重要组成部分。电磁兼容性达标认证已由一个国家范围向全球地区发展， 使电磁兼容性与安全性、环境适应性处于同等重要的地位。 例如，欧共体将产品的电磁兼容性要求纳入技术法规，强制执行 89/336/eec 指令， 规定从 1996 年 1 月 1 日起电气和电子产品必须符合电磁兼容性要求，并加贴 ce 标志后 才能在市场销售。 为了与国际接轨，我国外经部和国家出入境检验局于 1999 年 1 月起对个人计算机、 显示器、打印机、开关电源、电视机和音响设备实施电磁兼容性强制检测。炸的危险， 电磁能量通过对人体组织的物理化学作用会产生有害的生理效应。 3.为了人身和某些特殊材料的安全 电磁波通过与电爆装置的控制电路感应耦合，形成的干扰电流可能引起电爆装置爆 炸。因此 gjb786 中规定，电引爆器导线上的电磁干扰感应电流和电压必须小于最大不 发火电流和电压的 15%。另外，各种燃油在强电磁场的作用下（直接照射、电火化、静 电放电）有发生燃烧和爆范 vde0878，1945 年美国颁布了第一个电磁兼容性军用规范 jan-1-225。我国从 1983 年开始也陆续颁布了一系列有关电磁兼容性规范。 4.为了当今和未来战争的需要 核爆炸时产生的电磁脉冲，以光速向外辐射传播，其电场强度可达 105v/m，磁场 强度可达 260a/m，脉冲宽度为 20ns 量级，电磁脉冲峰值处频率为 105hz。这种电磁脉 冲作用于电子设备时，轻者造成电子设备性能恶化，重者造成电路元件损坏。 特别是当今和未来战争中，已经应用的电磁脉冲弹和正在研制的高功率微波武器都 具有类似核爆炸时产生的电磁脉冲辐射，将对电子设备构成致命威胁。而电磁兼容可以 为对抗这种威胁提供基本技术指导。 1.4 研究对象及研究领域 电磁兼容学科涉及的理论基础包括数学、电磁场理论、天线与电波传播、电路理论、 信号分析、通信理论、材料科学、生物医学等。构成电磁干扰必须具备 3 个因素：电磁 干扰源、对干扰源敏感的受扰器和传递媒体。电磁兼容要研究的对象正是它们的特性、 边界条件和有效地抑制方法。无论是认为的或自然的电磁干扰源，可以按它们构成威胁 的程度划分为 4 类，依次是雷电、强电磁脉冲、静电放电和开关操作。 4 1.雷电（lighting） 雷电或更确切地说是伴随雷电产生的雷电电磁脉冲，会对电气、电子设备造成严重 的威胁。雷电电磁脉冲是最为严重的自然电磁干扰源。 2.强电磁脉冲(emp) 一般讲强电磁脉冲是指两种极强的人工电磁干扰源：核电磁脉冲(nemp)或高空核电 磁脉冲(hemp)和非核高能微波电磁脉冲（hpm） ，它们都是用极强的电磁辐射对人体特 别对电气或电子系统、设备进行干扰破坏，使之失效、瘫痪。 3.静电放电(esd) 实际上静电放电是人或设备在低湿度环境中运动（一般与化纤地毯或化纤衣鞋有关） 很容易产生的一种物理现象，即在运动过程中吸取和释放静电。 esd 不同于周期性的脉冲是一种非周期的放电脉冲，它的频谱能量分布是连续性的， 所以是一种宽带干扰源，不仅能干扰宽带设备甚至能干扰窄带设备。 4.开关操作 由于开关的通或断引起电压或电流急剧变化产生瞬态干扰。其中的电子开关虽然不 如机械开关那样易于产生火花放电，但电子开关的速度快，导致电流迅速变化的干扰就 不可避免。在日常生活中常见的实例有电冰箱、空调、电加热器等接入电网或断开时， 会出现持续时间很短的电压脉冲，这是由于电感性负载的接入或断开造成的电感性的电 压瞬变。 电磁兼容性所涉及的研究领域非常广，具体归纳如下： 1.电磁场与传输线（耦合与串扰） 2.电磁脉冲 3.强电干扰与静电放电 4.雷电 5.电磁兼容性测量 6.电磁兼容性标准规范 7.屏蔽 、滤波和接地 8.电磁环境和生物场效应 9.频谱管理和抗干扰通信 10.数字电路和计算机泄露 11.印制电路板中的电磁兼容性 12.电磁干扰源、噪声、乱真和谐波 13.电磁传感器、探头和天线 14.电磁兼容性分析和设计（预测、数学模型、物理模型） 15.应用领域中的电磁兼容性 16.电磁兼容教育 5 1.5 电磁兼容研究的基本内容 1.电磁干扰特性及其传播方式的研究 人们为了控制电磁干扰，就得弄清干扰的特性和它的传播方式。如根据干扰频谱分 布可以了解干扰特性是属于窄带还是宽带的；根据作用的时间可以把干扰分成连续的、 间歇的或是瞬变的；按传播方式可分为传导、辐射、敏感或共地阻抗耦合等几类。 2.电磁兼容频谱利用的研究 无线电频谱是一个有限的资源，目前世界上频谱污染问题已相当严重，如何合理的 利用无线电频谱，防止频谱污染，消除电磁干扰的危害，预防电子系统之间和系统设备 间的相互干扰，已引起人们的高度重视。 3.电磁兼容性规范、标准的研究 电磁兼容性规范、标准的研究是电磁兼容性设计的主要依据。通过指定规范、标准 来控制电子系统或设备电磁发射和敏感度，从而使系统和设备相互干扰的可能性大大下 降，达到防患于未然。 4.电磁兼容性测试和模拟技术的研究 由于电磁环境很复杂，频率范围宽广，干扰特性又各不相同，电磁兼容性测试不但 项目繁多，而且还在不断地深化和扩展之中。这就要求不断改进和完善测试技术，研制 适合于电磁兼容性测试用的各种模拟源和检测设备。 1.6 emc 设计方法的演变 emc 设计方法的历史发展过程经历了 3 个阶段。 1.问题解决法 它的实质是等发现 emc 问题后在采取措施的方法。随着技术的发展，电气、电子 设备出现电磁干扰的问题愈来愈突出，在一个设备的研制过程中有解决不完的 emc 问 题，而且往往顾此失彼，这些问题又多数在最后调试中发现，这时设备或系统已研制好， 要解决 emc 问题要进行大量拆装，有的要重新设计、返工，这种解决问题的方法既不 安全，又造成人力、财务、时间的大量浪费，在国外这种方法一直延续到 20 世纪 50 年 代。目前我国大多数制造厂商仍停留在这个阶段。 2.规范法 它是以贯彻相应的国、军标（或相应的国际标准）为基础，建立必备的实验条件， 通过测试验证，把电气、电子设备的相互干扰抑制在相应的国、军标范围内，这种方法 简便易行。美国从 20 世纪 40 年代就开始制定 emc 标准，到 80 年代，军标开始扩大到 民品。美国运用这种方法较普及，从 60 年代一直延续到 80 年代，因此周期长、投资大， 但仍存在“过安全”或“欠安全”的缺点，也就是说已符合 emc 标准的设备或系统， 6 在它们构成最终系统是还可能存在不兼容现象或因某些 emc 标准过于苛刻而造成付出 过多的代价。随着大规模集成电路的迅猛发展和推广，产品从部件到系统的集成密度愈 来愈高，直接用测试方法去确定大量存在的 emc 问题可能性就愈小。 3.系统法 它是从设备（部件） 、分系统、系统的研制开始就和 emc 要求结合起来的方法。一 个设备的具体研制过程见表 1-1 系统法的 emc 研制过程。 表 1-1 系统法的 emc 研制过程 开发过程emc 需求 指标 设计 综合 集成 评定 原理 测试 emc 反复优化 emc 要求 emc 知识 emc 描述 emc 设计准则 emc 设计准则 emc 评定（仿真） emc 评定（测试） 7 第 2 章 电磁干扰 2.1 电磁干扰的定义 所谓电磁干扰是指由无用信号或电磁骚扰（噪声）对有用电磁信号的接收或传输所 造成的损害。而电磁噪声是指不同于任何信号的电磁现象，它通常是脉动的或随机的， 也可以是周期的。 电磁骚扰（emd，electromagnetic disturbance）是指可能引起装置、设备或系统性 能降级或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、 有用的电磁能量信号或传播媒介自身的变化。 电磁干扰（emi，electromagnetic interference）是指由于电磁骚扰引起的设备、传 输通道或系统的性能下降。 电磁骚扰仅仅是电磁现象，即客观存在的一种物理现象，它可能引起设备性能的降 级或损害，但不一定已经形成后果。而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。过去在术语 上并未将物理现象与其造成的后果明确划分，统称为干扰（interference）。 iecso（161）于 1990 年发布后，引入了 disturbance 这一术语（中文译为“骚扰”）， 给出了明确的区分。但是为了方便，通常人们在分析电磁干扰问题时常常是与电磁骚扰 联系在一起讨论，或统称为电磁干扰。 2.2 电磁干扰（骚扰）的构成 一个简单的电磁干扰模型由三个部分组成：电磁干扰源、耦合路径、接收器。电磁 干扰模型的组成如图 2-1 所示。 图2-1 电磁干扰模型 电磁干扰源 耦合路径 接收器 控制发射 减少噪声级别 降低电磁辐射 切断耦合路径 控制易受干扰性 降低电磁辐射 增加接收器抗干扰能力 8 1.电磁干扰源 电磁干扰源包括微处理器、微控制器、静电放电、传送器、瞬时功率执行元件，比 如说：机电式继电器、开关电源、闪电等。在一个微控制器系统里，时钟电路通常是最 大的宽带噪声发生器，而这个噪声被分散到了整个频谱。随着大量的高速半导体器件的 应用，其边沿跳变速率非常快，这种电路可以产生高达300mhz 的谐波干扰。 2.耦合路径 噪声被耦合到电路中最简单的方式是通过导体的传递。如果一条导线在一个有噪声 的环境中经过，这条导线通过感应将接受这个噪声并且将它传递到电路的其余部分。噪 声通过电源线进入系统，就是这种的耦合的一种情况。由电源线携带的噪声就被传到了 整个电路。 耦合也能发生在有共享负载（阻抗）的电路中。例如，两个电路共享一条提供电源 电压导线，并且共享一条接地的导线。如果一个电路要求提供一个突发的电流，由于两 个电路共享共同的电源线和同一个电源内阻，则另一个电路的电源电压将会下降。该耦 合的影响能通过减少共同的阻抗来削弱。但不幸的是，电源内阻抗是固定的而不能被降 低，这种情况也同样发生在接地的导线中。在一个电路中流动的数字返回电流在另一个 电路的接地回路中产生了地电位的变动。若接地不稳定，则将会严重的降低运算放大器、 模数转换器和传感器等低电平模拟电路的性能。同样，对每个电路都共享的电磁场的辐 射也能产生耦合。当电流改变时，就会产生电磁波。这些电磁波能耦合到附近的导体中 并且干扰电路中的其它信号。 3.接收器（受体） 所有的电子电路都可以接受传送的电磁干扰。虽然一部分电磁干扰可通过射频被直 接接受，但大多数是通过瞬时传导被接受的。在数字电路中，临界信号最容易受到电子 干扰的影响。这些信号包括复位、中断和控制信号。模拟的低级放大器、控制电路和电 源调整电路也容易受到噪声的影响。 为了进行电磁兼容性设计并符合电磁兼容性标准，设计者需要将辐射（从产品中泄 露的射频能量）减到最小，增强其对辐射（进入产品中的射频能量）的易感性和抗干扰 能力。如图一所示，发射和抗干扰都可以根据辐射和传导的耦合来分类。辐射耦合在高 频中十分常见，而传导耦合路径在低频中更为常见。 2.3 噪声源的分类 从作用时间来分，长期起作用的为连续噪声，短期起作用的为间歇噪声；偶尔单次 开关切换、时间很短且非周期作用的为瞬变噪声。 从频域来分，电磁噪声可简单分为低频噪声和高频噪声；宽带噪声和窄带噪声。 从时域来分，电磁噪声又可分为脉冲噪声、连续噪声、脉冲噪声和连续噪声叠加噪 9 声、随机噪声等。 以噪声产生的原因来分类，有内部噪声和外部噪声。 内部噪声是指检测仪表和装置内部和器件本身产生的噪声，常见的有热噪声、散粒 噪声、感应噪声、交流噪声、震荡噪声、反射噪声等。 外部噪声是指从外部侵入检测仪表和装置的噪声，主要有自然噪声和人为噪声。 自然噪声有大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声。包括地球上各种雷电、闪电产生的天 电噪声，太阳黑子爆炸和活动产生的噪声以及银河系的宇宙噪声。天电噪声的能谱主要 集中在 20mhz 以下，即对在 20mhz 以下工作的电子设备影响较大，宇宙噪声的能谱在 20mhz500mhz 频率范围内，所以它主要影响工作在该频率范围内的电子设备。 天电干扰是有季节性和区域性的，一般在夏季和热带区域尤为重要。由于雷电的强 度很大，所以即使远离雷电区，其干扰场强仍相当可观。地球上平均每秒发生的闪电约 有 100 次，这些闪电在时间上往往是重叠的。遥远的雷电产生的干扰认为是波动的，邻 近的雷电干扰则是脉冲型的，一般天电干扰属准脉冲型。 人为噪声有放电噪声、高频噪声、工频噪声、辐射噪声。工频噪声是电力输送配电 线路、工频电源的工频感应、静电感应、电磁感应、大地漏电流等形成的噪声，它对于 检测仪表是威力很大的干扰；而辐射噪声是由于大功率发射、接收装置等产生的噪声， 通过辐射和通过电源线会给电子测量装置造成很大的干扰。 噪声源的分类如图 2-2 所示。随着科学技术和生产力的发展及人民生活水平的提高， 人为干扰源的种类不断增加，所产生的电磁干扰对环境的污染日益严重。当前人为干扰 源已成为电磁环境电平的主要来源。 图2-2噪声源的分类 10 电磁环境电平在不同的时间和地区是不同的。白天比晚上强，城市比乡村强，城市 的工业区比住宅区强。为了控制电磁环境电平，就必须制定各种标准与规范，对人为干 扰源的发射功率进行限制。 2.4 噪声干扰的方式 根据噪声进入测量电路的方式及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰和 共模干扰。 1.差模干扰 差模干扰是由于检测仪表的一个信号输入端相对于另一个信号输入端的电位差发生 变化而产的干扰，即干扰信号和有用信号叠加在一起，直接作用于输入端，因此它直接 影响检测结果。 2.共模干扰 共模干扰是相对于公共的电位基点（通常为接地点）在检测仪表的两个输入端上同 时出现的干扰。虽然这种干扰不直接影响测量结果，但是，当信号输入电路参数不对称 时，共模干扰就会转化为差模干扰，对测量结果产生影响。 在实际测量中，由于共模干扰的电压值一般都比较大，而且其耦合机理和耦合电路 也比较复杂，排除较为困难，所以，共模干扰比差模干扰对测量的影响更为严重。 2.5 噪声干扰的传播途径 噪声耦合方式有传导耦合和辐射耦合两大类，有些噪声可通过传导和辐射两种途径 传输，如图 2-3 所示。典型的电磁干扰传播途径如图 2-4 所示。一般以传导和辐射两种 方式传输，但由于电磁环境十分复杂，实际的干扰往往是复合情况，如图 2-5 所示，就 某一设备而言，电磁干扰的通道可以如图 2-6 所示。 图 2-3 干扰产生 11 图 2-4 电磁干扰的传播途径 图 2-5 干扰传输途径复合干扰 12 图 2-6 单一设备的干扰通道 图 2-6 电磁干扰的通道 沿电源线或信号线传输的电磁耦合成为传导耦合。电子系统内各设备之间或电子设 备各单元电路之间存在各种连线。如电源线、传递信号的导线以及公用底线等，这样就 可能使一个设备的电磁能量沿着这类导线传输到其他设备和单元电路，从而造成干扰。 辐射耦合是指通过空间传播进入设备的电磁干扰。干扰源的电源电路、输入输出信 号电路和控制电路等导线在一定条件下都可构成辐射天线。若干扰源的外壳流过高频电 流时，则此外壳本身也成为辐射天线。 2.6 电磁干扰的分类 电磁环境由大量不同特性的干扰源产生，决定的因素多，而且是随机变化的，这些 干扰会影响测试系统和仪器设备的可靠性和使用性。为了控制电磁干扰，可以将各类干 扰化为两大类，并采取相应的防护方法。 2.6.1 内部干扰 指电子设备内部个元部件之间的相互干扰，包括以下几种。 1.工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰。 2.信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合或导线之间的互感造成的干扰。 3.设备或系统内部某些元件发热，影响元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰。 4.大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。 2.6.2 外部干扰 指电子设备和系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰。包括以下几种。 13 1.外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统。 2.外部大功率的设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合干扰电子线路、设备或 系统。 3.空间电磁波对电子线路或系统产生的干扰。 4.工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干 扰。 5.由工业电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器产生的干扰。 对于电子测量装置和仪器仪表的内部干扰，可通过装置的正确设计及合理布局加以 削弱或消除；对于来自外部的干扰，可通过适当的抗干扰措施加以解决。 2.7 电磁干扰机理 发射机与接收机之间电磁干扰耦合的各种途径如图 2-7 所示。 图2-7电磁干扰耦合的各种途径 电磁干扰机制和传播路径：从源直接辐射至接收器（路径1） ；来自源的辐射直接被 连接于接收器的电源线或信号/控制线接收，并传导至接收器（路径2） ；由源处的电源、 信号或控制线的辐射引起的电磁辐射（路径3） ；emi 通过共用电源或共用信号/控制线直 接从源传至接收器（路径4） 。 接收器 源 路径 1 路径 2 路径 3 路径 3 路径 4 00 14 连接在源上的电源、信号、控制线与接收器的电源、信号、控制线耦合时（特别是 当线缆成束敷设在一起时）引起的 emi。 2.8 电磁干扰的危害 电磁干扰所产生的危害主要有下列三方面。 1.对电子系统、设备的危害 电磁干扰有可能使系统或设备的性能发生有限度的降级，甚至可能使系统或设备失 灵，干扰严重时会使系统或设备发生故障或损坏。 2.对武器装备的危害 现代的无线电发射机和雷达能产生很强的电磁辐射场。这种辐射场能引起装在武器 装备系统中的灵敏电子引爆装置失控而过早启动；对制导导弹会导致偏离飞行弹道到和 增大距离误差；对飞机而言，则会引起操作系统失稳、航向不准、高度显示出、雷达天 线跟踪位置偏移等。 3.电磁能对人体的危害 电磁辐射能一旦进入人体细胞组织就要引起生物效应，及局部热效应和非热效应。 电磁辐射引起人体病变症状有：头晕、乏力、记忆力减退、心悸、多汗、脱发、和失眠 障碍等。 2.9 电磁干扰抑制技术 一个系统和系统内某一线路受电磁干扰的程度 n 可以表示为关系式 n=gci。其 中：g 为噪声源强度；c 为噪声通过某种途径传到受干扰处的耦合因素；i 为受干扰电源 的敏感程度；g，c，i 三者构成电磁干扰的三要素。 电磁干扰抑制技术就是围绕着三要素，根据具体情况，有针对性的采取相应措施， 归纳起来就是三条：一是一直电磁干扰源；二是切断电磁干扰耦合途径；降低电磁敏感 装置的敏感性。 2.9.1 抑制干扰源 首先必须确定何处是干扰源，在越靠近干扰源的地方采取措施，抑制效果就越好。 一般来说，电流或电压剧变的地方就是干扰源，具体来说继电器开合、电容充电、电机 运转、集成电路开关工作等都可能成为干扰源。 抑制方法可以采用低噪声电路、瞬态抑制电旋转装置抑制电路、稳压电路等。器件 的选择则尽可能选择低噪声电路、高频特性好、稳定性高的电子元件。值得注意的是， 15 抑制电路中不适当的器件选择可能产生新的干扰源。 2.9.2 切断电磁干扰耦合途径 1.滤波 滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施，其基本作用是选择信号和抑制干扰，为实 现这两大功能而设计的网络称为滤波器。 通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰滤波器两大类；而根据信号 与噪声频率的差别可把滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器 四种。 在实际应用中，对于通过供电电源线传导的噪声可以用电源滤波器来滤除，电源滤 波器不仅可以接在电网输入处，把电路与电源隔离开，消除电路间的耦合，并避免干扰 信号进入电路，也可以接在噪声源电路的输出处，以抑制噪声输出，而且交流、直流两 用。对传输线路及印制电路板的布线设计，应注意将进线与出线、信号线与电源线尽量 分开。对于重点线路可采用损耗线滤波器、三端子电容、磁环等器件进行干扰抑制。 2.屏蔽 屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个 区域向另一个区域的感应与辐射。由于屏蔽体对来自外部的干扰电磁波和内部的电磁波 起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量 （电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体 具有减弱干扰的功能。 屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的的影 响。另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。静 电屏蔽应具备完善的屏蔽体和良好的接地；电磁屏蔽则不但要求有良好的接地，而且要 求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高很多。 屏蔽体材料选择的原则如下： 当干扰电磁波的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来 电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。 当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体 内部，防止扩散到屏蔽的空间去。 在某些场合，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不 同的金属材料和磁性材料组成多层屏蔽体。 3.接地 接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为 大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和工作人员的人身安全，电子设备的机壳和机 16 房的金属构件都必须与大地相连接，而且接地电阻一般要很小，不能超过规定值。 接地的目的有三个： （1）使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位基准，保证电路 系统能稳定的工作。 （2）将设备机壳或屏蔽层等接入大地，给高频干扰电压形成一个低阻抗通路，可使 由于静电感应面积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能 引起内部的火花放电而对电子设备造成干扰。 （3）接大地可避免直接雷电的电磁感应对电子设备的毁坏，以及由于工频交流电源 的输入电压因绝缘不良或其他原因直接与机壳相通时，操作人员可能放生的触电事故， 此外，很多医疗设备都与病人的人体直接相连，若机壳带有 110v 或 220v 的高压，会产 生致命危险，必须通过接大地的方法来免除。 电路的接地方式基本上有三类：单点接地、多点接地和混合接地。单点接地是指在 一个线路中，只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各个需要接地的点都直接接到 这一点上；多点接地是指某一个系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上， 以使接地引线的长度最短；混合接地是将那些只需高频接地点，利用旁路电容和接地平 面连接起来，但应尽量防止出现旁路电容和引线电感产生的谐振现象。 4.浮置 浮置是指电子测量装置的公共线（信号地线）不接大地。 浮置与屏蔽接地相反，屏蔽接地的目的是将干扰电流从信号电路引开，即不让干扰 电流流经信号线，而是让干扰电流流经机壳或屏蔽层到大地；浮置则是阻断干扰电流的 通路。测量系统被浮置后，加大了测试系统公共线与大地之间的阻抗，大大减少了共模 干扰电流，可以提高共模干扰抑制能力。 但是浮置不是绝对的，测试系统公共线与大地之间的阻抗虽然很大（绝缘电阻级）， 可以大大地减少电阻性漏电流的干扰，但它们之间仍存在寄生电容，即容性漏电流仍存 在。 5.连接线 在电子测试系统中，需要很多的连接线，连接导线是引起干扰的重要原因。应考虑 正确布置这些连接线，从而减少各种寄生耦合。 导线的引线电感对于低频没有大的影响，但对高频的影响是不容忽视的，为了抑制 感应干扰，高频时应采用同轴电缆或屏蔽双绞线，且导线应尽可能短；在测试系统中， 应对不同用途的连接导线（如电源线、射频线、音频线、控制线等）进行分类，是不同 类别的导线尽量远离，且不要平行排列，为了避免辐射耦合，连接导线尽量使用屏蔽线； 此外，导线的粗细与噪声有关，要选择适当的连接导线。 6.电路技术 有时候采用屏蔽后仍不能满足抑制和防止干扰的要求，可以结合屏蔽，采取平衡措 17 施等电路技术。 平衡电路是指双线电路中两根导线与连接到这两根导线的所有电路对地及其他导线 都具有相同的阻抗。其目的在于使两根导线所检拾到的干扰信号相等，这时的干扰噪声 是一个共态信号，可在负载上自行消失。 另外，还可采用其他一些电路技术，例如接点网络、整形电路、积分电路和选通电 路等等。总之，采用电路技术也是抑制和防止干扰的重要措施。 2.9.3 降低电磁敏感装置的敏感度 降低电磁敏感装置的敏感度体现在两个方面：一方面人们希望接收装置灵敏度高， 以提高对信号的接受能力；另一方面，灵敏度高受噪声影响的可能性也就越大。因此， 根据具体情况采用降额设计、网络钝化和功能钝化等也是解决干扰问题的有效方法。 18 第 3 章 印制电路板设计中的抗干扰措施与电磁兼容性 印制电路板(pcb)是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件 之间的电气连接，是目前电子器材用于各类电子设备和系统的主要装配方式。鉴于 pcb 设计的好坏对抗干扰能力影响很大，因此，pcb 的设计除必须遵守一般原则之外，还应 符合抗干扰设计与电磁兼容性的要求。 3.1 电路板设计的一般原则 3.1.2 布局 首先应考虑 pcb 尺寸大小。pcb 尺寸过大，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力 下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定 pcb 尺寸后，再 确定元件的位置，一般来说，应把模拟信号、高速数字电路、噪声源(如继电器、大电流 开关等)这三部分合理分开，使相互间的信号耦合为最小。最后，根据电路的功能单元， 对电路的全部元器件进行布局。在确定元件的位置时要遵守以下原则： 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，便于信号流通，并使信号尽可能保 持一致的方向。 以每个功能电路的核心元件为中心进行布局。元器件应均匀、整齐紧凑地排列，尽 量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尺可能使元器件 平行排列，以利于装焊及批量生产且美观。 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于 2mm。电路板的最佳形状为矩 形，长宽比为 3：2 或 4：3，其尺寸大于 200x150mm 时，应考虑电路板所受的机械强度。 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。 易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引 19 出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 重量超过 15g 的元器件应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多 的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏 元件应远离发热元件。 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机 的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上便于调节的地方；若是机外调节，其位置 要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。 3.1.3 布线 布线的原则如下： 输入、输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线， 以免发生反馈耦合。 导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定，当 铜箔厚度为 0.05mm、宽度为 115mm 时，通过 2a 的电流，温度不会高于 3 。因此， 导线宽度为 1.5mm 便可满足要求。对于集成电路尤其是数字电路，通常选宽度为 0.020.3mm 的导线，当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导 线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路尤其是 数字电路，只要工艺允许，可使间距小至 58mm。 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外， 尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用 大面积铜箔时，最好用