电磁辐射的危害、防护及测试.

一 电磁辐射的危害 1 它极可能是造成儿童患白血病的原因之一 医学研究证明 长期处于高电磁辐射的 环境中 会使血液 淋巴液和细胞原生质发生改变 意大利专家研究后认为 该国每年有 400 多名儿童患白血病 其主要原因是距离高压电线太近 因而受到了严重的电磁污染 2 能够诱发癌症并加速人体的癌细胞增殖 电磁辐射污染会影响人体的循环系统 免 疫 生殖和代谢功能 严重的还会诱发癌症 并会加速人体的癌细胞增殖 瑞士的研究资 料指出 周围有高压线经过的住户居民 患乳腺癌的概率比常人高 7 4 倍 美国得克萨 斯州癌症医疗基金会针对一些遭受电磁辐射损伤的病人所做的抽样化验结果表明 在高压 线附近工作的工人 其癌细胞生长速度比一般人要快 24 倍 3 影响人的生殖系统 主要表现为男子精子质量降低 孕妇发生自然流产和胎儿畸形 等 4 可导致儿童智力残缺 据最新调查显示 我国每年出生的 2000 万儿童中 有 35 万 为缺陷儿 其中 25 万为智力残缺 有专家认为电磁辐射也是影响因素之一 世界卫生组 织认为 计算机 电视机 移动电话的电磁辐射对胎儿有不良影响 5 影响人们的心血管系统 表现为心悸 失眠 部分女性经期紊乱 心动过缓 心搏 血量减少 窦性心率不齐 白细胞减少 免疫功能下降等 如果装有心脏起搏器的病人处 于高电磁辐射的环境中 会影响心脏起搏器的正常使用 6 对人们的视觉系统有不良影响 由于眼睛属于人体对电磁辐射的敏感器官 过高的 电磁辐射污染会引起视力下降 白内障等 高剂量的电磁辐射还会影响及破坏人体原有的 生物电流和生物磁场 使人体内原有的电磁场发生异常 值得注意的是 不同的人或同一 个人在不同年龄阶段对电磁辐射的承受能力是不一样的 老人 儿童 孕妇属于对电磁辐 射的敏感人群 二 有 5 种人特别要注意电磁辐射污染 1 生活和工作在高压线 变电站 电台 电视台 雷达站 电磁波发射塔附近的人员 2 经常使用电子仪器 医疗设备 办公自动化设备的人员 3 生活在现代电器自动化环境中的工作人员 4 佩戴心脏起搏器的患者 5 生活在以上环境里的孕妇 儿童 老人及病患者等 三 电磁污染的防护措施 1 家电的摆放 不要把家用电器摆放得过于集中 以免使自己暴露在超剂量辐射的危 险之中 特别是一些易产生电磁波的家用电器 如收音机 电视机 电脑 冰箱等更不宜 集中摆放在卧室里 室内不要放置闲杂金属物品 以免形成电磁波的再次反射 可在电脑 桌上放置一盆仙人掌 这样有助于减少辐射 可以放几瓶水吸收电磁波 必须是塑料或玻 璃瓶 绝对不能是金属杯盛水 2 各种家用电器 办公设备 移动电话等都应尽量避免长时间操作 同时尽量避免多 种办公和家用电器同时启用 3 手机的使用 手机接通瞬间释放的电磁辐射最大 在使用时应尽量使头部与手机天 线的距离远一些 最好使用分离耳机和话筒接听电话 4 保持安全距离 注意人体与办公和家用电器距离 对各种电器的使用 应保持一定 的安全距离 离电器越远 受电磁波侵害越小 如彩电与人的距离应在 4 至 5 米 与日光 灯管距离应在 2 至 3 米 微波炉在开启之后要离开至少 1 米远 孕妇和小孩应尽量远离微 波炉 5 保持室内通风 减少荧屏产生的致癌物质溴化二苯并呋喃 6 如果住房临近高压线 变电站 电台 电视台 雷达站 电磁波发射塔 一定要请 专家进行电磁辐射检测 如果经过检测发现超过国家规定标准 要及时采取措施 四 利用电磁场高速自动扫描技术测量电磁辐射 电磁兼容测试对即将进入市场的电子产品是非常重要的一项测试 但以往的测试只能得出 能否通过的结果 不能提供更多有用信息 本文介绍利用高速自动扫描技术测量电磁辐射 检测 PCB 板上电磁场的变化情况 使工程技术人员在进行电磁兼容性标准测试前就能发 现相关问题并及时予以纠正 随着当今电子产品主频提高 布线密度增加以及大量 BGA 封装器件和高速逻辑器件的使 用 设计人员不得不通过增加 PCB 板的层数来减少信号与信号间的相互影响 同时在大 量便携式终端设备中 为了降低系统功耗必须采用多电平方案 而这些设备还有模拟或者 RF 电路 需要采用多种地 又必须使用电源平面和地平面分割的技术 因此 PCB 板上的 信号之间存在大量辐射干扰 造成设备功能故障或者工作不稳定 而且所有信号对外形成 很强电磁辐射 使得 EMC 测试也成为产品上市的一个障碍 目前大部分硬件工程师还只是凭经验来设计 PCB 在调试过程中 很多需要观测的信号线 或者芯片引脚被埋在 PCB 中间层 无法使用示波器等工具去探测 如果产品不能通过功 能测试 他们也没有有效的手段去查找问题的原因 要想验证产品的 EMC 特性 只有把 产品拿到标准电磁兼容测量室去测量 由于这种测量只能测产品对外辐射情况 就算没有 通过也不能为解决问题提供有用的信息 因此工程师只能凭经验去修改 PCB 并重复试验 这种试验方法非常昂贵 而且可能耽误产品的上市时间 当然 现在有很多高速 PCB 分析和仿真设计工具 可以帮助工程师解决一些问题 可是 目前在器件模型上还存在很多限制 例如能解决信号完整性 SI 仿真的 IBIS 模型就有很多 器件没有模型或者模型不准确 要精确仿真 EMC 问题 就必须用 SPICE 模型 但目前几 乎所有的 ASIC 都不能提供 SPICE 模型 而如果没有 SPICE 模型 EMC 仿真是无法把器 件本身的辐射考虑在内的 器件的辐射比传输线的辐射大得多 另外 仿真工具往往要在 精度和仿真时间上进行折中 精度相对较高的 需要的计算时间很长 而仿真速度快的工 具 其精度又很低 因此用这些工具进行仿真 不能完全解决高速 PCB 设计中的相互干 扰问题 我们知道 在多层 PCB 中高频信号的回流路径应该在该信号线层临近的参考地平面 电源 层或者地层 上 这样的回流和阻抗最小 但是实际的地层或电源层中会有分割和镂空 从 而改变回流路径 导致回流面积变大 引起电磁辐射和地弹噪声 如果工程师能清楚电流 路径的话 就能避免大的回流路径 从而有效控制电磁辐射 但信号回流路径由信号线布 线 PCB 电源和地分布结构以及电源供电点 去耦电容和器件放置位置和数量等多种因素 所决定 故而对复杂系统的回流路径从理论上进行判定非常困难 所以在设计阶段排除辐射噪声问题非常关键 我们用示波器能看到信号的波形 从而可帮 助解决信号完整性问题 那么有没有设备能看到辐射的 图形 以及电路板上的回流呢 电磁场高速扫描测量技术 在各种电磁辐射测量方法中 有一种近场扫描测量方法能解决这个问题 该方法基于这样 的原理设计 即电磁辐射是被测设备 DUT 上的高频电流回路形成的 如加拿大 EMSCAN 公司的电磁辐射扫描系统 Emscan 就是根据这个原理制成的 它采用 H 场阵列探头 有 32 40 1280 个探头 来探测 DUT 上的电流 在测量期间 DUT 直接放在扫描器的上面 这些探头可以检测由于高频电流发生变化而引起的电磁场的变化 系统可提供 RF 电流在 PCB 上空间分布的视觉图像 图 1 Emscan 电磁兼容扫描系统已经在通信 汽车 办公电器以及消费电子等工业领域得到广 泛应用 通过该系统提供的电流密度图 工程师在进行电磁兼容性标准测试前就能发现有 EMI 问题的区域并采取相应措施 近场扫描原理 Emscan 的测量主要在活性近场区域 r 2 进行 DUT 上发出的辐射信 号大部分被耦合到磁场探头上 少量能量扩散到自由空间 磁场探头耦合了近 H 场的磁通 线以及 PCB 上的电流 另外它也获取一些近 E 场的微量成分 大电流低电压电流源主要与磁场相关 而高电压小电流电压源则主要与电场相关 在 PCB 上 纯电场或者纯磁场都是很少见的 RF 和微波电路中 电路的输入阻抗以及连接用的 微带或者微带线 其阻抗都被设计为 50 欧姆 这种低阻抗设计使得这些元器件产生大电 流和低电压变化 此外数字电路的趋势也是使用更低电压差的逻辑器件 同时活性近场区 域内的磁场波阻抗远小于电场波阻抗 综合这些因素 大部分 PCB 活性近场区域能量都 包含在近磁场中 因此 Emscan 扫描系统采用的磁场环适合于这些 PCB 的近场诊断 所有的环是一样的 然而它们在反馈网络中的位置不同 因此反馈网络可感应各个环的响 应 每个环相对参考源的响应都被测量出来并考虑为滤波转移函数 为了保证测量的线性 度 Emscan 测量的是这个转移函数的倒数 由于采用了阵列天线和电子自动切换天线技术 因此测量速度大大加快 比手工单探头测 量方案快几千倍 也比自动单探头测量方案快几百倍 能够快速有效判断电路修改前后的 效果 图 2 快速扫描技术及其先进幅度保持扫描技术和同步扫描技术使该系统能有效捕捉 瞬态事件 同时它采用能提升频谱分析仪测量精度的技术 提高了测量的精确性和可重复 性 评估 PCB 近场辐射干扰的测量方法 PCB 辐射干扰情况的检查可分几步进行 首先确定需要扫描的区域 然后选择能充分采样 扫描区域的探头 栅格 7 5mm 在 100kHz 3GHz 的频率范围内进行频谱扫描 并存储每 个频率点的最大电平 注意 比较大的频率点可利用空间扫描在扫描区域内作进一步检查 这样可以定位干扰源以及关键电路路径 被测板必须尽可能靠近扫描器板 因为随着距离增加 接收信噪比会降低 而且还会有 分 离 效应 实际测量中 这个距离应该小于 1 5cm 我们可以看到 对元件面的测量有时候 可能会因为元器件的高度而使测量出现问题 因此元器件的高度必须要考虑 以对测量的 电压电平进行校正 在基本检查中 需考虑分离距离校正因子 我们可以很快得到测量结果 但是这些结果不能评判产品是否符合 EMC 特性 因为它测 量的值是 PCB 板上的高频电流产生的电磁近场 而标准 EMC 测试是要求在开阔场地 OATS 或者在暗室进行的 距离为 3 米 即远场 尽管 Emscan 的测量不能取代标准 EMC 测试 但是实践证明 它确实有很多用途 通过 对测量结果的分析 可以得出很多结论以利于产品的后续开发 除了得到电压电平外 下 列信息也非常重要 干扰产生点 干扰分布 覆盖大区域的干扰传导路径 干扰被限制在 PCB 上的狭窄区域以及内部结构或临近 I O 模块间的耦合等 还可以看到数字电路和模拟 电路分开的效果 上述测量可作为 PCB 设计质量评估的一个标准 进一步来说 如果我们已经知道了一个 类似的 PCB 的 EMC 特性 我们完全可以在产品开发早期对 EMC 特性进行比较可靠的评 估 例如是否应该采用屏蔽手段等 特别值得一提的是 电磁场高速扫描系统还能揭示瞬态 EMI 问题 瞬态 EMI 问题在电磁 兼容性测量中往往不会被检测到 但是它们会影响产品的性能和可靠性 PCB 抗干扰性能的评估 在实际使用中 所有电子设备都会受到电磁场的干扰 如果一个设备不能满足抗干扰要求 也不进行屏蔽 那么该设备的性能就会受电磁干扰的影响 事实表明 干扰信号的频率可 能会有几百 MHz 这些干扰主要通过连接的导体进行耦合 因此 I O 模块的抗干扰设计非 常重要 为了增强产品的抗干扰性能 有时不得不增加滤波等手段 这意味着会增加产品 的成本 从这种角度上看 寻找一种能优化所有电路和元器件的解决方案非常重要 通过适当修改上面提到的测量方法 在产品开发和测试阶段就能够正确评估产品的抗干扰 性能 改进后的方法如下 把 PCB 放在扫描器板上进行频谱扫描以决定 PCB 的干扰频率 然后把该频率正弦波干扰信号用夹子或者适当耦合设备 如平衡线上用的 T LISN 耦合到 I O