探讨电磁干扰和射频干扰及其抑制措施

1、引言

随着电子系统的日益精密、复杂及多功能化，电子干扰问题日趋严重，它可使系统的性能发生变化、减弱，甚至导致系统完全失灵。特别是EMI／RFI（电磁干扰／射频干扰）问题，已成为近几年电子产业的热点。为此，不少国家的专业委员会相继制定了法规，对电子产品的电磁波不泄露、抗干扰能力提出了严格规定，并强制执行。

美国联邦通信委员会（FCC）于1983年颁布了20780文件，对计算机类器件的EMI进行限制；德国有关部门颁布了限制EMI的VDE规范，在放射和辐射方面的约束比FCC规范更严格；欧洲共同体又在VDE规范中增加了RF抗扰性、静电泄放和电源线抗扰性等指标。FCC、VDE规范将电子设备分为A（工业类设备）和B（消费类设备）两类，具体限制如表1所示。

此外，还有一系列适用于电子EMI／RFI防护的标准文件：MIL－STD－461、MIL－STD－462、MIL－STD－463、MIL－STD－826、MIL－E－6051、MIL－I－6181、MIL－I－11748、MIL－I－26600、MSFC－SPEC279等，所有这些法规性文件对电子系统的干扰防护起到了重大的作用。本文详细讨论了电子线路及系统中EMI／RFI的特征及其抑制措施。

2、EMI／RFI特性分析

电子系统的干扰主要有电磁干扰（EMI）、射频干扰（RFI）和电磁脉冲（EMP）三种，根据其来源可分为外界和内部两种，每个电子电气设备均可看作干扰源，这种干扰源不胜枚举。EMI是在电子设备中产生的不需要的响应；RFI则从属于EMI；EMP是一种瞬态现象，它可由系统内部原因（电压冲击、电源中断、电感负载转换等）或外部原因（闪电、核爆炸等）引起，能耦合到任何导线上，如电源线和电话线等，而与这些导线相连的电子系统将受到瞬时严重干扰或使系统内的电子电路受到永久性损坏。图1给出了常见EMI／RFI的干扰源及其频率范围。

图1、常见干扰源及频率范围

2.1、干扰途径

任何干扰问题可分解为干扰源、干扰接收器和干扰的耦合途径三个方面，即所谓的干扰三要素。如表2所示。

干扰信号是通过传导（电路或系统的内部连接，干扰源和接收器由导体连接）、辐射（寄生电感和寄生电容，干扰源和接收器相距大于数个波长）和感应（电容效应与电感效应，干扰源和接收器相距小于数个波长）到达接收器。如果干扰信号的频率小于30 MHz，主要通过内部连接耦合；如果大于30 MHz，其耦合途径是电缆辐射和连接器泄露；如果大于300 MHz，其耦合途径是插槽和母板辐射。许多情况下，干扰信号是一宽带信号，其耦合方式包括上述所有情形。

2.2、EMI特性分析

在电子系统设计中，应从三个方面来考虑电磁干扰问题：首先是电子系统产生和发射干扰的程度；其次是电子系统在强度为1～10 V／m、距离为3米的电磁场中的抗扰特性；第三是电子系统内部的干扰问题。

利用干扰三要素分析与EMI相关的问题需要用FAT—ID概念。FAT—ID是描述任何EMI问题固有特性的五个关键因素的缩写，这五个关键参数是频率、幅度、时间、阻抗和距离。实际上，信号的时间响应包含了干扰频谱响应的所有信息。在数字系统中，信号上升时间和脉冲重复率产生的频谱分量可根据下式计算：

将FAT—ID应用于电子系统时，EMI辐射便成为信号上升时间和脉冲重复率的二次函数。

在EMI分析中的另一个重要参数是电缆的尺寸、导线及护套，这是因为，当EMI成为关键因素时，电缆相当于天线或干扰的传输器，必须考虑其物理长度与屏蔽问题。

内部干扰是指系统内部高速数字线路对敏感模拟线路和其它数字线路的影响，或电源噪声对模拟／数字线路的污染。内部干扰通常产生于数字和模拟电路之间，或驱动器与数字线路之间。

2.3、RFI特性分析

现实生活中的无线电发射源是极其丰富的，如无线电台、电视台、移动通信、计算机、电动机、电锤等等，数不胜数。所有这些电子活动都会影响电子系统的性能。无论RFI的强度和位置如何，电子系统对RFI必须有一个最低的抗扰度。在通信、无线电工程中，抗扰度定义为设备承受每单位RFI功率强度的敏感度。在大多数RFI分析中，用电场强度来描述RFI激励，即

式中E为电场强度（V／m）；PT为发送功率（mW／cm²）。

从"干扰源—耦合途径—接收器"的观点出发，电场强度E是发射功率、天线增益和距离的函数，即

式中GA为天线增益；d为电路或系统距干扰源的距离（m）。

由于模拟电路一般在高增益下运行，对RF场比数字电路更为敏感，因此，必须解决μV级和mV级信号的问题；对于数字电路，由于它具有较大的信号摆动和噪声容限，所以对RF场的抑制力更强。RF场可通过电感／电容耦合产生噪声电压或噪声电流。

3、无源元件在EMI