射頻電路EMI抑制和EMC分析

上海智覓智能科技有限公司 程 龍

前言

射頻電路在信號(hào)傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，而其自身對(duì)電磁干擾的抵抗能力較弱，在同一電磁環(huán)境下運(yùn)行的射頻電路容易產(chǎn)生互相干擾。因此，必須對(duì)射頻電路的電磁干擾作用進(jìn)行分析，進(jìn)而找到有效的抑制措施，構(gòu)建良好的公用電磁環(huán)境，實(shí)現(xiàn)電磁兼容，確保信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.電磁干擾與電磁兼容概述

電磁干擾（EMI）具體是指電磁敏感設(shè)備在受到電磁干擾的情況下，會(huì)導(dǎo)致其功能性能指標(biāo)下降，進(jìn)而影響設(shè)備的正常使用。在此情況下，容易引起設(shè)備可靠性下降，導(dǎo)致系統(tǒng)功能異常，出現(xiàn)功能失效的情況。因此，在電磁敏感設(shè)備的應(yīng)用過程中，必須做好電磁干擾抑制和防護(hù)工作。通過對(duì)電磁干擾進(jìn)行分析，采取有效的抑制機(jī)制，形成EMI抑制標(biāo)準(zhǔn)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前國(guó)際上的相關(guān)組織已經(jīng)制定了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和頻譜分配規(guī)范，其中規(guī)定了電磁干擾發(fā)射的極限值，要求限制設(shè)備發(fā)射的電磁干擾。從電磁干擾機(jī)制來看，其三要素包括電磁干擾源、干擾傳輸?shù)鸟詈贤緩健⒁约笆芨蓴_的敏感設(shè)備[1]。

電磁兼容（EMC）主要研究多個(gè)設(shè)備在同一個(gè)電磁環(huán)境下，各設(shè)備之間不受其他設(shè)備干擾、同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生對(duì)其他設(shè)備干擾的運(yùn)行機(jī)制。結(jié)合電磁干擾的內(nèi)容，EMC具體是指敏感設(shè)備在電磁發(fā)射時(shí)不允許導(dǎo)致或受到同一電磁環(huán)境下其他電磁發(fā)射設(shè)備的影響，導(dǎo)致性能下降。要實(shí)現(xiàn)電磁兼容目標(biāo)，需要從電磁干擾三要素著手進(jìn)行分析[2]。

2.射頻電路電磁干擾抑制關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 電磁干擾分析

從電磁干擾的三要素來看，要對(duì)電磁干擾進(jìn)行有效抑制，就需要從抑制干擾源、削弱干擾信號(hào)耦合途徑、增強(qiáng)設(shè)備抗干擾能力幾方面著手。具體而言，需要具備良好的電源平面和接地參考平面，對(duì)信號(hào)進(jìn)行合理分層，并做好布線工作，通過采取架設(shè)金屬屏蔽罩、隔離強(qiáng)干擾源等措施，降低敏感設(shè)備可能受到的干擾信號(hào)。通過上述幾方面技術(shù)的綜合應(yīng)用，提高設(shè)備抗干擾能力，營(yíng)造良好的公用電磁環(huán)境。此外，在射頻電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，還需要進(jìn)行電磁兼容仿真分析、信號(hào)完整性分析，明確電磁干擾問題發(fā)生的可能性，并從源頭進(jìn)行抑制，提高產(chǎn)品電磁兼容能力。對(duì)電磁干擾進(jìn)行分析，是解決射頻電路電磁干擾的首要工作。射頻電路頻率一般在300MHz以上，電磁輻射能力強(qiáng)，可以將干擾信號(hào)看作輻射場(chǎng)，可以通過空氣等介質(zhì)傳播，影響被干擾電路。射頻電路本身屬于產(chǎn)生干擾能力強(qiáng)、抗干擾能力弱的設(shè)備，需要采取必要的電磁干擾抑制措施。

2.2 射頻電路電磁干擾抑制需求

基于電磁干擾三要素的分析，對(duì)射頻電路電磁干擾進(jìn)行抑制，需要明確以下幾點(diǎn)：（1）從干擾源角度來看，射頻電路的頻段較高，存在高頻分量，空間輻射能力強(qiáng)；（2）從路徑耦合角度來看，射頻電路產(chǎn)生的電磁干擾可通過電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)等多種路徑傳播；（3）從敏感設(shè)備保護(hù)方面來看，設(shè)備電路存在大量敏感器件，包括射頻放大器、混頻器、壓控振蕩器等。這些特點(diǎn)決定了射頻電路電磁干擾突出，需要基于電磁兼容方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大化降低射頻電路之間的互相干擾。

3.射頻電路電磁干擾抑制與電磁兼容的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 電磁干擾抑制的基本途徑

機(jī)遇上述分析，射頻電路電磁干擾問題較為嚴(yán)重，針對(duì)這種情況，通過采用EMC設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)EMI的有效抑制。具體可從以下幾方面著手：（1）在射頻電路設(shè)計(jì)過程中，除了要滿足功能指標(biāo)，還要盡可能的降低信號(hào)高頻分量，多實(shí)用信號(hào)歪斜（slew rate）較慢的裝置；（2）合理設(shè)計(jì)PCB高頻器件位置，盡量遠(yuǎn)離抗干擾能力弱的電路，避開對(duì)外連接器、電纜和縫隙位置；（3）確保高速信號(hào)阻抗匹配，減少高頻反射和輻射；（4）采用去耦電容防止在電源管腳處，對(duì)電源層和地層噪聲進(jìn)行抑制；（5）對(duì)地層進(jìn)行適當(dāng)分割，避免干擾信號(hào)對(duì)敏感電路產(chǎn)生串?dāng)_輻射；（6）在高速走線旁應(yīng)保留三倍線寬距離，在三倍線寬外設(shè)置多組接地孔，為高頻信號(hào)提供會(huì)回流路徑，達(dá)到降低輻射的效果。

3.2 接地設(shè)計(jì)

在射頻電路的實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，電磁干擾抑制方法主要包含三大類，一是接地設(shè)計(jì)、二是屏蔽設(shè)計(jì)、三是濾波措施。其中，接地設(shè)計(jì)具體是將所有電路器件的低參考系連接到一起，得到公共參考點(diǎn)，讓電路電平和功能特性保持穩(wěn)定。在射頻電路印制板設(shè)計(jì)過程中，一般以獨(dú)立電源層與地層為參考平面，可以使信號(hào)回流的阻抗較小，從而縮短回流路徑，控制產(chǎn)生的電磁干擾。一般電源參考平面與印制板的邊緣距離應(yīng)小于地平面與印制板邊緣的距離，這樣可以避免電源層的電磁場(chǎng)輻射產(chǎn)生干擾，同時(shí)起到屏蔽作用，防止外界電磁干擾。

3.3 屏蔽設(shè)計(jì)

屏蔽設(shè)計(jì)主要是指在兩個(gè)空間區(qū)域間，采用金屬隔離措施進(jìn)行防護(hù)，控制電磁干擾通過電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁波從一個(gè)區(qū)域擴(kuò)散到另一個(gè)區(qū)域，對(duì)另一個(gè)區(qū)域產(chǎn)生輻射干擾。具體使用屏蔽體，將射頻電路和元器件等干擾源屏蔽起來，從而達(dá)到防止電磁場(chǎng)擴(kuò)散、保護(hù)電路和設(shè)備不受外界電磁場(chǎng)干擾。采用金屬材料的屏蔽體是出于射頻信號(hào)頻率特點(diǎn)的考慮，由于其波長(zhǎng)短、輻射能力強(qiáng)，采用低阻抗金屬材料可以吸收空間輻射電磁波。但采用金屬屏蔽體時(shí)，不可避免的存在信號(hào)輸入輸出端口和縫隙，需要在金屬屏蔽和內(nèi)加設(shè)特殊頻段電磁密封襯墊，確保屏蔽結(jié)構(gòu)的完整性。此外，應(yīng)避免出現(xiàn)直接穿過屏蔽體的導(dǎo)體對(duì)屏蔽效果產(chǎn)生破壞。

3.4 濾波抑制措施

濾波抑制措施是防止射頻電路出現(xiàn)電磁干擾的有效措施。對(duì)于存在高次諧波分量的射頻電路，采取濾波處理措施更加必要。通過進(jìn)行濾波處理，可以明顯降低傳導(dǎo)干擾電平，從而對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。在電源電路中，若濾波器件為電感元件，一般只適用于窄信號(hào)頻率范圍，而在高頻段時(shí)，電感元件可能出現(xiàn)自激振蕩，而且可能會(huì)出現(xiàn)容性特征，從而導(dǎo)致濾波效果無(wú)法正常發(fā)揮。因此，一般在高頻電路設(shè)計(jì)中，需要采用磁珠消除傳輸線結(jié)構(gòu)中存在的RF噪聲。磁珠只允許直流通過，可以濾除高頻信號(hào)。在高頻條件下，磁珠會(huì)表現(xiàn)出較大阻抗，能夠?qū)⒏哳l干擾、噪聲吸收消耗掉。基于射頻電路的頻率范圍特點(diǎn)，應(yīng)選擇磁珠進(jìn)行濾波抑制，確保濾波抑制的有效性。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮電磁干擾抑制問題。通過對(duì)射頻電路電磁干擾特點(diǎn)和抑制機(jī)制進(jìn)行分析，可以為射頻電路設(shè)計(jì)提供參考，針對(duì)電磁干擾三要素，綜合采用不同的抑制措施，確保電磁干擾抑制效果。基于電磁兼容進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)，能夠最大限度的抑制系統(tǒng)內(nèi)射頻電路的相互干擾，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

[1]涂冰峰.射頻電路中降低電磁輻射的思索[J].現(xiàn)代企業(yè)教育,2017(8):149-150.

[2]牟志新,丁高,張望.射頻電路PCB板的電磁兼容性設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量,2016(1):62-65.