基于电磁兼容预估的加载电缆电磁建模修正与屏蔽接地设计研究*

马 虹，张晓阳

(1.南京工业职业技术大学电气工程学院，江苏 南京 210023；2.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)是研究在有限的空间、时间、频谱资源等条件下，各种用电设备(广义还包括生物体)可以兼容共存，并能够达到系统稳定工作要求的一门学科。解决电磁兼容问题不仅需要建立起理论研究基础，更要找到解决问题的措施、方法和经验等实际手段。影响电子设备的电磁干扰噪声源主要来自于自然电磁噪声、人为电磁噪声、有意辐射噪声和电源线传导噪声等。来自太阳、地球等自然界的干扰属于自然电磁噪声；由弧焊机、射频加热器、频段设备、交流高压输电线、高频医疗电子设备、高频电炉等高频辐射设备、无线电及雷达等发射机、各种信号接口及各种接地装置等产生的噪声即人为电磁噪声[1-2]；各种供电线路和电源传输线会产生交流传导噪声。这些噪声在日常生活和电子设备中随处可见。随着科技水平的提升和新技术的广泛应用，电子电气产品层出不穷，且数量还在大大增加，特别是各种功率逻辑、开关器件等高压脉冲电路的普遍使用及更高频率资源的开发利用，更使得内部和外部的电平显著增加，电磁波频谱占用率迅速提高[3-6]。在军事领域，电子通信设备还需适应高功率电磁环境，即峰值功率超过100 MW 的雷电电磁脉冲、高功率微波武器、超宽带脉冲、核电磁脉冲等微波源(有意辐射噪声)。因此，EMC 受到业界的广泛重视[7]，并已日益上升为国家战略。

EMC 成因包括两个方面，一是电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)，二 是 电 磁 耐 受 性(Electro Magnetic Susceptibility，EMS)。实际中，EMI成因非常复杂，其产生影响的特征和程度不一样，影响设备或系统运行的范围也十分广泛，出现的情况轻则造成简单扰乱，重则导致系统瘫痪[8]。诸如干扰电视和无线电接收、丢失传输中的数据、网络失步、内部装置子系统和大系统出现EMI 而无法正常交付产品设备、医用电子设备出现故障，影响检查结果与使用，汽车、飞机、地铁等交通工具运行控制系统出现故障、导航定位设备出现突发误差、爆炸装置的无意引爆、重要工业物联网控制的生产过程失效、智能制造系统非技术性故障、军用通信电子设备因无源互调(Passive Inter-Modulation，PIM)非线性效应而产生的毁伤等。

为了使电子设备能够正常运行，免受电磁干扰，早在1981 年美国就执行了较严格的EMC 设计标准和规范，并开始了EMC 建模。欧洲也于1989 年公布了EMC 指标，确保设备系统电磁环境稳定。EMI和EMC 是相伴而生的，随着电子电气系统复杂度的提高和数量的持续增长，电磁环境变得日益恶化，使得EMI 问题的影响范围和影响程度更加广泛和深入[9-10]。继续沿用传统的经验设计或者通过设计生产之后再去解决EMI 问题，都难以实现设备和系统的最佳EMC，常常需要付出昂贵的代价且所需处理时间不能确定。最好的方法应该是在设备或系统的设计开发之初就充分考虑EMI[11]，科学论证电磁兼容特性，进行EMC 建模预估。即在严格遵循优良EMC 技术工艺的基础上，进一步分析干扰源及敏感单元的可耦合通道，建立若干模型并运用计算机仿真处理[12-13]。

本文在进一步研究分析EMC 预估方法的基础上，针对电路板中加载电缆辐射EMC 预估设计，搭建实验平台进行模拟实际应用场景测量和验证，研究分析Hubing 模型、暗室法和仿真模拟3 种预估方法，通过对Hubing 假设的修正及仿真，提高了预估精度，对高端电子电气设备从中国制造到中国创造的升级具有一定的参考价值。

1 EMC 预估分析方法

EMC 设计方法主要有经验分析法、测试分析法和建模仿真法3 种。经验分析法是凭借积累的经验，在设计复杂电子系统时全程考虑电磁兼容设计，包括电缆长度、线路走向、固定方法、屏蔽方式、线缆距离、射频电路等；但近年来，由于新型器件的研究、超调高频段的开发、新材料应用等方面的快速发展和系统复杂度的提高，仅仅凭借经验来设计EMC 往往力不从心。测试分析法是借助近场探头、频谱分析仪、场强仪、微波功率计等电磁检测仪器，现场检查干扰源的泄露位置，然后对测试频谱进行分析，确定超标的频点及强度。此方法也是在设计初期进行，但仅关注功能而不考虑电磁兼容，等到系统通电后才能根据测试干扰评估结果，有针对性地采取屏蔽、接地、滤波等补救措施。一般而言，测试分析法通常需要反复测试和修改设计才能达到电磁兼容标准的要求[14]，特别是瞬时脉冲干扰仅用测试的方法很难检测出真实情况，因此，对于复杂系统，测试分析法在EMC 的设计中收效甚微。建模仿真法是指对干扰源建模仿真，包括电子器件的集总参数模型、分布参数模型、自然噪声干扰模型这三个方面开展建模仿真，通过建立系统电磁环境模型，进一步分析干扰源辐射机理、电磁场分布、电磁干扰现象等，进而采取抑制干扰的有效措施。

EMC 预估法是建模仿真法和测试分析法的融合、互补和完善，它是在设计之初就充分考虑电子设备和系统实际应用的电磁环境，不断优化EMC 设计，最大程度得到设备或系统EMI 极限条件下的正常运行结果。[15]EMC 预估法可根据不同的设备和系统采用不同的方式，然后再通过进一步的实际测量进行有效性验证评估，使问题区域尽早暴露。[16-17]现将研究归纳出的两种典型预估方式通过具体案例开展分析。

1.1 以生产场地为平台的EMC 预估方式

这类预估主要是通过搭建接近实际的仿真实验装置，运用电流探头示波器、频谱仪及数字电压表、场强仪、功率计、电磁干扰接收机等仪器仪表对产品的各部分电路中有可能产生的干扰点进行检查和测量，从而得出电磁干扰情况。例如，对某“A”型光纤绘图仪设备进行EMC 预估。搭建实验用的绘图仪外壳，其由3/6 in(英寸)厚的铝板制成，内有用于通风和馈纸器电机的断路装置、CRT 偏转线圈、驱动电路等。预估包含AC 线的噪声电流测量、AC 线滤波器选择、AC 线抗扰度测试、AC 线传导敏感度试验、控制线抗扰度测试、辐射敏感度试验、互连电缆感应度试验等。与此同时，还应关注接地、屏蔽和测试装置的设置和研究应用。测试和预估的重点确定为:

①如何改变表面处理、设计EMI 密封衬垫和金属网状通风过滤器等，使绘图仪机壳形成一个有效的屏蔽。

②如何选用合适的AC 线滤波器件。

③确定绘图仪能够承受AC 线的传导噪声和过/欠压的条件，即对过零检测器、晶闸触发电路、高压电路、步进电机驱动电路进行噪声测量与评估。

④对互连电缆的敏感度电平进行测试并设计屏蔽接地方式。

1.2 基于EMI 的EMC 预估方式

此类EMC 预估方式是在设计的早期进行，对包括干扰源、干扰耦合途径和敏感器件等所面临的电磁辐射和干扰做出一定的评估。通常可以通过电磁理论估算得出参考结论，并以此作为设计的准则进行设备结构和布局设计。例如，在对一个功率控制器EMC 预估时，首先进行的是功率控制器EMI 估计，预估过程要化繁为简，通过原理分析和经验公式，“分条分块”进行分析估算，具体步骤为:

①由内部20 kHz 功率分配系统所产生的场计算。机壳内20 kHz 功率分配系统产生的辐射场主要是磁场，则辐射磁场近似计算式为:

式中:r是测量仪器到测量点的距离，m；S是环面积，m2；I是电流幅值，A。测量仪距离测量点设为7 cm，测量点选择在接缝、条形插槽、孔隙等有可能成为高电平的发射点上，且假设这些测量点在低频时等效为一个携载电流的导线环(环面积S)。可通过实际测量验证近似公式，理论计算误差。

②来自高于20 kHz 内部产生的信号场。经分析，辐射出三个基本源，即20 kHz 电源谐波、时钟频率、20 kHz 信号谐波和上述两个谐波频率的互调产物，经实际测量得到上述各频点电磁干扰强度。

③来自互连电缆的辐射干扰。这部分主要是由电缆屏蔽线上的共模电流引起的，可选择半波长(λ/2＝2 m)整数倍长度的电缆进行谐振频率计算和测量，即运用传输线理论公式计算预估的电场，并与实测电场进行对比分析。

④传导发射。传导发射是指那些非信号频率在电缆上所产生的电磁辐射，它有可能是连续的或是瞬间的。实际中，一般用EMI 降低技术来减少传导发射，具体可以通过降低发射源辐射和增设滤波器等方法实现。

⑤内部电路对内部产生场的敏感度(串扰)。对于设备内部而言，因串扰和耦合无处不在，对系统屏蔽罩内电路的辐射发射敏感度预估是比较困难的。实际中，可对电源PCB 线和互连电缆距离较近的部分运用“感受器导线的类型和粗细的改变造成受害电路中感应电压电平的波动，进而引起受害电源和负载阻抗的变化”[18]思路进行串扰估算和测量。

2 一种改进的加载线缆EMC 预估方法

本文在研究分析EMC 预估方法的基础上，提出了一种改进的加载线缆EMC 预估方法。针对电路板中加载线缆辐射EMC 预估设计，研究分析了Hubing模型、暗室法和仿真模拟3 种预估方法，通过对Hubing 假设的修正改进，进一步提高了预估精度。

电磁建模是用数学解决复杂工程问题的重要方法。在EMC 预估中，建模过程主要有图形描述、电气描述定义、模型的有效性、求解结果描述的定义和输出显示5 个步骤。在加载线缆辐射EMC 预估中，美国Hubing 提出了基于电路参数分析电流驱动分析模型，实现了目标辐射快速重构。在此分析中，Hubing 为了简化研究过程，假设辐射线缆共模电流是简单直流模型，即认为电流在辐射线缆中是均一分布的，其幅值和相位保持不变。显然，当频率较高时，其辐射预估精度必将大大降低。为了解决加载线缆高频辐射预估精度低的问题，结合国内学者的相关前沿研究[19]，本研究利用电流传输波动特性，通过对Hubing 假设的修正改进，建立了新的辐射线缆共模电流分布模型，如图1 所示。

图1 辐射线缆共模电流分布修正模型

在图1 的辐射线缆共模电流分布模型中，3 m标准暗室测试距离时，辐射电磁干扰噪声测试起始频率为30 MHz，对应波长的1/4～1/3(根据辐射电磁干扰噪声的频段特征及λ/4 原则)，将辐射线缆划分为i段；线缆中心点处的电流定为基准电流I0，两侧电流相位修正因子值ejia，幅值修正因子值。eiξ，以期更符合高频传导特性；根据麦克斯韦方程组和线缆辐射关系，可得带电导线在远场产生的辐射电场如式(2)所示:

式中:Z0是自由空间波阻抗，为120π Ω(377 Ω)；I为通过线缆的电流；L为线缆长度；β0为电波传播常数；r为远场点到线缆的距离；θ为距离r与线缆的夹角[4]。

修正后的辐射线缆各段的共模电流均会产生相应的辐射电场为Ei，在测试点产生的合成场为不同的辐射电场Ei在测试点处的矢量和，如式(3)所示:

搭建实验平台进行模拟实际应用场景测量和验证。在实验平台中，改进了加载线缆抗干扰屏蔽接地方法。电子设备中的接地分为保护型接地和功能型接地两种，保护型接地主要是防止设备静电及漏电等；功能型接地包括系统接地、逻辑接地、屏蔽接地、信号接地等，其中屏蔽接地对EMC 有较大影响。电子系统中高频信号加载往往采用同轴电缆，同轴电缆通常都有屏蔽层，这样可以大大减少辐射干扰。然而，同轴电缆接地方式的设计会直接影响其屏蔽效果。图2 为实验平台设计的一种混合接地方式，当传输信号在低频端时，同轴电缆一点接地；而传输信号在高频端时，达到多点接地的要求，将可能产生的辐射干扰降到最低，实现信号的宽频带传输。图2 中右边表示为负载端的机箱和同轴电缆屏蔽层通过高频电容接地，左边表示为信号源机箱与同轴电缆屏蔽层一起直接接地。当信号频率较低时，电容C可视作开路，同轴电缆只有一点接地；而信号频率较高时，电容可视为短路，构成两点接地，可在较宽频带范围内有效抑制干扰。

图2 同轴电缆混合接地示意图

设备接地线一般宜采用扁平的铜带，根据经验公式，矩形扁铜带接地电感可表示为[19]:

式中:a、b、l(单位均为cm)分别为矩形扁铜带横截面的宽度、厚度和长度。由式(4)可以看出，当接地铜带横截面不变时，导体宽厚比大，接地电感Ld就小，且电感大小与接地线长度成正比。因此，实际制作接地线时必须选用宽厚比大，尽量短的矩形扁平铜带实现接地，以减小接地电感，增强抗干扰能力。

3 仿真实验结果及精度对比分析

加载电缆在电子系统中应用较多，研究其预估方法具有典型意义。通过Hubing 修正模型预估仿真、计算机模拟仿真、暗室实际测量等，进一步验证修正模型的正确性。

3.1 Hubing 修正模型预估仿真结果

对辐射电缆共模电流分布模型修正后，仿真预估结果如图3 所示。其横轴频率在0～1 000 MHz，纵轴为辐射电平，单位为dB。干扰电平和干扰电压的关系如下:A＝20lgU/U0，其中A是分贝值，U是实测的干扰电压(μV)；U0是基准电压(1μV)。

图3 Hubing 修正模型预估结果

对比未修正Hubing 模型仿真结果(图5 最下面一条曲线)，修正后的预估辐射电平有较大提升，如频率在600 MHz 时，未修正时预估辐射电平为27 dB，而修正后达到了40 dB。说明修正效果显著。

3.2 暗室法预估测试结果

采用3 m 标准电波暗室法设置测试装置，用电磁干扰接收机进行辐射干扰(Radiated Emission，RE)测试，用频谱仪进行近场频谱分析，并用高频探头采集验证电路中的电压，综合分析测试数据，结果如图4 所示。从图4 中可以看出，不同频点的辐射强度有较大差异，在600 MHz 趋于平缓下降，其曲线走势与Hubing 修正模型仿真结果相吻合。

图4 暗室法预估测试结果

3.3 计算机模拟仿真结果

以式(3)为依据，在充分考虑幅值修正因子和相位修正因子后，以修正的Hubing 仿真模型进行计算机模仿真设计，使用瑞士SPEAG 公司面向电磁兼容(EMC)的SEMCAD 软件，通过运行编写的传输线辐射运行程序实现计算机模拟估算，运算结果参看图5 的程序运算结果曲线。

3.4 模拟结果分析对比

辐射线缆电磁辐射3 m 法标准电波暗室测试结果、计算机模拟仿真运算结果、未修正的Hubing 模型结果三者对比曲线如图5 所示。

图5 辐射线缆暗室测试、计算机仿真结果、Hubing 结果对比

图5 中未修正的Hubing 预估平均值约为25.9 dB，经过修正后的Hubing 模型计算机仿真预估结果平均值约48 dB，暗室直接测试平均值在69.5 dB 左右。由此可以看出，三种预估方法在同一频率点的干扰强度有较大差异；但不同频率点，电磁干扰噪声强度值趋于一致性，说明其方法都具有科学性与合理性，三者预估结果需要综合考虑。修正后的计算机仿真结果在中间值，且在低频段和高频段与暗室实际测试比较接近，其预估效果会更好。

4 结束语

本文在分析电磁干扰成因的基础上，研究了EMC 预估法，并通过实例分析了电流传输波动特性，建立了修正的辐射线缆共模电流分布模型，得到场强求解修正公式，并对理论计算公式进行了仿真。仿真结果表明:增加了相位修正因子和幅值修正因子的辐射线缆共模电流分布计算公式具有一定的科学性和合理性，结合计算机模拟，可使预估精度提高20 dB 以上，更接近实际的暗室测量预估。为克服线缆辐射的影响，研究设计了一种同轴电缆屏蔽混合接地方式，有效提升了抗干扰性能。

随着微电子技术、信息技术的飞速发展，电子设备系统设计会越来越复杂，电磁环境也会越来越恶劣。因此，电磁兼容已成为复杂电子工程中迫切需要解决的一个重要技术问题，通过对电磁建模不断的研究与修正，运用计算机仿真计算，EMC 预估将具有更好的精确性，且必将得到广泛的应用。