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

射頻電路在信號傳輸過程中會產(chǎn)生較強的電磁干擾，而其自身對電磁干擾的抵抗能力較弱，在同一電磁環(huán)境下運行的射頻電路容易產(chǎn)生互相干擾。因此，必須對射頻電路的電磁干擾作用進行分析，進而找到有效的抑制措施，構(gòu)建良好的公用電磁環(huán)境，實現(xiàn)電磁兼容，確保信號傳輸?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，會導(dǎo)致其功能性能指標(biāo)下降，進而影響設(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工作。通過對電磁干擾進行分析，采取有效的抑制機制，形成EMI抑制標(biāo)準(zhǔn)，確保系統(tǒng)的正常運行。目前國際上的相關(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。從電磁干擾機制來看，其三要素包括電磁干擾源、干擾傳輸?shù)鸟詈贤緩?、以及受干擾的敏感設(shè)備[1]。

電磁兼容（EMC）主要研究多個設(shè)備在同一個電磁環(huán)境下，各設(shè)備之間不受其他設(shè)備干擾、同時不會產(chǎn)生對其他設(shè)備干擾的運行機制。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。要實現(xiàn)電磁兼容目標(biāo)，需要從電磁干擾三要素著手進行分析[2]。

2.射頻電路電磁干擾抑制關(guān)鍵點

2.1 電磁干擾分析

從電磁干擾的三要素來看，要對電磁干擾進行有效抑制，就需要從抑制干擾源、削弱干擾信號耦合途徑、增強設(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，對信號進行合理分層，并做好布線工作，通過采取架設(shè)金屬屏蔽罩、隔離強干擾源等措施，降低敏感設(shè)備可能受到的干擾信號。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，營造良好的公用電磁環(huán)境。此外，在射頻電路產(chǎn)品設(shè)計過程中，還需要進行電磁兼容仿真分析、信號完整性分析，明確電磁干擾問題發(fā)生的可能性，并從源頭進行抑制，提高產(chǎn)品電磁兼容能力。對電磁干擾進行分析，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，可以將干擾信號看作輻射場，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、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，對射頻電路電磁干擾進行抑制，需要明確以下幾點：（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；（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、磁場和電磁場等多種路徑傳播；（3）從敏感設(shè)備保護方面來看，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。這些特點決定了射頻電路電磁干擾突出，需要基于電磁兼容方法進行設(shè)計，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踐應(yīng)用

3.1 電磁干擾抑制的基本途徑

機遇上述分析，射頻電路電磁干擾問題較為嚴(yán)重，針對這種情況，通過采用EMC設(shè)計方法，可以實現(xiàn)對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)計過程中，除了要滿足功能指標(biāo)，還要盡可能的降低信號高頻分量，多實用信號歪斜（slew rate）較慢的裝置；（2）合理設(shè)計PCB高頻器件位置，盡量遠離抗干擾能力弱的電路，避開對外連接器、電纜和縫隙位置；（3）確保高速信號阻抗匹配，減少高頻反射和輻射；（4）采用去耦電容防止在電源管腳處，對電源層和地層噪聲進行抑制；（5）對地層進行適當(dāng)分割，避免干擾信號對敏感電路產(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，為高頻信號提供會回流路徑，達到降低輻射的效果。

3.2 接地設(shè)計

在射頻電路的實際設(shè)計應(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、二是屏蔽設(shè)計、三是濾波措施。其中，接地設(shè)計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，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)計過程中，一般以獨立電源層與地層為參考平面，可以使信號回流的阻抗較小，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輻射產(chǎn)生干擾，同時起到屏蔽作用，防止外界電磁干擾。

3.3 屏蔽設(shè)計

屏蔽設(shè)計主要是指在兩個空間區(qū)域間，采用金屬隔離措施進行防護，控制電磁干擾通過電場、磁場或電磁波從一個區(qū)域擴散到另一個區(qū)域，對另一個區(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，從而達到防止電磁場擴散、保護電路和設(shè)備不受外界電磁場干擾。采用金屬材料的屏蔽體是出于射頻信號頻率特點的考慮，由于其波長短、輻射能力強，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，不可避免的存在信號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。通過進行濾波處理，可以明顯降低傳導(dǎo)干擾電平，從而對干擾信號進行抑制。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頻率范圍，而在高頻段時，電感元件可能出現(xiàn)自激振蕩，而且可能會出現(xiàn)容性特征，從而導(dǎo)致濾波效果無法正常發(fā)揮。因此，一般在高頻電路設(shè)計中，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。在高頻條件下，磁珠會表現(xiàn)出較大阻抗，能夠?qū)⒏哳l干擾、噪聲吸收消耗掉?；谏漕l電路的頻率范圍特點，應(yīng)選擇磁珠進行濾波抑制，確保濾波抑制的有效性。

4.結(jié)束語

綜上所述，在進行射頻電路設(shè)計時，必須充分考慮電磁干擾抑制問題。通過對射頻電路電磁干擾特點和抑制機制進行分析，可以為射頻電路設(shè)計提供參考，針對電磁干擾三要素，綜合采用不同的抑制措施，確保電磁干擾抑制效果。基于電磁兼容進行射頻電路設(shè)計，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[J].電子質(zhì)量,2016(1):62-65.