辐射发射实验本质就是测试产品中两种等效天线辐射的电磁场能量,第一种是等效环路天线,该类辐射辐射的源头是闭合的回路流动着的变化电流产生交变的电磁场。
这儿插入一个话题,恒定的电流为什么可以产生恒定的磁场?麦克斯韦方程告诉我们:变化的磁场可以激发涡旋电场,变化的电场可以激发涡旋磁场;电场和磁场不是彼此孤立的,它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场,恒定的电流产生的恒定的电场,为什么可以产生恒定的磁场呢?个人理解,电流恒定,说明内容的电子是做着迅速运动,其速率是一定的,也就是说形成该电流的电子产生的电场的动态平衡的,因为磁场是正比于电场的变化率,因而产生的磁场是恒定的。
回到原话题,假设产生该环路电流的面积为S ,变化频率是F,电流大小为I,那么在自由空间中产生距离D的辐射强度为:
E=1.3S*I*F*F/D
因而对待环路天线产生的辐射可以从电流大小I,变化频率F,环路面积S,距离D这几个方面去考虑,对于实际的RE测试,距离D是一定的(天线距离产品有1m,测试的时候也会考虑多个产品方向,通过改变辐射源到接收天线的距离很难平衡各个方向的测试);变化频率在条件允许的情况下,可以改变,比如跳过测试的频率;改变电流大小,通常可以串联稍大的电阻,但是电流变小,环路的抗干扰能力也会相应变弱;因而最切实可行的是减小环路面积。
产品中另一种天线是单极天线,或对偶极子天线,这种辐射的源头是电缆或其他尺寸较长的导体中流动着的共模电流信号,如果在天线上流动着电流强度为I,频率为F的信号,那么在距离
D处产生的辐射强度为:
当F≥30MHz,D≥1m,并且L<1/2波长,
E≈0.63*I*L*F/D
当L≥1/2波长时
E≈60*I/D
可见当板上出现单极天线时,特别是我们进行layout时会无意产生stup,一定要控制好这个分支长度,比如对于高速LVDS的DIP封装的插座,其LVDS的走线需要走在最后一层,这样可以减小金属插针引起的单极天线的长度。
ESD测试接触放电电流波形上升沿时间会在1ns以下,这意味着ESD是高频现象。
距离ESD瞬态电流为D处的磁场为:
H=I/(2πD)
则面积为S的环路中感应出的瞬态电压为:
U=S*u*△H/△t
假设s=2cm2,D=50cm,△t=1ns,△I=10A,则u=2.5V,这也是极其危险的信号。
总结:
从RE和ESD的计算公式来看(除单极天线),都有环路面积S,因而减小我们板子上的环路面积S是极其重要且有效的,既可以降低对外辐射,也可以减小外界电磁干扰。这也是电磁兼容一个重要的课题研究方向。
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