静噪元件/EMI静噪滤波器

第4章

空间传导及其应对措施

4-3. 噪声天线

天线用作噪声的导体传导和空间传导之间的调和器。如果理解了天线的本质,就能设计出噪声更小、成本更低的电子设备,还能恰当地运用屏蔽和EMI静噪滤波器。
基本的天线为偶极子天线和环形天线。
就噪声抑制而言,多种电子设备的各个结构均理解为是如图4-3-1和图4-3-2所示的基本天线的变形或是这些天线的组合。通过此建模,可以识别出噪声发射及灵敏度高的频率和方向等。
本章将讲述基本天线的本质。

Example of modeling in which a digital signal wiring is understood as an antenna

图4-3-1 将数字信号线路理解为天线的建模示例

Example of modeling in which an interface cable is understood as an antenna
图4-3-2 将接口电缆理解为天线的建模示例
 

4-3-1. 两种基本天线

图4-3-3展示了本节中讲述的基本天线的模型。

(1) 偶极子天线

图4-3-3(a)展示了一个偶极子天线。一般而言,两根导线间施加电压时,会在周围的空间产生电场。反过来,如果将两根导线放到电场内,会感应出电压。偶极子天线利用了这个功能,且主要对电场敏感。

(2) 单极天线

图4-3-3(b)中的单极天线是将偶极子天线的其中一根导线用作地面的天线。因为其作为天线的功能类似于偶极子天线,所以本节将其作为一种偶极子天线处理。

(3) 环形天线

图4-3-3(c)展示了一个环形天线。通过如图所示的环状导线施加电流时,以穿透该环路的方式产生磁场。相反,如果穿透该环路的磁场变化,导线上会出现感应的电动势。环形天线利用了这个功能,且主要对磁场敏感。

(4) 无线电波的发射

如果对上述天线施加电压或电流,会在天线周围出现电场或磁场。这个电磁场会产生无线电波,然后发射出去。但不是天线周围的所有电磁场都会转换为无线电波。许多情况下电场和磁场的大部分能量会返回到天线。本节中,将转换为无线电波但未返回到天线的组成部分称为发射。

Basic antenna
图4-3-3 基本天线

4-3-2. 天线的本质

当电路发射无线电波时,天线作为接收无线电波的出入口。本节中引入了一些表述天线功能的术语。

(1) 易于发射无线电波的天线

施加电压或电流时,发射较强无线电波的天线被视为高效天线。通常天线形状越大,越容易发射无线电波。这个性质将在下述章节内讲述。
发射的强度与天线接收的功率呈比例关系。接收的功率随着施加到天线的电压或电流升高而变大。但也会受到如图4-3-4所示的天线和信号源之间的匹配阻抗水平所影响。
此外,易于发射无线电波的天线也易于高效接收无线电波。本节着重于在这个天线本质的前提下阐释噪声发射。接收无线电波的匹配阻抗利用了与天线相连的负载阻抗。
请注意,本节中所述的高效天线不同于天线理论内提及的高增益天线。还要注意本节阐释的前提是天线本身不会有任何损耗。

Radio wave emission and impedance matching
图4-3-4 无线电波发射和阻抗匹配

(2) 极化和天线方向

空中传输无线电波的电场和磁场方位称为极化。天线对这种极化有一个高度敏感的方向。图4-3-5展示了基本天线的方向。
偶极子天线在天线元件的伸展方向(以下称为“天线轴”)对电场高度敏感,且不接收垂直于这些元件的电场信号。因为发射无线电波也是这样,所以不会产生垂直于此轴的电场。
对于环形天线而言,在垂直于环形平面的方向上存在一个轴,天线对这个轴向的磁场高度敏感。感应不到垂直于此轴(平行于环形平面)的磁场。

Polarization of radio wave and antenna direction
图4-3-5 无线电波的极化和天线方向

(3) 发射模式

天线不是再所有方向上都均匀地发射。发射的强度会随方向变化。这就叫做发射模式。尽管在一个方向上集中发射的天线被视为具有良好的指向性,但噪声抑制并不需要天线有良好的指向性。
图4-3-6展示了基本天线的发射模式。如图所示,即使方位不同,偶极子天线和环形天线的发射模式均具有相同的形状。但这些发射模式仅适用于天线尺寸相对波长而言很小的情形。如果频率升高,天线的尺寸相对波长而言就不可忽略,这会让发射模式出现变化。另请注意这些只代表了作为无线电波发射的元件,而天线附近的电磁场分布是与此不同的。

Emission pattern of basic antenna (for low frequencies)

图4-3-6 基本天线的发射模式(低频)

以下章节讲述了这些基本天线的本质及其与噪声发射的关系。首先阐释偶极子天线,随后在此基础上进一步阐释环形天线。

4-3-3. 偶极子天线

(1) 偶极子天线

在两条开放线路之间施加电压以发射无线电波的天线称为偶极子天线。如果如图4-3-7(a)所示线路长度相对波长非常短,则噪声发射较弱。但如果如图4-3-7(b)所示总长度接近1/2波长(这意味着每侧为1/4波长),电流更易于流动(称为谐振),且更可能会发射较强的无线电波。如图4-3-7(c)所示,对偶极子天线的一侧接地形成的单极天线也被视为偶极子天线的变形事例。这种情况下,较强的无线电波会出现在天线长度为1/4波长的频率处。

Dipole antenna
图4-3-7 偶极子天线

(2) 发射无线电需要多大的强度?

偶极子天线发射无线电需要多大的强度?图4-3-8展示了用电磁模拟装置计算无线电波强度的示例。
本次测试将1V正弦波施加到竖直设置的天线上,并测量水平方向上10m远的某个点处的电场强度。为了测量噪声,考虑了地板和天线高度中心的反射。天线的厚度设置为1mm,信号源的输出阻抗设置为10Ω,以数字信号的谐波引起噪声为前提,在10MHz奇数倍频率的基础上进行计算。
图4-3-8(a)展示了天线长度最短为40mm的情形。无线电波相对有限。
图4-3-8(b)展示了天线长度为200mm的情形。无线电波明显增加,且在690MHz出现峰值。
图4-3-8(c)展示了天线长度延长到1m的情形。无线电波已经达到超高值,在150MHz,430MHz和730MHz处存在峰值。
如上所述,总的趋势是天线越长,无线电波越强。随后达到某个长度时,开始出现峰值频率。但即使天线再继续延长,超大强度也不再会变高。

Frequency characteristics of dipole antenna (calculated values)

图4-3-8 偶极子天线的频率特征(计算值)

依照数字设备的噪声规定,距离为10m时的极限值已经设置为30至40dBµV/m。由于图4-3-8的图表中显示的范围远比这个限值要强,所以可以看到直接输入1V信号会发射出大幅超过噪声规定限值的无线电波。

(3) 将数字信号连接到偶极子天线

当数字信号作为噪声源进行连接时,发射强度有多大?图4-3-9展示了将第2-4节中说明的谐波连接到图4-3-8(b)中的20cm天线时发射强度的计算结果。
图4-3-9(a)与图4-3-8(b)使用相同的数据,其中将1V正弦波作为信号源进行连接。
图4-3-9(b)展示了连接理想的10MHz数字脉冲时的计算结果。垂直轴的显示范围已经在图表中偏移了40dB。即使噪声源是数字信号谐波,也可以看到发射出的无线电波超过了CISPR二类限值达30dB。
图4-3-9(c)展示了如第2-4-4节所述,脉冲波形作为过渡时间20ns的梯形波时的计算结果。此时的结果可以低于限值。
如上所述,偶极子天线能够发射非常强的无线电波。因此需要谨慎设计,不要让导线和电子设备中采用的结构形状构成偶极子天线的形状。如果无法避免偶极子天线的形状,可以预防性地采用EMI静噪滤波器,通过延迟信号的上升时间来降低谐波。

Emission when connected to 10MHz digital signal (calculated values)
图4-3-9 连接到10MHz数字信号时的发射(计算值)

(4) 天线长度和波长的关系

在图4-3-8中,峰值频率和天线尺寸之间存在某种关系。图4-3-10展示了将天线长度与每个频率的波长进行比较的图解。
如图所示,200mm和1m的长度分别在750MHz和150MHz形成1/2波长。这些频率几乎与图4-3-8中的峰值一致。如上所述,偶极子天线在其长度形成1/2波长的频率时更易于发射无线电波。
图4-3-8(c)还展示了除了大约150MHz(1/2波长)之外的循环内无线电波的峰值。这些是天线波长为1/2波长时频率(此例中为150MHz)的奇数倍,此时更易于发射无线电波。在这些频率上,天线会如第3-3-6节所述产生驻波和谐波,使天线更易于通过电流。
就噪声抑制而言,重要的是保持线路长度(可能用作天线)短于波长,这样才能减少噪声发射。图4-3-9显示了目标为1/20波长的范围。如果设计时可以将线路或电缆长度保持在这个范围内,就可以减少噪声问题。

Relationship between antenna length and wavelength

图4-3-10 天线长度和波长的关系

以下从4-3-4到4-3-15的章节讲述了在噪声转换为无线电波时决定天线功效的因素。讲述的内容稍有技术含量。如果不是很感兴趣,请跳到4-3-16。

4-3-4. 输入阻抗

为什么偶极子天线会在1/2波长的频率处出现较强的无线电波发射?其中一个原因是输入阻抗。
图4-3-11展示的图表计算了图4-2-8中所用天线的输入阻抗。如果天线与波长相比很短,就可以看到输入阻抗为1000Ω或更高,电流几乎难以通过。相比之下,使得长度形成1/2波长奇数倍的频率会让输入阻抗成为局部较低点,大约100Ω(较低点大约是73Ω),使其更易于通过电流。(在图4-3-8中,频率由于20MHz的增量,看上去稍有偏移)
如上所述,由于降低了天线的输入阻抗且因此在长度为1/2波长的奇数倍频率时产生电流,可(简单地)理解为发射较强的无线电波。
这个局部较低点稍微偏向使长度为1/2波长(取决于天线粗细度)的频率的低频端。在这个频率点,阻抗成为纯电阻,没有任何电抗,这意味着天线出现谐振。因为其他频率有电抗,所以可根据电抗的极性称其为电感(电抗处于阳极状态,类似于电感器)或电容(电抗处于阴极状态,类似于电容器)。

Input impedance of dipole antenna (calculated values)
图4-3-11 偶极子天线的输入阻抗(计算值)

4-3-5. 辐射电阻

天线输入阻抗的电阻元件表示为辐射电阻。这个辐射电阻表示天线将电流转换为无线电波的功能,其中相同电流下辐射电阻越大,发射的无线电波越强。尽管输入阻抗的电阻元件不会始终与辐射电阻相同,但这个电阻元件可以作为辐射电阻的参考。
图4-3-12展示了偶极子天线(图4-3-8中计算为1m长)的电阻元件示例。在1/2波长的谐振频率处,这个电阻大约为73Ω
在天线长度短于1/2波长的频率范围内,输入阻抗较高且电流难以流动,同时电阻元件也会变得更小。在这个频率范围内,即使部分电流流动,也难以发射。
相比之下,在超过1/2波长的频率范围内,电阻元件的比率会变得更高。在此频率范围内,即使通过的电流非常小,也可发射。因此观察到图4-3-8(c)的高频范围内超出谐振频率的频率范围内存在高电平发射。

Resistance component of input impedance

图4-3-12 输入阻抗的电阻元件

从图4-3-12理解到,偶极子天线不仅在1/2波长的奇数倍谐振,还会在偶数倍的频率谐振。但是这些阻抗达到局部超大值而不允许电流流动,也会造成相对较弱的发射。但是如果信号源阻抗较高,这些频率的偶数倍可造成更好的阻抗匹配,从而导致较强的发射。

4-3-6. 阻抗匹配

(1) 阻抗匹配

若要更加准确地表现无线电波发射较强的现象,则使用第3-3-6节中阐释的阻抗匹配概念。当信号源的输出阻抗等于负载阻抗时,会因阻抗匹配而传输超高能量。
在图4-3-8的情况下,随着天线的输入阻抗越接近10Ω,传输的能量越多,因此无线电波发射越强。相反这可以理解为随着阻抗越远离10Ω,越多的能量会反射到噪声源侧,导致无线电波越弱。

(2) 共轭匹配

为了更加准确地表述阻抗匹配,我们使用共轭匹配的概念。
如图4-3-13所示,共轭匹配表示除了加上阻抗的实部(电阻元件)之外还要抵消虚部(电抗元件)的状态。这种方式允许超大能量传输给含天线等电抗的电路。因为共轭匹配抵消电抗,所以它被视为一种谐振状态。
到目前为止信号源的输出阻抗已经在计算中设置为10Ω的电阻,存在信号源有一些电抗的情况。在这些情况下,这可以理解为在抵消天线电抗的频率处会近似达到共轭匹配,且因此更可能发射无线电波。所以如果信号源有电抗,天线的谐振频率会产生偏移,且更可能在波长不是1/2波长的频率处发射无线电波。

Conjugate matching
图4-3-13 共轭匹配

4-3-7. 匹配的电路

(1) 由于共轭匹配而发生频率变化的示例

作为天线谐振频率因共轭匹配而偏移的示例,图4-3-14展示了小电感(50nH)增加到图4-3-8(b)所示情况下的信号源时计算发射的示例。这可以理解为增加电感会让谐振频率朝着低频端偏移。
改变线路长度几厘米就能容易产生这个电感水平(50nH)。就电子设备的噪声抑制而言,电路之间的线路长度发生上述变化(无需更改电路运作)时,噪声强度会明显不同。这可以理解为其中一个因素是发射噪声的天线的谐振发生变化。

Example of change in resonance of dipole antenna
图4-3-14 偶极子天线的谐振变化示例

(2) 匹配电路

因为使用这种方法可以用相对短的天线在低频范围内产生谐振,所以可用于产生紧凑的无线电路。用于调节共轭匹配(例如本例中增加的50nH电感)的电路称为匹配电路。通常匹配的电路会同时调节电抗和电阻元件。
如果是噪声抑制的情况,增加的用于消除噪声的电感器或电容器可能会无意间形成匹配的电路,因此会增加噪声排放。为了降低这种风险,应该选择损耗可能超大的噪声抑制元件。

4-3-8. 发射模式

无线电波会以什么方向从偶极子天线发射?
图4-3-15展示了图4-3-8(c)所示的1m长度偶极子天线周围±5m电场范围的计算结果。在此图中,天线位于直立位置的中心。不考虑地板的反射情况。信号源的输出阻抗为0Ω。随着色彩从蓝色变为红色,电场变得更强。
图4-3-15(a)是频率为30MHz的情形。在相对较低的频率范围内,电场集中在天线周围且看起来像朝着顶端和底端扩散。形状不同于如图4-3-6所示的基本模式的原因是主要观察的是近场(稍后讲述)。
图4-3-15(b)是1/2波长谐振的情形。随着频率升高,电场开始横向扩散,随后在谐振频率处大范围扩散。这个频率范围相对更接近如图4-3-6所示的基本模式。
图4-3-15(c)是3/2波长谐振的情形。可以发现发射分成6个方向。随着频率升高,发射倾向于分成这些方向。

Calculation result of the electric field surrounding a dipole antenna
图4-3-15 偶极子天线周围的电场计算结果
Calculation result of the magnetic field surrounding a dipole antenna

图4-3-16 偶极子天线周围的磁场计算结果

同样地,图4-3-16展示了磁场的计算结果。(因为已经调节了色标,所以电场和磁场在远场具有相同的色彩)。
如(a)所示,低频范围中的电场和磁场形状明显不同。此外,随着电场和磁场在如图(b)和(c)所示的高频范围内朝着远离天线的方向移动,电场和磁场强度趋于一致。电场和磁场之间的分布差异与波阻抗有关,这将会在后文中讲述。

4-3-9. 偶极子天线的理论特性

如图4-3-15和4-3-16所示,尽管可以使用电磁模拟装置来观察如何从偶极子天线发射无线电波,但如果是简单的模型,也可以根据电磁理论来计算。本节中只讲述最简单的结果。若需详细信息,请参阅技术资料[参考文献 3]
如果只考虑远场,则从非常短的天线发射的无线电波可以用以下公式来表示。如图4-3-6所示的基本发射模式是以这些公式为基础的形状。

Electric field emitted by a very small dipole antenna

图4-3-17 超小型偶极子天线发射的电场

此处的lIω分别表示天线长度(m)、电流(A)和角频率(Hz)。波长λ与频率成反比。从这些公式,可以看出从相对小的偶极子天线发射出的无线电波具有以下特性。

  1. (i)无线电波的强度与天线长度、电流和频率成正比,而与距离成反比。
  2. (ii)无线电波已被极化。如图所示的垂直位置中的天线在水平方向不产生任何电场(EΦ)。
  3. (iii)超大发射的方向是图中的横向(θ=90°)。

这可以理解为当形成天线的线路长度缩短时,可以是相同的电流,也可以降低无线电波的发射。

4-3-10. 环形天线

另一个基本天线是环形天线。
环形天线是如图4-3-3(c)所示电流流过环形线路而发射无线电波的天线。类似于偶极子天线,当线路短时发射才弱,但随着环形线路变长形成更大的面积后,发射就会变强。
图4-3-18展示了从方形的环形天线发射的计算结果。计算条件与图4-3-8中偶极子天线的计算条件相同。环路位于水平位置。
(a)展示了每侧超小20mm的情形。发射强度保持相对小。
(b)展示了每侧为100mm的情形。随着发射强度增加,峰值开始出现在810MHz处。
(c)展示了每侧为0.5m的情形。发射峰值出现在较低170MHz以及近似整数倍的频率处。发射强度在170MHz及以上频率处几乎是不变的。
如上所述,环形天线还展示了与偶极子天线类似的频率特征。但区别是发射峰值出现在环形长度(一侧长度的4倍)形成整数倍波长时的频率左右处。

Loop antenna
图4-3-18 环形天线

4-3-11. 环形天线的谐振频率

(1) 输入阻抗

图4-3-19展示了根据图4-3-18中的计算条件得出的输入阻抗计算结果。
图4-3-19(a)展示了输入阻抗。类似于偶极子天线,这可以理解为阻抗在发射强度高的频率处达到局部较低点。与偶极子天线一样,驻波会在这些频率时出现于线路上并产生谐振。

(2) 电阻元件

图4-3-19(b)展示了每侧为100mm的电阻元件情形。类似于偶极子天线的情形,阻抗和电阻在阻抗的局部超高点和较低点彼此匹配,这可以理解为天线会在此阻抗时出现谐振。此外,类似于偶极子天线的情形,局部超高点因无法达到与信号源匹配的阻抗而不会出现发射峰值。

Input impedance of loop antenna (calculated values)

图4-3-19 环形天线的输入阻抗(计算值)

(3) 天线长度和谐振频率

当环形长度为波长的整数倍时,会出现环形天线的局部较低点。因此发射强度高的频率将是名列前茅个频率的整数倍。(由于偶极子天线涉及奇数倍,所以环形天线的谐振频率间隔看起来更窄)
环形天线的谐振频率出现在稍高于正常频率的频率端,这由实际长度决定。例如,即使假设根据一个波长为750MHz,图4-3-19(b)中的局部较低点也指示810MHz。(对于偶极子天线,频率会朝着低频端偏移)

4-3-12. 环形天线周围的电磁场

类似于上述偶极子天线,图4-3-20展示了环形天线周围电场和磁场的计算结果。如图4-3-18(c)所示,以轴指向页面顶部和底部的方向放置一个边长为0.5m的方形环形天线(因此,环形区域垂直于此页面)用于计算。
图4-3-20(a)展示了30MHz相对低频的电磁场。可以理解为强电磁场的区域仅限天线附近。而且,磁场的形状不同于如图4-3-6所示的基本模式。
图4-3-20(b)展示了170MHz的电磁场,其中出现一个波长的谐振。这可以理解为图中的结构会朝着顶端和底端发射。这种情形也不同于图4-3-6中的基本模式。
图4-3-20(c)展示了310MHz的电磁场,其中出现两个波长的谐振。这种情况下,天线会朝着横向发射,发射的形状接近图4-3-6中的基本模式。
因此需要意识到环形天线附近的电磁场可能不同于如图4-3-6所示的基本模式。图4-3-6的形状,是在距离天线足够远,且该天线相对波长而言足够小的情况下测得的。

Calculation result of the electromagnetic field surrounding a loop antenna
图4-3-20 环形天线周围的电磁场计算结果

4-3-13. 环形天线的理论特性

类似于偶极子天线,如图4-3-21所示根据电磁理论 [参考文献 3] 还可以计算环形天线的基本发射特征。图4-3-6中的基本模式以这些公式为基础。

Electric field emitted by a very small loop

图4-3-21 超小型环形天线发射的电场

此处的SIω分别表示环形面积(m2),电流(A)和角频率(Hz)。波长λ与频率成反比。从这些公式,可以看出从相对小的环形天线发射出的无线电波具有以下特性。

  1. (i)无线电波的强度与环形面积、电流和频率的平方成正比,而与距离成反比。
  2. (ii)无线电波已被极化。如图所示的水平位置中的天线在垂直方向不产生任何电场(Eθ)。
  3. (iii)超大发射的方向是图中的横向(θ=90°)。

无线电波的强度由环形天线S的面积决定,与线路的长度没有直接关系。如果以保持S较小的方式来设计线路,则可以降低无线电波的发射。
如图4-3-18所示的计算结果看起来发射强度与频率的平方不成正比。出现这些结果的原因包括电流由于天线的输入阻抗明显不同而不稳定,以及天线无法在高频范围内被视为非常小的环路。

4-3-14. 近场和远场

通常电场和磁场会随着远离天线而变弱。然后电场和磁场有多弱呢?
为了简化这个现象,让我们考虑100MHz的电流在短天线上均匀流动。图4-3-22展示了以电磁理论为基础的电场和磁场的计算结果。在此图中,我们可以发现:

  1. (i)偶极子天线附近区域内的电场较强
    在此区域内,电场的衰减程度与距离的立方成正比,而磁场的衰减程度与距离的平方成正比
  2. (ii)环形天线附近区域内的磁场较强
    在此区域内,磁场的衰减程度与距离的立方成正比,而电场的衰减程度与距离的平方成正比
  3. (iii)对于这两种类型的天线,在相对远场内电场和磁场的衰减均与距离成正比。
    这种情况下,电场与磁场的比率为377Ω
  4. (iv)到区域(iii)的转换距离大约为0.5m

这意味着区域(i)和(ii)对应于第4-2-6节中讲述的近场,而区域(iii)对应于远场。(iii)的远场被认为是以波形发射无线电波。
(iv)的转换距离会因频率而不同,已知的转换距离为λ/2π(100MHz时大约为0.5m)。
图4-3-22中的图表表示频率固定为100MHz时的特定状态,方便理解。通过将水平轴标准化为波长的距离,此图表可适用于100MHz之外的其他频率。有关详细信息,请参阅技术资料 [参考文献 3]
近场内的电场和磁场会随着距离明显减弱。就噪声抑制而言,有效的方法是保持距离。但如果是短距离,就需要屏蔽,这是因为电磁发射很强。

Distance characteristics of the electric field and magnetic field surrounding a dipole antenna
图4-3-22 偶极子天线周围电场和磁场的距离特征

4-3-15. 波阻抗

在天线附近使用电磁屏蔽时,屏蔽的效果会因波阻抗而有所差异。波阻抗是某个位置电场与磁场的比率。如图4-3-22所示,由于偶极子天线附近的电场较强,所以波阻抗较高,而环形天线附近的磁场较强,波阻抗就较低。
图4-3-23展示了根据图4-3-22的计算结果计算出的波阻抗。偶极子天线可能会在紧邻处(不超过1cm)产生不低于10KΩ的高阻抗,而环形天线会在其紧邻处产生不超过10Ω的低阻抗。但是对于这两种天线,当距离超过λ/2π(100MHz时为0.48m)时会转换为远场,且波阻抗固定为377Ω。这个数值是由无线电波传输所在空间的介电常数和导磁率决定的。

Calculation results of wave impedance
图4-3-23 波阻抗的计算结果

4-3-16. 设计发射低噪声的电子设备

(1) 缩短线路长度和缩小环形面积

如上所述,无线电波的发射取决于天线的长度和环形面积。这就是为什么当减小线路长度时电子设备会不那么容易发射无线电波。
即使无法缩短线路长度,如果减小导线形成的间隙,环形面积也会变小,随之减少发射。图4-3-24展示了减小40cm导线形成的间隙面积时发射的变化。由此可见随着形状从(a),(b)变化为(c),可以减少更多的发射。此外,大约在750MHz时发射峰值保持相对较高。在这个频率上,往返线路形成传输线,形成了1/2波长谐振电路,因此通过大电流。

(2) 谐振频率上的噪声可能保持不变

另外对于偶极子天线,如果如图4-3-25所示减小折叠导线之间的间隙,就可以减少发射。这是因为即使谐振频率和电流值保持不变,辐射电阻也会降低。类似于环形天线,谐振频率上的噪声可能保持不变。为了消除这种谐振,适合使用下一节讲述的大损耗静噪元件。

Change in emission by reducing the loop area (calculated values)
图4-3-24 缩小环形面积后发射的变化(计算值)
Change in emission by the angle of the lines (calculated values)
图4-3-25 发射随线路角度的变化(计算值)

(3) 用低通滤波器降低噪声

如图4-3-24(c)和图4-3-25(c)所示,由于强谐振而在谐振频率上出现强噪声发射时,使用LC低通滤波器可以偏移谐振频率,从而在另一个频率上形成强噪声。图4-3-26展示了将电感器用作低通滤波器的示例。
图4-3-26(a)与图4-3-25(c)所示的计算结果相同。会在大约750MHz处看到强谐振。
图4-3-26(b)展示了连接50nH线圈作为EMI静噪滤波器抑制这种噪声的情形。尽管第3章进行了详细讲述,但线圈或旁路电容器用作低通滤波器可防止噪声被传输到天线。图4-3-26(b)还展示了噪声在750MHz处因低通滤波器的效果而出现下降。不过也会看到噪声在430MHz处增大。因此需要注意的是,将静噪元件随意地连接到谐振电路可能会改变谐振状态且增加噪声。

(4) 使用大损耗的EMI静噪滤波器

为了避免这种故障,应该选用大损耗的EMI静噪滤波器。图4-3-26(c)展示了增加一个与线圈串联的100Ω电阻器的示例。可以发现谐振已经消失,并且整个频率范围内的噪声发射被降低。铁氧体磁珠是这种方式下同时具有线圈和电阻器特征的其中一个元件。铁氧体磁珠在第3章内详细讲述。

Effect of loss by a noise suppression component (calculated value)
图4-3-26 静噪元件的损耗效果(计算值)

(5) 从屏蔽罩伸出的任何导线均用作单极天线

屏蔽对抑制噪声的空间传导有效。如果可以彻底地封闭整个电子设备,屏蔽就会有效地工作。但许多电子设备会有一根导线穿过屏蔽罩,用作噪声的出入口,因此会削弱屏蔽效果。
对于这种情况的天线模型,穿过屏蔽罩的导线可以被视为用作地面的屏蔽上方的单极天线。图4-3-27(a)展示了这种情形的模型图。在这个模型中,伸出的导线长度越短,发射的噪声越小。在定性地分析实际电子设备的噪声抑制时也能得出这个结论。

(6) 屏蔽罩用作偶极子天线

在此模型中,当导线如图4-3-27(a)所示非常短时,几乎没有噪声发射。但是在实际的噪声抑制中,即使导线只有1cm,也可能会发出不可忽略的强噪声。
这是因为屏蔽本身用作偶极子天线的另一个部件,如图4-3-27(b)所示。这种情况下,发射无线电波的天线主体部件不再是伸出的导线,而是屏蔽罩本身。此时也可以认为因为屏蔽已经损坏,噪声被传导到屏蔽罩。
这种情形下的天线功能会因屏蔽罩的尺寸和形状而发生变化。谐振频率可被认为是以偶极子天线(包括屏蔽的尺寸)的谐振频率为基础。图4-3-7(c)展示了将此建模为偶极子天线时的计算结果。尽管峰值频率与图4-3-27(b)相同,但发现发射更强。

(7) 即使伸出的导线很短也要插入滤波器

如果包含噪声的导线从屏蔽中伸出,即使伸出的导线很短也要特别小心。建议在导线穿过屏蔽的位置处采用EMI静噪滤波器。

Examples of shielding case that works as an antenna (calculated values)
图4-3-27 用作天线的屏蔽罩示例(计算值)

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“4-3. 噪声天线” 的重点内容

  • 天线用作导体传导和空间传导之间的调和器
  • 基本的天线为偶极子天线(单极天线)和环形天线
  • 偶极子天线产生和接收电场
  • 环形天线产生和接收磁场
  • 当噪声源和天线之间出现阻抗匹配时,会由于谐振而出现强发射
  • 为了降低噪声,可采用小型天线并抑制谐振