图 17 电缆长度与天线效率
图17 的纵轴表示导体长度(单位:米),为了便于观察,将图15 的频谱复制出来。最右边的斜线给出了导体成为理想天线时导体的长度与频率的关系。
很明显,在常用的频段内,即使很短的导体也能产生发射和抗扰度问题。可以看到,在100MHz 处,1 米长的导体就是很有效的天线,在1GHz 处,100mm 的导体就成为很好的天线。这个简单的事实就是使EMC 被称为“黑色艺术”的主要原因。
前几年, 日常生活中广泛使用的频率都较低,典型的电缆不能成为很有效的天线,这就是为什么电气配线“惯例”趋于过时的原因。图17 中,中间的斜线表示虽然导体没有成为高效的天线,但仍有可能引起问题的导体长度。左边的斜线表示导体的长度极短,其天线效应可忽略的情况(特别严格的产品除外)。有人说:“没问题,我已经接地了”,你听这话多少次了?在EMC 业界人士中,射频是色盲是经常的笑话。因此不能将传输射频信号的黄/绿色导线(美国标准中规定安全地线为黄/绿色)想象成很好的地,并且,所有用于接地的导体也都是天线。
2.3 所有电缆受其固有电阻、电容、电感影响
暂时不考虑场和天线的作用,先看下面几个简单的例子。这些例子可以说明:在常用的频率范围内,与理想状态微小的偏差也会导致导体上所传输的信号出现问题。
* 直径1mm 的导线,在160MHz 时,其电阻是直流状态时的50 倍还要多,这是趋肤效应的结果,迫使67%的电流在该频率处流动于导体最外层5 微米厚度范围内。
* 长度为25 mm,直径为1 mm 的导线具有大约1pF 左右的寄生电容。这听起来似乎微不足道,但在176MHz时呈现大约1kO 的负载作用。若这根25 mm 长的导线在自由空间中,由理想的峰-峰电压为5V、频率为16MHz 的方波信号驱动,则在16MHz 的十一次谐波处,仅驱动这根导线就要0.45mA 的电流。
* 连接器中的引脚长度大约为10mm,直径为1 mm,这根导体具有大约10nH 左右的自感。这听起来也是微不足道的,但当通过它向母板总线传输16MHz 的方波信号时,若驱动电流为40mA,则连接器针上的电压跌落大约在40mV 左右,足以引起严重的信号完整性和/或EMC 方面的问题。
* 1 米长的导线具有大约1μH 左右的电感,当把它用于建筑物的接地网络时,便会阻碍浪涌保护装置的正常工作。
* 滤波器的100 mm 长的地线的自感可达100nH,当频率超过5MHz 时,会导致滤波器失效。
* 4 米长的屏蔽电缆,如果其屏蔽层以长度为25mm“小辫”方式端接,则在30MHz 以上的频率就会使电缆屏蔽层失去作用。
经验数据:对于直径2 mm 以下的导线,其寄生电容和电感分别是:1pF / 英寸和 1 nH/毫米(对不起没有统一单位,但这更容易记忆)。其简单的算术关系式如下:
2.4 避免使用导体
以上的种种分析表明:随着频率升高,电缆的问题越来越多。用它来完整地传输信号和防止它产生泄漏越来越困难。
即使对诸如音频之类的低频信号,电缆也开始呈现越来越多的问题。由于所有的半导体器件在直到数百MHz的频段(即使象LM324 之类的低速运放)内都具有晶体检波器的特性,所以电缆天线效应会使音频信号不知不觉地受到污染。
因此,从以最经济的手段满足EMC 要求的角度来说,最好彻底避免金属电缆和连接器。可以使用非金属导线进行通信,目前已经有许多类似的产品出现,包括:
* 光纤(更适宜非金属导线场合)
* 无线通信(例如:Bluetooth;局域网)
* 红外(例如:IrDA)
* 自由空间微波和激光通信(例如:两建筑物之间)
2.4.1 非导体产品的成本/效益分析
许多设计人员认为:只有采用传统的电缆和导线才能压缩成本。但当考虑到一个完整项目的成本、产品或系统的可靠性和电磁兼容性、安装等诸多因素时,经常可以发现,光纤或无线通信的总成本较低。当然,这时一切都晚了。
对于信号电缆及连接器而言,除了最简单的电子产品以外,原材料价格与销售价格没有什么必然的联系。对信号完整性、EMC 兼容性、过充电的危险、高返修率的风险、质量投诉、产品滞销等方面进行正确的成本/效益分析是十分必要的。
设计工程师们不愿考虑他们设计出的产品所具有的商业风险,但他们是唯一决定产品是否具有竞争力的人(通常需求是由市场人员提出)。但是,如果电子工程师们一味地只考虑产品的功能参数和原材料价格,那么,他们公司将失去竞争优势,同时还会承受不可预测的商业风险。