《Chapter 2 电磁干扰》笔记

1. 测试设施

1.1. 平行板/TEM 室/GTEM 室

1.1.1. 平行板

平行板传输线由两个平行板组成，一个在另一个之上，顶板的宽度小于或等于底板的宽度。

平行板支持 TEM 波传播，而所有在远场中传播的电磁波都是 TEM 波。

平行板传输线的更一般情况是上板的宽度小于或等于底板的宽度。这种传输线称为带状线。较大的接地平面可确保边缘附近的场线失真较小。底面宽度一般至少需要为带状线的 3 倍。

1.2. 电容和电感

对于平行板传输线而言，有以下这些参数可以计算，

平行板传输线电容计算式

为相对介电常数； 为真空介电常数； 为平行板宽度； 为平行板间距。

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平行板传输线电感计算式

为相对磁导率； 为真空磁导率； 为平行板间距； 为平行板宽度；

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1.2.1. 相速度和波阻抗

由此可以计算相速度，

平行板相速度计算式

为平行板电容； 为平行板电感。

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平行板波阻抗计算式

为相对磁导率； 为真空磁导率； 为相对介电常数； 为真空介电常数；

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平行板特征阻抗计算式

为平行板电容； 为平行板电感； 为波阻抗； 为信号层与高度的比的倒数。

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一般来说，用于测量 TEM 波的条状线之间的介质都是空气，有 ，基本能看作真空条件，使用自由空间的波阻抗来计算。

条状线的特征阻抗为，

条状线特征阻抗计算式

为自由空间中的波阻抗； 为条状线的信号层与高度的比

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如果其中的电介质是不色散的，那么传输线的特征阻抗和频率无关。

1.2.2. 插入损耗

这里的插入损耗和 RF 的是一个概念。

用 dB 表示的插入损耗

为功率损耗比。

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在这里的功率损耗比是指入射功率与负载功率的比值。

插入损耗计算式

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1.2.3. 电阻匹配网路的电阻计算

电阻匹配网络的目的是让从 这一端向里面看的时候，阻抗为 （一般情况，如果用其他值会说明）。

对于上面这个电阻匹配网络，有，

引入 并解得，

条状线匹配网络阻抗计算式

为条状线的输入阻抗； 为条状线的特征阻抗

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1.2.4. 条状线例题

Stripline example

1.3. TEM 小室

TEM 小室是一个放大版的平行板，外部用屏蔽壳包裹住，平行板和外壳之间使用介电系数接近 1 的电介质隔开。电磁波的传播模式也为 TEM 模。

1.3.1. 特征阻抗

TEM 小室特征阻抗计算式

其中 ； 为小室的底面宽度； 为小室的高度；

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#挂起/信息不足

1.3.2. 最大工作频率

当TEM CELL中电磁波的模式变为 模时，此时的频率是其最高工作频率。它在设计上是用来传输 TEM 模的，如果变成 模就不符合设计要求了，所以是最高工作频率。

TEM 小室最高工作频率计算式

这里假设了隔板处于非正中位置

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1.3.3. TEM 小室设计

需要满足的基础条件有，

TEM 小室设计条件

为平行板距离地面的高度； 为 DUT 的高度； 为平行板的宽度； 为 DUT 宽度。

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说人话就是，平行板要有测试物的 1.5 倍高，至少要比测试物宽。

根据这个能确定 b 的取值，然后查表（

1.3.4. TEM 小室的优缺点

优点：

• 内部测试不会被外部影响
• 外部不会被内部测试影响 缺点：
• 工作频率从 DC 最高只能到

1.3.5. TEM 小室例题

TEM 小室例题

1.4. GTEM 小室

GTEM 小室是指 G 赫兹 TEM 小室，隔板末端有50欧的负载，并且还需要贴有吸波材料防止反射。能够支持 以上的频率。

1.4.1. GTEM 小室的优缺点

优点：

• 工作频率能到数 GHz
• 有屏蔽 缺点：
• 小
• 贵

1.5. 开放区域测试场地 (OATS)

在开放区域中执行测试，确保附近物体不会反射 需要导电接地层 通常在天线与测试对象之间的距离为 3m 和 10m 时进行测试。

1.6. 屏蔽外壳

目的为低发射水平测试提供安静的环境，提供高功率辐射衰减，确保重复性，不受天气影响 缺点，体积大，成本高

1.6.1. 屏蔽有效性

屏蔽有效性计算式

是入射波与吸波材料的反射损耗； 是吸波材料的吸收系数； 表示吸波材料与透射波交界面处的反射损耗。

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屏蔽有效性越大越好。

1.6.2. 吸收系数 A

复传播系数计算式

表示波传播单位长度后振幅衰减

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所以我们可以得到

对于理想导体和良导体有 （复传播系数的色散项）。此时有，

可以取近似为 ，可以推出良导体中的吸收系数为，

良导体的吸收系数

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1.6.2.1. 一些其他的变形

用相对电导率替换电导率、频率替换角频率、材料厚度 替换传播距离 ：

用趋肤深度 替换：

用相对磁导率和电导率替换（此处 的单位是 ）：

1.6.3. 反射损耗

垂直入射的情况下，透射系数相对于阻抗的关系为，

透射系数计算式

为入射波的特征阻抗， 为透射波的特征阻抗。

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透射波阻抗为，

透射波阻抗计算式

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假设有入射波功率为 ，则有透射功率

反射损耗计算式

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1.6.3.1. 金属屏蔽罩的反射损耗

对于金属有 可以得到，

又由于 从而对反射损耗进行近似：

1.6.3.2. 材料对入射平面波的反射损耗

入射波的特征阻抗为 所以可以得到 其中 为真空磁导率， 为铜的电导率。两个下标是 的是相对值。

1.6.3.3. 材料对入射电场的反射损耗

入射电场的特征阻抗

代入真空光速 代入相位系数 可以得到

1.6.3.4. 材料对入射磁场的反射损耗

类似地，可以计算出入射磁场的特征阻抗： 代入可以得到反射损耗约为：

1.6.3.5. 反射损耗公式总结

入射平面波反射损耗

为入射平面波频率； 为相对磁导率； 为相对于铜的相对电导率。

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入射电场反射损耗计算式

是电场源到表面的距离； 为入射平面波频率； 为相对磁导率； 为相对于铜的相对电导率。

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入射磁场反射损耗计算式

是电场源到表面的距离； 为入射平面波频率； 为相对磁导率； 为相对于铜的相对电导率。

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1.7. 电波暗室

反射率是描述反射电场强度的指标。吸波材料的反射率是入射角、反射角的函数。

1.7.1. 测量吸波材料的反射率

1. 测量入射波到理想导电平面（PEC）的反射
2. 计算反射电场强度和入射电场强度的比
3. 把吸波材料放到 PEC 上，测量反射场强并计算
4. 反射率计算
5. 重复不同的入射角计算

1.7.2. 吸波材料的种类

1.7.2.1. Dielectric Absorber

轻

高介电损失（考虑复介电系数 对于复介电系数，实部的定义与一般的介电系数相同，虚部表示电流在介质中的损耗）

无磁性

超宽带

厚

1.7.2.1.1. 相关公式

[[EE6303 例题合集#]]

1.7.2.1.2. 电波暗室使用的 Dielectric Absorber 的一些特性

被造成金字塔型

金字塔的高度决定了对不同频率的吸收率

反射率在 30-50dB 之间

工作频率：数百 MHz 到数 GHz

1.7.2.2. Magnetic Absorber

使用含有磁性的材料（铁氧体、碳、镍）

薄

重

有损耗（不太理解，没损耗还能叫吸波材料么）

窄带

在低频下工作良好

1.7.2.2.1. 相关公式

仍然使用亥姆霍兹方程的解（真好用）：

与复介电系数类似，复磁导率的虚部表示介质的损耗。

对于复磁导率

可以计算得到复传播系数的实部:

同样地这里也存在磁场的损耗角正切

1.7.2.2.2. 电波暗室使用的 Magnetic Absorber 一些特性

薄铁氧体陶瓷瓦片

频率范围 30MHz-1GHz

能承受高温和高功率

非常重（每平方米数十 kg）

1.8. 电波暗室的优缺点

1.8.1. 优点

测试物的体积没有限制

可以测量数十 Hz 到 40GHz 甚至更高

支持电场、磁场和平面波测量

屏蔽效率大于 100dB，能支持高功率辐射测量，低辐射泄漏

1.8.2. 缺点

为了覆盖频率、照射角和极化方向需要的时间很长

如果要测量更大的物体和更长的测试距离，需要更大的暗室

非常贵

1.9. 模式搅拌/电波混响室

1.9.1. 最低可用频率 LUF

LUF 是最低谐振频率的大约 4 倍

最低谐振频率的定义：

其中 为真空光速， 、 、 是这个房间的长宽高.

、 、 是正整数，表示电磁波在房间中的模式分布，最多有一个可以是

1.9.2. 品质因数 Q 值

定义：

其中 是墙壁导致的损失， 是天线的损失

其中 是内部体积， 是内部墙壁表面积， 是电磁波在导体的趋肤深度

其中 是天线阻抗失配导致的损失， 是总天线数量

对于测量到的 值，定义如下：

和 分别是接收和发射功率的系统平均值

1.9.3. 房间增益

定义为：

1.9.4. 测量到的电场

定义为：

2. 测试设备

2.1. EMI 接收机

EMI 接收机用于测量 EUT 的辐射。

2.1.1. 窄带信号

信号载波与接收机接收频率相同的情况下，3dB 带宽小于接收机 3dB 带宽的信号被定义为窄带信号。

一般是CW连续波，调制后且带宽小于接收机带宽的CW连续波信号

2.1.2. 宽带信号

信号载波与接收机接收频率相同的情况下，3dB 带宽小大于接收机 3dB 带宽的信号被定义为窄带信号。

窄脉冲（冲激函数）、时钟信号（谐波分量大，频谱图为sinc函数的包络）、UWB脉冲（超宽带脉冲）

2.1.3. 检波器

从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。接收机的检波器一般用来测量目标信号的功率或者电压。对于没有调制的信号（CW连续波），所有检波器必须输出相同的RMS值。

连续波信号的均方根计算式

连续波的峰值幅度； 是连续波的周期 是连续波的角频率；

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检波器具有以下类型，Peak Detector (PK)，Quasi Peak Detector (QP)，Root Mean Square Detector (RMS)，Average Detector (AV)

2.1.3.1. 峰值检波器（PK）

峰值检波器

电路中的 用于提供极大的放电时间常数。

特点

充电的时间常数极小，放电的时间常数非常长，显示的是与脉冲重复无关的峰值，显示出的最大幅度：PK>QP, RMS

充放电特性

在讨论特性前，我们先对充放电的时间进行定义， 为信号脉冲宽度，也就是充电时间； 为脉冲重复间隔，可以理解为脉冲的周期时间； 为放电时间。

对于理想二极管，它没有内阻，所以电容两端的电压会瞬间充电到 。对于真实的二极管，它有内阻 r ，充电时会有一段上升时间（忽略二极管压降），下面给出对于真实二极管进行建模的电容充电时电压。

充电时（ ）电容两端的电压，

峰值检波器电容充电特性计算式

为给电容充电的电压，在第一个脉冲处为 ； 为放电结束电压； 为二极管内部阻抗； 为充电时间，； 为电容充电常数

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在 时，二极管反偏，电容开始放电，

峰值检波器电容放电特性计算式

为电容放电开始时的初始电压； 为电容放电时间，; 为电容放电常数

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规格

一般用充放电常数的比来对 PD 的规格进行规定。

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2.1.3.2. 准峰值检波器（QP）

准峰值检波器

准峰值检波器一般用于 以上的频率

充电速度快和相对长的放电时间常数

读数受到脉冲重复频率的影响

脉冲重复频率定义式

为脉冲重复间隔时间

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充放电特性

以脉冲开始为原点算充电特性：

准峰值检波器充电特性计算式

为电容充电电压；

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以脉冲结束为原点算放电特性：

QP 检波器的输出收到脉冲宽度和脉冲间隔的影响，脉冲宽度影响电容充电程度；脉冲间隔影响电容放电程度。

功能

准峰值检测器可以被视为加权检测器，它不仅测量干扰信号的峰值幅度，还测量重复间隔。短重复间隔信号将具有高重复率，从而产生更“烦人”的干扰效应。

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2.1.3.3. 其他检波器

2.1.3.3.1. 包络检波器

极小的充电和放电时间常数，跟随信号的包络。

2.1.3.3.2. 均方根检波器（RMS）

均方根检波器

测量信号包络的均方根值。

适用于会被热效应影响的设备。

输出为，

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2.1.3.3.3. 平均值检波器（AV）

平均值检波器

测量信号包络的平均值。

对于有着长积分时间的设备适用。

输出电压的关系为：

但是从这里看，应该是信号瞬时 RMS 值的平均值，不是很懂老印的绕法。绕来绕去已经糊涂了。

对于上述两个检波器，有：

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2.2. 天线

天线用于辐射测试。一般而言，天线的增益都是在远场中测量，但是 EMI 检测却是在近场进行。

EMI 一般在 E 场/H 场和接收电压下工作，而不是在辐射强度和接收功率下工作。

由此需要重新定义一套天线参数，

• 天线系数（AF）
• 发射天线系数（TAF）

2.2.1. 天线系数

天线系数定义式

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这个描述的是电场在接收天线的负载上产生单位电压的情况。很明显这边假设的是极化与天线是匹配的，并没有考虑极化损耗。天线系数越小，相同电场强度的情况下接收到的电压越高。

2.2.1.1. 线天线

如果电场强度为 的话，天线接收到的电压为：

20kHz:

20MHz:

2.2.2. 发射天线系数

其中 是发射天线在 1m 处测量到的场强， 是发射电压。TAF 越大，产生的电场强度越大。

对于同一个天线，AF 和 TAF 不一样

2.2.2.1. 对数周期天线

对数周期天线可以在很宽的频率上产生强电场。

如果输入功率为 10W，频率 22MHz，1m 处产生的场强为 10V/m，可以计算得到：

假设是 50 欧负载，输入天线的电压为：

所以

用 dB 做法也可以：

2.2.2.2. 环形天线（磁场天线）

感应电压 (Induced Voltage)：

为线圈匝数， 为频率， 为线圈的截面积， 为磁感应强度。

2.2.3. 和

2.2.4. Antenna Example 1 作业形式

3. ESD

由高静电场引起的静电电荷的快速、自发转移。当两个具有不同静电势的物体相互靠近时，电荷会流过它们之间的火花。

最常见的是由两种材料（可能相似或不同）接触和分离而产生，尽管不同的材料往往会释放更高水平的静电荷。

3.1. ESD 的危害

ESD 会造成电子器件损坏，严重的可能引起火灾。

3.2. 静电电势和电流

用以下的公式计算静电的电荷量。

电荷量计算式

为电容； 为电势。

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静电释放实际上就是电容器的击穿。假设静电在 内释放完，其电流为，

电容电流计算式

是流过电容的电流； 是电容的电容量； 是电容两端电压的导数。

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影响静电电压和电流的因素，

• 电荷转移（摩擦起电）很复杂，取决于：
  • 接触面积
  • 分离速度
  • 相对湿度 - 空气中的水分含量往往会降低地板、地毯、桌垫等的表面电阻，因为湿颗粒会产生模糊的表面电阻。绝缘表面上的导电薄膜。即高相对湿度意味着较低的电荷累积
• 材料的化学性质
• 表面功函数等。

3.3. 示例计算

静电电势和静电电流

3.4. ESD 耦合

3.4.1. ESD 电流的磁场耦合

磁场强度有，

距离导线远 d 处的磁场强度计算式

通过导线的电流； 距离导线的距离。

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磁通量密度有，

磁通量密度计算式

为磁导率； 为磁场强度； 为电流； 为距离导线的距离。

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磁场感应电压为，

磁场感应电压计算式

为磁通量；

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3.4.2. 感应电压计算

感应电压计算