信号干扰如何解决，使用近场探头进行EMI干扰排查

在开发电子产品的过程中，电磁干扰EMI（Electro Magnetic Interference）是工程师们不得不考虑的问题。电磁干扰（EMI）可能会导致许多问题，尤其是在产品开发阶段或产品验收阶段。如果电路设计受到电磁干扰的影响，可能会出现乱码显示，数据接触不良或者是其他线路故障。为了最大限度地减少电磁干扰的影响，各个国家的政府机构都制定并实施了针对各个产品类型的EM输出的严苛标准，一般我们称为电磁兼容性（EMC）测试。所有电子相关的产品在上市前必须强制性通过电磁兼容性测试。

许多EMC兼容测试失败的原因主要来源于电路中的射频能量泄漏和电路板设计本身的相互影响。引起这种干扰的电场和磁场肉眼是不可见的，并且当我们想要深究其原因以期能最小化EMI影响时，往往会发现，问题是非常复杂的。

是什么导致了这个问题？

造成辐射干扰的信号或能量来源在哪里？

我该如何解决？

好在，我们可以通过一些简单的工具和技术来帮助识别EMI干扰源。一旦确定了干扰源，我们就可以开始着手解决问题。那么怎么去找出干扰源呢？我们需要用到一种技术，这种技术不是严格意义上的标准EMC兼容测试，而是一种预测试，它可以帮助我们快速找到干扰源可能存在的地方，并且不需要昂贵的专业设备和实验室装置。

在本篇应用指南中，我们将介绍一些常用的预兼容测试相关的技术，例如使用近场探头来查找可能的EMI泄漏源。此项技术可以快速地识别问题，有效地节约时间和经济成本。

需要注意的是，预一致性测试旨在于帮助识别和解决可能会阻碍EMC认证的问题，并不能完全替代认证实验室的EMC合规测试。

2、电磁辐射基础知识

电磁辐射最常见的产生方式是导体中电流的突变或者电压的骤升，辐射的路径通过PCB走线，器件的引脚，连接器或者是其它的金属介质，包括机箱，机架或者是产品的外壳。电磁辐射实际上是指电场和磁场的相互作用，相互影响。它常常被这样描述：正交时变的电场和磁场的传播，如下图1 所示。

图1 图左上角是电磁波的传播，注意，电场和磁场是互相正交的

图2 由电流产生的磁场

和磁场不一样，电场由移动或者静止的电荷产生。因此，当在散热片或金属外壳等诸如此类导电体的表面上产生电磁辐射时，电场产生的辐射会居于主导地位。电场产生的影响也倾向于远离源（远场）。某些环境因素如无线电台，wifi或者是人为的射频干扰信号，都使得远场测量更容易出现错误。远场测量，比如说某个兼容测试中的信号发射部分的测量，要求测量者拥有比进行近场测量更复杂的设备和更丰富的知识。

通过测量由导体产生的电磁场的幅值和频率，我们可以找出最可能导致EMI干扰问题的区域。

3、设备清单

以下是一些用于近场故障排除的基础设备清单：

频谱仪/EMI接收机： 测量相对于频率的RF功率。频谱仪的最高输入频率应该不低于1GHz， DANL为-100dBm （-40dBuV）或者更小，RBW不低于10kHz。

近场探头：分为磁场近场探头和电场近场探头。

50欧姆同轴线缆：使用与近场探头和频谱分析仪RF输入口相匹配的线缆。如果需要的话，探头，同轴线缆，连接器可以同时配套购买。

探头：因为人类的肉眼无法直接看到电磁波，所以我们需要借助一些工具辅助测量。回想一下我们刚刚提到的，导体中的移动电荷产生辐射到整个空间的电磁场。

我们可以通过测量电磁场功率值来衡量电路中的感应电压，从而间接地测量出源电场的强度。在EMI故障排除的过程中，最常用到的探头是近场探头。

流过探针的“环路”区域的磁场会产生可测量的电压（图3）。环形区域越大，磁通量就越大，因此更适合寻找一些小信号。但是小的环形区域提供更好的空间分辨率（从而可以更精确地找到问题点）。许多测试工具中的探头都有多种环尺寸（见图4），从而帮助用户更好地实现灵敏度和空间分辨率之间的平衡。

电场探头通常不会有一个环形的区域。用他们获得电场信息的方法更像是单极天线。与磁场探头一样，电场探针旋转与否不影响测量结果，但与信号源的距离是非常重要的影响因素。

以下是探头的使用指南：

关闭被测设备，观察频谱仪的测量值，测出本底辐射。注意，任何可能由环境或者本底辐射引起的的射频干扰都要关注。如果在屏蔽良好的实验室中，这个问题可能不是很大，但在普通的实验室中，一定要提前测得环境中存在的本底干扰。

探头的摆放，通信端口终端，以及机器外壳的接缝、通风口等，这些都是在测试中容易出现问题的地方。

电场或磁场的探头离信号源近一点会测得更高幅值。

磁场探头放置的方向垂直于磁场会比平行于磁场测得更高的数据。

因为在重复的实验中探头的位置是比较重要的，因此把一个不导电的夹具（如木头，塑料）固定在被测设备上，那么探头就可以使用了。记住，探头的位置和放置方向是十分重要的，一点点的位置偏差或者一点点的角度偏差都会在对被测设备进行实验时引起很大的误差。

图3 磁场探头的摆放和角度影响被测设备测得幅值

图4 一组具备不同空间分辨率的近场探头

图5 使用近场探头对PCB板进行辐射测量

电子设备中的线缆和连接器都需要被屏蔽并且接地正确，因为它们是很好的天线，导体外部的微小的电流变化就很容易造成探测到的辐射量超过电磁兼容测试设定的限值。

5、结论

1.磁场由流动的电流产生。使用磁场近场探头靠近导线或回路去甄别电磁辐射。

2.电场由流动的电流或者静电荷产生。使用电场近场探头在金属平面（例如散热器，机箱，显示屏的边界或者是机壳的缝隙等）去甄别电磁辐射。

3.显示屏，机壳的缝隙，带状线缆和通信端口及总线是最可能导致辐射泄漏的地方。

4.用导电带或铝箔包裹住可能产生电磁泄漏的部分，并确认包裹是接地的，再次扫描被包住的地方的EMI干扰是否减轻了。

5.连接不良的电缆和连接器也会导致辐射问题。

6.通过给被测器件断电并观察频谱仪上的输出，可以多次测量环境对实验的影响。在测量中要标注出任何的变化以及它们所带来的潜在的影响。

通过一些简单的设备，你可以在室内进行预兼容测试， 这会最大限度地减少产品开发时间，降低设计成本，以及减少下一代产品研发过程中的反复测量次数。

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审核编辑：符乾江