頻譜利用及潛在的干擾

圖 17 電纜長度與天線效率
圖17 的縱軸表示導(dǎo)體長度（單位：米），為了便于觀察，將圖15 的頻譜復(fù)制出來。最右邊的斜線給出了導(dǎo)體成為理想天線時(shí)導(dǎo)體的長度與頻率的關(guān)系。
很明顯，在常用的頻段內(nèi)，即使很短的導(dǎo)體也能產(chǎn)生發(fā)射和抗擾度問題。可以看到，在100MHz 處，1 米長的導(dǎo)體就是很有效的天線，在1GHz 處，100mm 的導(dǎo)體就成為很好的天線。這個(gè)簡單的事實(shí)就是使EMC 被稱為“黑色藝術(shù)”的主要原因。
前幾年， 日常生活中廣泛使用的頻率都較低，典型的電纜不能成為很有效的天線，這就是為什么電氣配線“慣例”趨于過時(shí)的原因。圖17 中，中間的斜線表示雖然導(dǎo)體沒有成為高效的天線，但仍有可能引起問題的導(dǎo)體長度。左邊的斜線表示導(dǎo)體的長度極短，其天線效應(yīng)可忽略的情況（特別嚴(yán)格的產(chǎn)品除外）。有人說：“沒問題，我已經(jīng)接地了”，你聽這話多少次了？在EMC 業(yè)界人士中，射頻是色盲是經(jīng)常的笑話。因此不能將傳輸射頻信號(hào)的黃/綠色導(dǎo)線（美國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定安全地線為黃/綠色）想象成很好的地，并且，所有用于接地的導(dǎo)體也都是天線。

2.3 所有電纜受其固有電阻、電容、電感影響
暫時(shí)不考慮場和天線的作用，先看下面幾個(gè)簡單的例子。這些例子可以說明：在常用的頻率范圍內(nèi)，與理想狀態(tài)微小的偏差也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體上所傳輸?shù)男盘?hào)出現(xiàn)問題。
* 直徑1mm 的導(dǎo)線，在160MHz 時(shí)，其電阻是直流狀態(tài)時(shí)的50 倍還要多，這是趨膚效應(yīng)的結(jié)果，迫使67%的電流在該頻率處流動(dòng)于導(dǎo)體最外層5 微米厚度范圍內(nèi)。
* 長度為25 mm，直徑為1 mm 的導(dǎo)線具有大約1pF 左右的寄生電容。這聽起來似乎微不足道，但在176MHz時(shí)呈現(xiàn)大約1kO 的負(fù)載作用。若這根25 mm 長的導(dǎo)線在自由空間中，由理想的峰-峰電壓為5V、頻率為16MHz 的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，則在16MHz 的十一次諧波處，僅驅(qū)動(dòng)這根導(dǎo)線就要0.45mA 的電流。
* 連接器中的引腳長度大約為10mm，直徑為1 mm，這根導(dǎo)體具有大約10nH 左右的自感。這聽起來也是微不足道的，但當(dāng)通過它向母板總線傳輸16MHz 的方波信號(hào)時(shí)，若驅(qū)動(dòng)電流為40mA，則連接器針上的電壓跌落大約在40mV 左右，足以引起嚴(yán)重的信號(hào)完整性和/或EMC 方面的問題。
* 1 米長的導(dǎo)線具有大約1μH 左右的電感，當(dāng)把它用于建筑物的接地網(wǎng)絡(luò)時(shí)，便會(huì)阻礙浪涌保護(hù)裝置的正常工作。
* 濾波器的100 mm 長的地線的自感可達(dá)100nH，當(dāng)頻率超過5MHz 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致濾波器失效。
* 4 米長的屏蔽電纜，如果其屏蔽層以長度為25mm“小辮”方式端接，則在30MHz 以上的頻率就會(huì)使電纜屏蔽層失去作用。
經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：對于直徑2 mm 以下的導(dǎo)線，其寄生電容和電感分別是：1pF / 英寸和 1 nH/毫米（對不起沒有統(tǒng)一單位，但這更容易記憶）。其簡單的算術(shù)關(guān)系式如下：

2.4 避免使用導(dǎo)體
以上的種種分析表明：隨著頻率升高，電纜的問題越來越多。用它來完整地傳輸信號(hào)和防止它產(chǎn)生泄漏越來越困難。
即使對諸如音頻之類的低頻信號(hào)，電纜也開始呈現(xiàn)越來越多的問題。由于所有的半導(dǎo)體器件在直到數(shù)百M(fèi)Hz的頻段（即使象LM324 之類的低速運(yùn)放）內(nèi)都具有晶體檢波器的特性，所以電纜天線效應(yīng)會(huì)使音頻信號(hào)不知不覺地受到污染。
因此，從以最經(jīng)濟(jì)的手段滿足EMC 要求的角度來說，最好徹底避免金屬電纜和連接器。可以使用非金屬導(dǎo)線進(jìn)行通信，目前已經(jīng)有許多類似的產(chǎn)品出現(xiàn)，包括：
* 光纖（更適宜非金屬導(dǎo)線場合）
* 無線通信（例如：Bluetooth；局域網(wǎng)）
* 紅外（例如：IrDA）
* 自由空間微波和激光通信（例如：兩建筑物之間）

2.4.1 非導(dǎo)體產(chǎn)品的成本/效益分析
許多設(shè)計(jì)人員認(rèn)為：只有采用傳統(tǒng)的電纜和導(dǎo)線才能壓縮成本。但當(dāng)考慮到一個(gè)完整項(xiàng)目的成本、產(chǎn)品或系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性、安裝等諸多因素時(shí)，經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)，光纖或無線通信的總成本較低。當(dāng)然，這時(shí)一切都晚了。
對于信號(hào)電纜及連接器而言，除了最簡單的電子產(chǎn)品以外，原材料價(jià)格與銷售價(jià)格沒有什么必然的聯(lián)系。對信號(hào)完整性、EMC 兼容性、過充電的危險(xiǎn)、高返修率的風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量投訴、產(chǎn)品滯銷等方面進(jìn)行正確的成本/效益分析是十分必要的。
設(shè)計(jì)工程師們不愿考慮他們設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品所具有的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，但他們是唯一決定產(chǎn)品是否具有競爭力的人（通常需求是由市場人員提出）。但是，如果電子工程師們一味地只考慮產(chǎn)品的功能參數(shù)和原材料價(jià)格，那么，他們公司將失去競爭優(yōu)勢，同時(shí)還會(huì)承受不可預(yù)測的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。