隨著5G等技術(shù)的發(fā)展，高速電路的集成化和工作頻率越來(lái)越高，新技術(shù)在為大家?guī)?lái)便利的同時(shí)，隱性的危害也隨之而來(lái)，即電磁兼容問(wèn)題。
在日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)感受到來(lái)自電磁設(shè)備的干擾，例如地下車(chē)庫(kù)的車(chē)載電臺(tái)、靠近音頻設(shè)備的手機(jī)、大功率用電器旁的示波器抑或是手術(shù)室里眾多設(shè)備儀器中的高頻電刀。這些所謂的干擾不僅帶給電器使用者聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)上的不適，還會(huì)對(duì)電器本身造成危害，嚴(yán)重時(shí)也可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。
接下來(lái)讓我們跟隨安世亞太電磁工程師一起，從“干擾”出發(fā)，基于電磁場(chǎng)與微波理論，來(lái)揭開(kāi)電磁兼容問(wèn)題的神秘面紗。
電磁兼容是什么
電磁兼容(Electromagnetic Compatibility)又稱(chēng)EMC指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值;另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。我們上文提及的可聽(tīng)、可見(jiàn)干擾即是設(shè)備EMC超標(biāo)的一種體現(xiàn)，那么從電磁場(chǎng)與微波角度來(lái)看，EMC又是什么呢?
從上圖中可見(jiàn)，基于電磁場(chǎng)理論的EMC問(wèn)題由干擾源、路徑和抗干擾能力三種要素組成。根據(jù)傳播路徑和產(chǎn)生機(jī)理不同，低頻電磁干擾主要分為電磁傳導(dǎo)和電磁感應(yīng)兩種方式。傳導(dǎo)發(fā)射是電磁干擾(EMI)或源自電子或電氣設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的頻率的干擾。然后，這些發(fā)射沿著互連的電纜傳播，例如有線端口、電信端口或電力導(dǎo)線。這些發(fā)射可以是連續(xù)的(在給定頻率下連續(xù)發(fā)射)，也可以是不連續(xù)的(非常數(shù)，偶爾發(fā)生)。該種干擾的傳遞方式較為直接，在試驗(yàn)中的測(cè)試對(duì)象主要是EUT的輸入電源線、互連線及控制線等。電磁感應(yīng)又稱(chēng)為近場(chǎng)干擾，主要指通電導(dǎo)體附近交變電磁場(chǎng)對(duì)其它設(shè)備的影響，其主要干擾路徑為空間電磁場(chǎng)，本質(zhì)為器件間的電感與電容。在低電壓大電流情況下，近場(chǎng)干擾以磁場(chǎng)產(chǎn)生的電感噪聲為主。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律與楞次定律可知，交變的磁場(chǎng)在附近導(dǎo)體表面產(chǎn)生渦電流，渦電流通過(guò)導(dǎo)體流入控制器激發(fā)差模電流，對(duì)設(shè)備造成影響。在高電壓低電流的情況下，近場(chǎng)干擾以電場(chǎng)產(chǎn)生的電容噪聲為主。交變電場(chǎng)在導(dǎo)體表面產(chǎn)生周期性感應(yīng)電荷，抬高導(dǎo)體電位，使導(dǎo)體與地之間產(chǎn)生位移電流，回路中激發(fā)共模電流。共模電流在理論上并不會(huì)影響設(shè)備誤動(dòng)作，但共模電流在空間上產(chǎn)生的磁場(chǎng)反作用于原磁場(chǎng)，進(jìn)而造成差模電流的再次激發(fā)，即共模電流向差模電流的轉(zhuǎn)換，這就間接的對(duì)控制電路產(chǎn)生了危害。近場(chǎng)輻射的測(cè)試一般以近場(chǎng)探頭為主，測(cè)試某一區(qū)域的電磁場(chǎng)強(qiáng)度、頻率等數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)試可以了解復(fù)雜電磁環(huán)境中的電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布，但由于電場(chǎng)與磁場(chǎng)均為矢量，想通過(guò)矢量抵消的方式抑制場(chǎng)的不合理分布較為困難。所以一般情況下只能測(cè)試端口的差模與共模信號(hào)，進(jìn)而優(yōu)化濾波器、合理設(shè)置接地等方法隔離干擾信號(hào)。
電磁兼容問(wèn)題整改的新方法
根據(jù)電磁兼容產(chǎn)生于傳播的原理，電磁兼容防治方法主要有濾波整改、走線優(yōu)化、接地和屏蔽等。工程師按照經(jīng)驗(yàn)對(duì)PCB板、濾波器、機(jī)箱散熱孔和接地設(shè)備等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在這個(gè)過(guò)程中，工程師將花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行重復(fù)性的實(shí)物修正與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，且要求工程師具有較強(qiáng)的電磁場(chǎng)與微波理論基礎(chǔ)和較為全面的測(cè)試設(shè)備。對(duì)于集成度較高、造價(jià)昂貴的高速電路而言，這種方法勢(shì)必會(huì)造成時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的浪費(fèi)。
從上世紀(jì)中葉至今，一種基于偏微分方程數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法逐漸被應(yīng)用到工程中，工程師們只需根據(jù)工程問(wèn)題的數(shù)字模型、理論邊界和材料屬性進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置，計(jì)算機(jī)便會(huì)幫助工程師判斷設(shè)計(jì)的合理性，以圖表、云圖和數(shù)值的方式由表及里的展示分析結(jié)果。安世亞太提供的基于ANSYS軟件的場(chǎng)路協(xié)同分析功能便可快速、準(zhǔn)確的分析系統(tǒng)中傳導(dǎo)干擾與輻射干擾的干擾區(qū)域和數(shù)值大小，工程師基于仿真結(jié)果反復(fù)優(yōu)化并觀察優(yōu)化結(jié)果，減少了樣機(jī)試制與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
磁懸浮列車(chē)
磁懸浮列車(chē)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和安培力定理而設(shè)計(jì)，通常在軌道上布滿大小相同，電流方向互異的高頻交流線圈，線圈通電后在列車(chē)底部金屬板上產(chǎn)生較強(qiáng)渦流效應(yīng)，渦電流在磁場(chǎng)作用下使車(chē)體懸浮起來(lái)，這樣減少車(chē)體與軌道間的摩擦，使車(chē)體行駛速度得到大幅度提升。
智能穿戴設(shè)備無(wú)線充電
隨著智能穿戴設(shè)備的發(fā)展，無(wú)線充電技術(shù)也隨之興起。無(wú)線充電是一種新興的“無(wú)接觸式”充電技術(shù)，充電時(shí)無(wú)需插入任何線纜，將設(shè)備放置于充電圓盤(pán)上，圓盤(pán)底部發(fā)射的交變電流信號(hào)透過(guò)圓盤(pán)進(jìn)入設(shè)備中，設(shè)備線圈感生電壓與電流對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電。無(wú)線充電技術(shù)的無(wú)損傷充電模式使智能穿戴設(shè)備密閉性更強(qiáng)，對(duì)液體與灰塵的防御能力也更強(qiáng)。
手機(jī)的曲面屏和折疊屏
在MWC2019世界移動(dòng)通信大會(huì)上，華為發(fā)布了一款令人驚艷的Mate X折疊屏5G手機(jī)，其可折疊角度達(dá)到180度，是一款真正意義上的完全可折疊屏幕。折疊屏在研發(fā)過(guò)程中，除了考慮力學(xué)特性外，還需要考慮折疊前與折疊后屏幕metal mesh層的交疊等問(wèn)題。Metal mesh層是電容屏感知外部觸控的核心元件，其設(shè)計(jì)的合理性直接決定用戶(hù)體驗(yàn)。安世亞太采用ANSYS Q3D軟件為國(guó)內(nèi)三大觸屏廠商提供平面屏、曲面屏、折疊屏與大尺寸OLED屏幕的觸控模擬技術(shù)。
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