頻譜利用及潛在的干擾

圖 17 電纜長(cháng)度與天線(xiàn)效率
圖17 的縱軸表示導體長(cháng)度（單位：米），為了便于觀(guān)察，將圖15 的頻譜復制出來(lái)。最右邊的斜線(xiàn)給出了導體成為理想天線(xiàn)時(shí)導體的長(cháng)度與頻率的關(guān)系。
很明顯，在常用的頻段內，即使很短的導體也能產(chǎn)生發(fā)射和抗擾度問(wèn)題?？梢钥吹?，在100MHz 處，1 米長(cháng)的導體就是很有效的天線(xiàn)，在1GHz 處，100mm 的導體就成為很好的天線(xiàn)。這個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)就是使EMC 被稱(chēng)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(xiàn)，這就是為什么電氣配線(xiàn)“慣例”趨于過(guò)時(shí)的原因。圖17 中，中間的斜線(xiàn)表示雖然導體沒(méi)有成為高效的天線(xiàn)，但仍有可能引起問(wèn)題的導體長(cháng)度。左邊的斜線(xiàn)表示導體的長(cháng)度極短，其天線(xiàn)效應可忽略的情況（特別嚴格的產(chǎn)品除外）。有人說(shuō)：“沒(méi)問(wèn)題，我已經(jīng)接地了”，你聽(tīng)這話(huà)多少次了？在EMC 業(yè)界人士中，射頻是色盲是經(jīng)常的笑話(huà)。因此不能將傳輸射頻信號的黃/綠色導線(xiàn)（美國標準中規定安全地線(xiàn)為黃/綠色）想象成很好的地，并且，所有用于接地的導體也都是天線(xiàn)。

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(chǎng)和天線(xiàn)的作用，先看下面幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子。這些例子可以說(shuō)明：在常用的頻率范圍內，與理想狀態(tài)微小的偏差也會(huì )導致導體上所傳輸的信號出現問(wèn)題。
* 直徑1mm 的導線(xiàn)，在160MHz 時(shí)，其電阻是直流狀態(tài)時(shí)的50 倍還要多，這是趨膚效應的結果，迫使67%的電流在該頻率處流動(dòng)于導體最外層5 微米厚度范圍內。
* 長(cháng)度為25 mm，直徑為1 mm 的導線(xiàn)具有大約1pF 左右的寄生電容。這聽(tīng)起來(lái)似乎微不足道，但在176MHz時(shí)呈現大約1kO 的負載作用。若這根25 mm 長(cháng)的導線(xiàn)在自由空間中，由理想的峰-峰電壓為5V、頻率為16MHz 的方波信號驅動(dòng)，則在16MHz 的十一次諧波處，僅驅動(dòng)這根導線(xiàn)就要0.45mA 的電流。
* 連接器中的引腳長(cháng)度大約為10mm，直徑為1 mm，這根導體具有大約10nH 左右的自感。這聽(tīng)起來(lái)也是微不足道的，但當通過(guò)它向母板總線(xiàn)傳輸16MHz 的方波信號時(shí)，若驅動(dòng)電流為40mA，則連接器針上的電壓跌落大約在40mV 左右，足以引起嚴重的信號完整性和/或EMC 方面的問(wèn)題。
* 1 米長(cháng)的導線(xiàn)具有大約1μH 左右的電感，當把它用于建筑物的接地網(wǎng)絡(luò )時(shí)，便會(huì )阻礙浪涌保護裝置的正常工作。
* 濾波器的100 mm 長(cháng)的地線(xiàn)的自感可達100nH，當頻率超過(guò)5MHz 時(shí)，會(huì )導致濾波器失效。
* 4 米長(cháng)的屏蔽電纜，如果其屏蔽層以長(cháng)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)驗數據：對于直徑2 mm 以下的導線(xiàn)，其寄生電容和電感分別是：1pF / 英寸和 1 nH/毫米（對不起沒(méi)有統一單位，但這更容易記憶）。其簡(jiǎn)單的算術(shù)關(guān)系式如下：

2.4 避免使用導體
以上的種種分析表明：隨著(zhù)頻率升高，電纜的問(wèn)題越來(lái)越多。用它來(lái)完整地傳輸信號和防止它產(chǎn)生泄漏越來(lái)越困難。
即使對諸如音頻之類(lèi)的低頻信號，電纜也開(kāi)始呈現越來(lái)越多的問(wèn)題。由于所有的半導體器件在直到數百MHz的頻段（即使象LM324 之類(lèi)的低速運放）內都具有晶體檢波器的特性，所以電纜天線(xiàn)效應會(huì )使音頻信號不知不覺(jué)地受到污染。
因此，從以最經(jīng)濟的手段滿(mǎn)足EMC 要求的角度來(lái)說(shuō)，最好徹底避免金屬電纜和連接器?？梢允褂梅墙饘賹Ь€(xiàn)進(jìn)行通信，目前已經(jīng)有許多類(lèi)似的產(chǎn)品出現，包括：
* 光纖（更適宜非金屬導線(xiàn)場(chǎng)合）
* 無(wú)線(xiàn)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 非導體產(chǎn)品的成本/效益分析
許多設計人員認為：只有采用傳統的電纜和導線(xiàn)才能壓縮成本。但當考慮到一個(gè)完整項目的成本、產(chǎn)品或系統的可靠性和電磁兼容性、安裝等諸多因素時(shí)，經(jīng)?？梢园l(fā)現，光纖或無(wú)線(xiàn)通信的總成本較低。當然，這時(shí)一切都晚了。
對于信號電纜及連接器而言，除了最簡(jiǎn)單的電子產(chǎn)品以外，原材料價(jià)格與銷(xiāo)售價(jià)格沒(méi)有什么必然的聯(lián)系。對信號完整性、EMC 兼容性、過(guò)充電的危險、高返修率的風(fēng)險、質(zhì)量投訴、產(chǎn)品滯銷(xiāo)等方面進(jìn)行正確的成本/效益分析是十分必要的。
設計工程師們不愿考慮他們設計出的產(chǎn)品所具有的商業(yè)風(fēng)險，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(chǎng)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 )承受不可預測的商業(yè)風(fēng)險。