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越高，新技術(shù)在為大家?guī)肀憷耐瑫r，隱性的危害也隨之而來，即電磁兼容問題。
在日常生活中，我們經(jīng)常會感受到來自電磁設(shè)備的干擾，例如地下車庫的車載電臺、靠近音頻設(shè)備的手機、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覺和視覺上的不適，還會對電器本身造成危害，嚴重時也可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。
接下來讓我們跟隨安世亞太電磁工程師一起，從“干擾”出發(fā)，基于電磁場與微波理論，來揭開電磁兼容問題的神秘面紗。
電磁兼容是什么
電磁兼容(Electromagnetic Compatibility)又稱EMC指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值;另一方面是指器具對所在環(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、可見干擾即是設(shè)備EMC超標的一種體現(xiàn)，那么從電磁場與微波角度來看，EMC又是什么呢?
從上圖中可見，基于電磁場理論的EMC問題由干擾源、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，在試驗中的測試對象主要是EUT的輸入電源線、互連線及控制線等。電磁感應(yīng)又稱為近場干擾，主要指通電導(dǎo)體附近交變電磁場對其它設(shè)備的影響，其主要干擾路徑為空間電磁場，本質(zhì)為器件間的電感與電容。在低電壓大電流情況下，近場干擾以磁場產(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，交變的磁場在附近導(dǎo)體表面產(chǎn)生渦電流，渦電流通過導(dǎo)體流入控制器激發(fā)差模電流，對設(shè)備造成影響。在高電壓低電流的情況下，近場干擾以電場產(chǎn)生的電容噪聲為主。交變電場在導(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影響設(shè)備誤動作，但共模電流在空間上產(chǎn)生的磁場反作用于原磁場，進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，這就間接的對控制電路產(chǎn)生了危害。近場輻射的測試一般以近場探頭為主，測試某一區(qū)域的電磁場強度、頻率等數(shù)據(jù)。通過測試可以了解復(fù)雜電磁環(huán)境中的電場與磁場分布，但由于電場與磁場均為矢量，想通過矢量抵消的方式抑制場的不合理分布較為困難。所以一般情況下只能測試端口的差模與共模信號，進而優(yōu)化濾波器、合理設(shè)置接地等方法隔離干擾信號。
電磁兼容問題整改的新方法
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)驗對PCB板、濾波器、機箱散熱孔和接地設(shè)備等進行重新設(shè)計與優(yōu)化，在這個過程中，工程師將花費大量時間進行重復(fù)性的實物修正與實驗測試，且要求工程師具有較強的電磁場與微波理論基礎(chǔ)和較為全面的測試設(shè)備。對于集成度較高、造價昂貴的高速電路而言，這種方法勢必會造成時間和經(jīng)濟成本的浪費。
從上世紀中葉至今，一種基于偏微分方程數(shù)值計算的計算機輔助設(shè)計方法逐漸被應(yīng)用到工程中，工程師們只需根據(jù)工程問題的數(shù)字模型、理論邊界和材料屬性進行準確設(shè)置，計算機便會幫助工程師判斷設(shè)計的合理性，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軟件的場路協(xié)同分析功能便可快速、準確的分析系統(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，減少了樣機試制與實驗驗證，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高企業(yè)競爭力。
磁懸浮列車
磁懸浮列車根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和安培力定理而設(shè)計，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，線圈通電后在列車底部金屬板上產(chǎn)生較強渦流效應(yīng)，渦電流在磁場作用下使車體懸浮起來，這樣減少車體與軌道間的摩擦，使車體行駛速度得到大幅度提升。
智能穿戴設(shè)備無線充電
隨著智能穿戴設(shè)備的發(fā)展，無線充電技術(shù)也隨之興起。無線充電是一種新興的“無接觸式”充電技術(shù)，充電時無需插入任何線纜，將設(shè)備放置于充電圓盤上，圓盤底部發(fā)射的交變電流信號透過圓盤進入設(shè)備中，設(shè)備線圈感生電壓與電流對設(shè)備進行充電。無線充電技術(shù)的無損傷充電模式使智能穿戴設(shè)備密閉性更強，對液體與灰塵的防御能力也更強。
手機的曲面屏和折疊屏
在MWC2019世界移動通信大會上，華為發(fā)布了一款令人驚艷的Mate X折疊屏5G手機，其可折疊角度達到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層的交疊等問題。Metal mesh層是電容屏感知外部觸控的核心元件，其設(shè)計的合理性直接決定用戶體驗。安世亞太采用ANSYS Q3D軟件為國內(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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