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電磁輻射騷擾是電氣電子產(chǎn)品的電磁兼容認證中最難通過(guò)的測試項目之一。關(guān)于電磁干擾的對策，許多剛接觸的工程師往往面臨一個(gè)問(wèn)題，雖然看了不少對策的書(shū)籍，但是卻不知要用書(shū)中的那些方法來(lái)解決產(chǎn)品的EMI問(wèn)題。這是一個(gè)很實(shí)際的問(wèn)題，看別人修改似乎沒(méi)什么困難，對策加了噪聲便能適當的降低，而自己修改時(shí)下了一大堆對策，找了一大堆的問(wèn)題點(diǎn)，卻總不能有效地降低噪聲。
2.水平、垂直判斷技巧
EMI的測試接收天線(xiàn)分為水平與垂直二個(gè)極化，亦即要分別測試記錄此二個(gè)天線(xiàn)方向的最大讀值，噪聲必須要在天線(xiàn)為水平及垂直測量時(shí)皆能符合規格，測量天線(xiàn)要測量量水平及垂直二個(gè)方向，除了要記錄到噪聲最大時(shí)的讀值外，也能顯示出噪聲的特性，由這個(gè)特性的顯示，我們可初步判斷造成EMI問(wèn)題的重點(diǎn)，對于細部的診斷是很有幫助的，通常這個(gè)方法是很容易為修改對策人員所忽略。在本期的分析中，筆者要介紹幾種EMI的判圖技巧，也就是如何從靜態(tài)的頻譜分析儀所得到的噪聲頻譜圖做初步的分析，另外也會(huì )介紹一般對策修改人員最常用的一些動(dòng)態(tài)分析技巧。
許多工程師常?；嗽S多時(shí)間與精神，卻感覺(jué)無(wú)法掌握到重點(diǎn)，可能就是缺乏基本分析的技巧，在噪聲的判斷上有一些混淆，如果能夠掌握一些分析方法，可以節省不少對策的時(shí)間。這里所提的一些方法，一直被不少資深的EMI工程師視為秘訣，因為其中往往是累積了多年的心得與經(jīng)驗才體悟出來(lái)的方法，而這些方法通常都是非常有效的。
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實(shí)例一 水平與垂直讀值的差異
說(shuō)明 ：
這是Modem&Telephone的產(chǎn)品，讀者可以很明顯地看出來(lái)，天線(xiàn)水平時(shí)的噪聲和垂直時(shí)的噪聲有很大的差異，那么這其中代表了什么意義呢？
分析討論
要清楚的認識這個(gè)問(wèn)題，首先必須要了解天線(xiàn)的基本理論，我們先假設發(fā)射與接收天線(xiàn)皆為偶極天線(xiàn)。
上圖為當發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)同方向時(shí)，由于所產(chǎn)生的電磁波極化相同，故此時(shí)接收天線(xiàn)可得到最大的共振接收強度
當發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)不同方向時(shí)，則由于發(fā)射天線(xiàn)的電磁波為水平極化，而接收。天線(xiàn)的電磁波為垂直極化，故在共振接收的強度上最小。
以上述這個(gè)觀(guān)念來(lái)分析水平與垂直噪聲的強度差異，當接收天線(xiàn)為水平時(shí)噪聲強度較高，可以推測此噪聲來(lái)源主要是由產(chǎn)品內或外的水平線(xiàn)所造成，而當接收天線(xiàn)為垂直時(shí)噪聲強度較高，可以推測此噪聲來(lái)源主要是由產(chǎn)品內或外的垂直線(xiàn)所造成，也就是從天線(xiàn)共振的角度去思考問(wèn)題，把產(chǎn)品的輻射源也想象成一假想的天線(xiàn)，那么在相同方向其所造成的共振效應會(huì )最大。
以這個(gè)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看問(wèn)題有時(shí)往往很快能找到問(wèn)題的重點(diǎn)，尤其是一些比較復雜的產(chǎn)品其內部及外部皆有許多導線(xiàn)、連接線(xiàn)的產(chǎn)品，如果能先以水平、垂直的讀值做初步的分析，則比較不容易誤判造成噪聲的機制。
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實(shí)例二 水平與垂直讀值的差異
差異：
1. 圖3是接收天線(xiàn)為水平極化方向。
2. 圖4是接收天線(xiàn)為垂直極化方向。
說(shuō)明：
此為CCD的產(chǎn)品，這兩張圖不同于實(shí)例四是垂直噪聲的讀值明顯比水平噪聲高。
分析討論
關(guān)于水平與垂直噪聲的判斷，筆者在此再做更詳細的說(shuō)明，水平噪聲較高，一般必須注意在待測桌上水平部份較長(cháng)的線(xiàn)以及產(chǎn)品內部水平部份的線(xiàn)，而垂直噪聲如果是比水平噪聲高，那么就必須考慮在垂直方向的線(xiàn)，是否造成輻射的問(wèn)題，而通常最容易被忽略的就是AC電源線(xiàn)，因為AC電源線(xiàn)一般皆沿桌面下垂，所以當AC電源線(xiàn)被耦合到噪聲，則會(huì )使得天線(xiàn)在垂直方向噪聲增大，但是因為AC電源線(xiàn)無(wú)法拔掉來(lái)判斷噪聲是否存在，所以不容易很快判斷。
在此介紹二種方法以供讀者使用，對于低頻的噪聲(小于200MHz)可以用數個(gè)Core夾上，看噪聲是否降低，如果噪聲降低則表示噪聲是由電源線(xiàn)所輻射出來(lái)，對于高頻的噪聲(大于200MHz)則可將電源線(xiàn)位置改變或左右搖動(dòng)，看噪聲是否有變大或變小，如果噪聲會(huì )隨線(xiàn)的位置而改變，那么便表示噪聲是由電源線(xiàn)所輻射出來(lái)。
另外由于產(chǎn)品所造成的噪聲頻率點(diǎn)往往不只一點(diǎn)，而各點(diǎn)可能由不同的輻射機制所造成，所以可以針對單一點(diǎn)的噪聲將頻譜分析儀的頻寬展開(kāi)，然后天線(xiàn)轉成水平及垂直來(lái)比較，這個(gè)方法看似簡(jiǎn)單，但對于比較復雜的系統與產(chǎn)品，其內部及外部連接了許多排線(xiàn)，通?？梢杂行У劓i定問(wèn)題的范圍。
筆者亦曾經(jīng)處理過(guò)一件拖延甚久的案子，由于其在OPEN SITE測試時(shí)，垂直讀值明顯高過(guò)水平讀值10dB以上，且當人一靠近機器噪聲亦明顯降低，針對這兩個(gè)現象來(lái)思考，結果發(fā)現有一短的垂直電纜線(xiàn)連接上下機體造成，當問(wèn)題找到確定后，再做適當的對策將是非常有效。
也許讀者會(huì )問(wèn)，水平和垂直噪聲的讀值一樣高則如何來(lái)判斷，若碰到這種情形，通常表示噪聲源非常強，故內部的各種導線(xiàn)很容易受到耦合，例如使用某些噪聲較強的IC或CPU，這時(shí)因為噪聲能量較大，往往要從電路板內部與組件的Lay -out、Placement及Ground來(lái)下手，當然對策方法不止一種，診斷的方法也不只一種，可以用其它方法再仔細的分析問(wèn)題。為使讀者能夠由實(shí)例中了解，筆者亦選取下列數例以幫助讀者更了解及運用。
電源線(xiàn)的判斷
圖(a)為Desktop PC的噪聲輻射結果，而圖(b)則為在A(yíng)C Power電源線(xiàn)加上數個(gè)Core。
電源線(xiàn)的判斷
圖(c)為Desktop PC在300-500MHz的噪聲輻射結果，而圖(d)則為改變AC Power電源線(xiàn)的形狀，結果噪聲有明顯的差異。
單點(diǎn)噪聲的判斷
圖(e)為將頻譜分析儀的Span降低，單獨看172MHz的噪聲，此時(shí)天線(xiàn)為水平的方向，而圖(f)則為同一角度，將天線(xiàn)轉成垂直來(lái)看，比較二者的差異便可以知道主要為水平線(xiàn)輻射所造。
三. 最大角度判斷技巧
在EMI測試時(shí)，除了天線(xiàn)要測試水平與垂直二個(gè)極化方向外，待測物的桌子并且要旋轉360度，記錄最大的噪聲讀值，因此當發(fā)現噪聲無(wú)法符合時(shí)，除了先判斷水平和垂直噪聲的差異外，便是要將待測物旋轉到最大的噪聲位置，由于電子產(chǎn)品其噪聲的輻射往往會(huì )在某一個(gè)角度最大，而此時(shí)待測物面向天線(xiàn)的位置，往往是造成輻射的來(lái)源，通常要分析這位置附近的組件、導線(xiàn)及屏蔽效果，如此則較容易鎖定范圍，再仔細分析問(wèn)題。
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實(shí)例三 最大角度的判斷
差異：
1.圖5是待測物正面對向接收天線(xiàn)。
2.圖6是待測物側面對向接收天線(xiàn)。
說(shuō)明 ：
1.這兩張圖是待測物面對接收天線(xiàn)不同的角度，由于角度的不同，很明顯地噪聲的強度也有很大的差別。
分析討論
比較上兩圖，由于待測物面對天線(xiàn)的位置不同，則噪聲強度明顯的不同，這也說(shuō)明了噪聲源是在產(chǎn)品的某一部份，亦即靠近天線(xiàn)最大時(shí)的位置部份必須仔細分析診斷。
這個(gè)判斷方法也是如前一樣，可能會(huì )遇到不管桌子是轉在那一個(gè)角度，噪聲強度皆是一樣高，如果碰到這種產(chǎn)品，一般而言是較難處理的，因為待測物的每一個(gè)方向噪聲皆一樣強，表示此噪聲源已將機器內的每一部份皆感染，處理這一類(lèi)機器的EMI問(wèn)題，通常要花一些時(shí)間，有時(shí)則要使用金屬彈片、銅箔或噴導電漆來(lái)抑制噪聲。
最大角度的判斷
圖(g)為將PC待測物轉到最大角度，而圖(h)則為用手按前面噴導電漆的塑料殼，結果噪聲明顯降低，故表示要加強導電漆與金屬鐵殼的密合導通效果。
圖(i)為將將PC待測物轉到最大角度，而圖(j)則為用銅箔貼在面對天線(xiàn)的PC前緣外殼上，結果噪聲明顯降低，故表示要加強該處的屏蔽密合效果。
四. Common mode與Differential mode的判斷技巧
關(guān)于Common mode和Differential mode的分析，相信只要接觸過(guò)電磁干擾理論的讀者都略知一二，許多書(shū)中也強調Common mode和Differential mode的重要，并有詳盡的圖解說(shuō)明其分別造成的機制，有的文章甚且長(cháng)篇大論分析了一大堆理論，看了之后
對Common mode和Differential mode是了解許多，但是對于如何應用與判斷，可能還是有霧里看花，摸不著(zhù)頭緒的感覺(jué)。這主要的原因便是缺少實(shí)際測試圖形的配合分析，因此筆者將重點(diǎn)放在實(shí)際應用分析來(lái)說(shuō)明Common mode和Differential mode。
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實(shí)例四 共模與異模的判斷
差異：
1.圖7是含有共模和異模噪聲的CCD產(chǎn)品。
2.圖8是待測物電源關(guān)閉后的背景噪聲。
說(shuō)明 ：
這兩張圖是比較共模和異模的判斷。
分析討論
圖7是一般測試時(shí)最常見(jiàn)到的噪聲頻譜圖形，在此我們做一詳細的分析。首先看整個(gè)頻帶的基線(xiàn)(Base line)，其特性為一寬帶的噪聲，比較圖8為機器關(guān)機時(shí)頻譜分析儀的圖形，愈高頻基線(xiàn)愈高是因加了天線(xiàn)因子(Antenna Factor)的原因，亦即高于圖8基線(xiàn)的整個(gè)寬帶噪聲，我們可以視為 Common mode的噪聲，而其上一支支單獨的噪聲可以視為Differential mode噪聲。將噪聲分布情形分成 Common mode和Differential mode 的作用為何，主要便是要判斷其分別造成的輻射來(lái)源機制，如此幫助找到問(wèn)題點(diǎn)及對策的方法。
造成 Common mode 的原因主要是接地(Ground)與屏蔽(Shield)，也就是當發(fā)現 Common mode的噪聲非常高時(shí)，則要先考慮產(chǎn)品內的接地與屏蔽的問(wèn)題。而造成 Differential mode 的原因則主要是線(xiàn)的問(wèn)題，包括電路板上的trace線(xiàn)、產(chǎn)品內部的各種導線(xiàn)及外部的連接線(xiàn)，故要從各各在線(xiàn)來(lái)找出問(wèn)題，能夠從這兩個(gè)方面先把問(wèn)題厘清，對于深入細部的修改是很有幫助的。
為使讀者能更清楚認識與運用這個(gè)觀(guān)念，筆者再以下例詳細說(shuō)明。
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實(shí)例五 共模的分析
差異：
1.圖9是一次側接地和二次側的地連接在一起。
2.圖10是將一次側接地和二次側的地分開(kāi)。
說(shuō)明 ：
1.此為切換式電源供應器的產(chǎn)品，這兩張圖是說(shuō)明不同接地方式所造成的影響。
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實(shí)例六 異模的分析
差異：
1.圖11是傳真機接上電話(huà)線(xiàn)。
2.圖12是傳真機的電話(huà)線(xiàn)取下。
說(shuō)明 ：
1.這兩張圖是說(shuō)明因為外接線(xiàn)所造成異模輻射的效應。
分析討論
關(guān)于共模和異模的分析，在實(shí)際的產(chǎn)品噪聲輻射中，往往是相互混合的，有時(shí)無(wú)法單純的將其分成共模和異模，這點(diǎn)在對策考慮時(shí)也必須做多方的判斷，以噪聲能量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，當噪聲能量大多分布在Ground上，則此時(shí)在頻譜儀上則會(huì )看到 Broadband的噪聲明顯升高，若噪聲能量大多分布在Trace上，則此時(shí)在頻譜儀上會(huì )看到 Differential mode的Narrowband噪聲會(huì )增加。
但是在實(shí)際電路板上，噪聲的能量是同時(shí)會(huì )分布在Ground和Trace上，所以當Ground 的面積加大(RG減小)或Ground的噪聲減小(IN減小)，不僅 Common mode的輻射可降低，同時(shí)Differential mode也會(huì )隨之降低，因為原先在Trace上噪聲的能量一部份可被Ground所吸收，而將Trace的路徑減短或面積減小，則除了降低Differential mode的噪聲外，因為輻射的天線(xiàn)減小后，相對地Ground噪聲藉Trace所輻射的量自然也就比較小，因此這二者之間往往存在著(zhù)相互轉換的關(guān)系。
對于這個(gè)觀(guān)念必須能夠清楚地了解與認識，這一點(diǎn)在電路板的Layout與對策上是非常重要的，也就是對噪聲的防制要能夠有整體的認識，而非單獨針對幾個(gè)組件下對策。事實(shí)上，從許多的例子可以看到，只是單純在Crystal上加一些電阻、電容和電感(Bead)，通常無(wú)法有效地去抑制噪聲噪聲，下面這個(gè)例子即是實(shí)際在Terminal產(chǎn)品上針對Oscillator對策的電路圖。
上述的范例在早期一直被一些對策人員視為秘籍，許多初學(xué)者看到后總覺(jué)得如獲至寶，像上例為了抑制噪聲，共使用了三個(gè)電容、四個(gè)電感和一個(gè)電阻，工程可謂浩大，但是否表示就可以有效抑制噪聲的輻射，答案是否定的。
這也是許多R&D工程師剛開(kāi)始遇到EMI困擾時(shí)，總是信心滿(mǎn)滿(mǎn)認為只要在適當的地方加上濾波對策即可，結果花了許多時(shí)間卻一直不能放棄噪聲而感到困擾與挫折。這是因為沒(méi)有對噪聲的特性先做一評估，又缺少EMI整體對策的觀(guān)念，所以有時(shí)低頻噪聲抑制下來(lái)，結果高頻卻又無(wú)法符合，或者120MHz噪聲減低，但160MHz噪聲卻又升高，如此反反復覆是非常耗時(shí)的。
五.Harmonic諧波的判斷技巧
大部份噪聲測試的頻譜圖，皆可以看到如下之一支支等距的噪聲，這一支支等距的噪聲亦即為噪聲的諧波，通?？捎善渑袛嘣肼暤膩?lái)源。
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實(shí)例七 諧波的分析
差異：
1.圖13是使用28MHz的CCD產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)除頻后為14MHz。
2.圖14是使用14MHz的無(wú)線(xiàn)麥克風(fēng)的產(chǎn)品。
說(shuō)明 ：
1.這兩張圖是介紹諧波分析的技巧，計算一支支等距噪聲的頻率差。
分析討論
計算每一支等距噪聲差為14MHz，此表示出有一個(gè)14MHz的Clock信號所造成，或者是經(jīng)過(guò)除頻后有14MHz的信號產(chǎn)生。由于在電路板上往往會(huì )使用數個(gè)不同頻率的Crystal，以致有時(shí)無(wú)法判斷是那一個(gè) Crystal 所造成，利用這個(gè)方法有時(shí)可以很快的確定是那一個(gè)Crystal造成，然后再做對策，如此可省除逐一拆除 Crystal判斷，或者在電路板上逐一割線(xiàn)判斷的麻煩。
六.噪聲點(diǎn)展開(kāi)的判斷技巧
除了使用諧波的觀(guān)念來(lái)判斷噪聲的來(lái)源外，尚可將噪聲點(diǎn)展開(kāi)來(lái)判斷，也就是將頻譜分析儀的Span減小，然后研究造成的機制。
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實(shí)例八 噪聲展開(kāi)的分析
差異：
1.圖15是TV Game由30-300MHz的噪聲輻射。
2.圖16是將其中較高的噪聲展開(kāi)。
說(shuō)明 ：
1.這兩張圖是介紹噪聲展開(kāi)分析的技巧。
分析討論
由于造成輻射噪聲的成因很多，而產(chǎn)品也可能有多種功能組件會(huì )引起噪聲干擾，通常頻譜分析儀設定由30MHz測到300MHz，如此可以很快看出有那些噪聲無(wú)法符合，但是因為頻寬設定太大，故噪聲幾乎都是一支一支的狀態(tài)顯現，如果我們將頻譜的Span減小，此時(shí)便可發(fā)現展開(kāi)后的波形是不一樣的。
如上例中在30MHz到300MHz的圖中是單支噪聲，但是將Span降至100KHz時(shí)，可看出類(lèi)似方波的波形上還載有另一種波形，透過(guò)這種分析也可做為噪聲來(lái)源的判斷，為使讀者能更加了解，下列為一些常見(jiàn)到的波形
噪聲展開(kāi)之分析
圖(k)為Clock的信號，而圖(l)則為Video的信號。
噪聲展開(kāi)之分析
圖(m)為馬達控制的信號，而圖(n)則為 Clock Generator的信號。
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上述所介紹的分析技巧主要為靜態(tài)的分析，也就是可以先將各種噪聲的特性與狀況畫(huà)出來(lái)，然后做一個(gè)初步的研究分析，這個(gè)方法所得到的結論是偏向猜測性與預測性的，有時(shí)可能如所分析的結果然而有時(shí)則可能和所分析的看法相距甚遠。
筆者要再次強調EMI的對策是有系統、有方法的，有些步驟看似多余的，但是如此做可以避免事后的許多誤判而鉆入牛角尖，切忌直接判斷問(wèn)題就蒙著(zhù)頭一直加對策，這樣往往會(huì )多花許多時(shí)間與金錢(qián)。
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