作者：郑军奇
出版社：电子工业出版社
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EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第3版)试读：
前言
在国内市场上，大部分的EMC 书籍存在的一个共同缺陷就是设计与测试脱节。谈论EMC设计技术与方法需要建立在EMC测试原理的基础上，不仅仅是因为EMC设计的第一道门槛就是EMC测试，更重要的是在EMC测试的标准中给出了明确的干扰源、接收源等模型。它们都是EMC问题分析中不可缺少的部分。如传导骚扰测试，它的实质是LISN中一个电阻两端的电压，在电阻一定的情况下，传导骚扰的高低取决于流经LISN中这个电阻的电流。EMC设计就是为了降低流经这个电阻的电流；又如EFT/B测试、BCI测试、ESD测试等抗扰度测试，它们是典型的共模抗扰度测试，干扰源是相对于参考接地板的共模电压，也就意味着这些干扰源的参考点是进行这些测试时的参考接地板，干扰所产生的所有干扰电流最终都要流回参考接地板，这是分析这类干扰问题的基本点。设想一下，对于以上所说的传导骚扰测试来说，如果在测试设计的产品时，骚扰电流不流过LISN中的那个电阻，同时，对于抗扰度测试来说，干扰电流也不经过产品电路，那么这个产品肯定是通过EMC测试的。因此，EMC设计必须从EMC测试开始。《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》（第3版）是一本紧密结合EMC测试实质、EMC设计原理及具体产品设计，来讲述EMC设计方法的工程参考用书。实践性与理论性的高度结合是本书的最大特点。
本书分为7章。其中，第1章描述EMC基础知识及EMC测试实质，为第2章～第7章的内容做铺垫。当读者在阅读后续章节，对一些基本概念比较模糊时可以方便查阅。第2章～第7章是案例部分，所涉及的均为EMC典型案例。案例描述都采用同样的格式，即包含“现象描述”“原因分析”“处理措施”“思考与启示”四部分。试图通过每个案例的分析，向设计人员介绍有关EMC的实用设计与诊断技术，减少在产品设计与EMC问题诊断中存在的误区，使产品具有良好的EMC性能。同时，通过案例说明EMC设计原理，为的是让读者更好地理解设计的由来。“思考与启示”部分实际上是问题的总结与相关问题的注意事项，也可以作为产品设计的EMC检查列表。案例分为下述6大类。
●产品的结构构架、屏蔽、接地与EMC：对于大部分设备而言，屏蔽都是必要的。特别是随着电路工作频率的日益提高，单纯依靠线路板设计往往不能满足EMC标准的要求。合理的屏蔽能大大加强产品的EMC性能，但是不合理的屏蔽设计不但不能起到预期的效果，相反可能引入一些额外的EMC问题。另外，接地不单有助于解决安全问题，同样对EMC也相当重要，许多EMC问题是由不合理的接地设计引起的。因为地线电位是整个电路工作的基准电位，如果地线设计不当，则地线电位就不稳，就会导致电路故障，也有可能产生额外的EMI问题。接地设计的目的是要保证地线电位尽量稳定，降低地压降，从而消除干扰现象。
●产品中的电缆、连接器、接口电路与EMC：电缆总是引起辐射或引入干扰的最主要通道，因为长度原因，电缆不单是“发射天线”，同时也是良好的“接收天线”。与电缆有最直接关系的就是连接器与接口电路。良好的接口电路设计不但可以使内部电路的噪声得到很好的抑制，使“发射天线”无驱动源，同样也可以滤除电缆从外界接收到的干扰信号。正确的连接器设计又给电缆与接口电路提供了一个很好的配合通道。
●通过滤波与抑制提高产品EMC性能：对于任何设备而言，滤波与抑制都是解决电磁干扰的关键技术之一。因为设备中的导线是效率很高的接收和辐射天线，因此设备产生的大部分辐射发射都是通过各种导线实现的，而外界干扰往往也是首先被导线接收到，然后串入设备的。滤波与抑制的目的就是消除导线上的这些干扰信号，防止电路中的干扰信号传到导线上，借助导线辐射，也防止导线接收到的干扰信号传入电路。
●旁路和去耦：当器件工作时，时钟和数据信号脚上的信号电平按规律发生变化，此时，去耦将提供给元件在时钟和数据变化期间正常工作的足够动态电压和电流。去耦是通过在信号线和电源平面间加一个低阻抗的电源来实现的。在频率升高到自谐振点之前，随着频率的提高，去耦电容的阻抗会越来越低。这样，高频噪声会有效地从信号线上泄放，余下的低频射频能量就没有什么影响了。最佳的实现效果可通过储能、旁路、去耦电容来达到。这些电容的值可通过特定的公式计算得到。另外，必须正确适当地选择电容的绝缘材料，而不是根据过去的用法和经验来随意选择。
●PCB设计与EMC：无论设备产生电磁干扰发射还是受到外界干扰的影响，或者电路之间产生相互干扰，PCB都是问题的核心，无论是PCB中的器件布局，还是PCB中的线路布线，都会对产品整体的EMC性能产生本质的影响。例如，接口连接器的仿真位置将影响共模电流流经的方向，布线的路径将影响电路环路的大小。这些都是EMC的关键，因此设计好PCB对于保证设备的EMC性能具有重要的意义。PCB设计的目的就是减小PCB上电路产生的电磁辐射和对外界干扰的敏感性，减小PCB上电路之间的相互影响。
●器件、软件与频率抖动技术：电路由器件构成，但是器件的EMC性能往往被忽略掉，其实器件的封装、上升沿、管退分布及器件本身的抗ESD能力都对器件所应用产品的EMC性能产生很大的影响。软件虽然不是输入EMC学科范畴，但是在有些情况下，利用软件提供的容错技术可以避开产品对外界干扰的影响。频率抖动技术是近年来流行的一种降低电路传导骚扰和辐射骚扰的技术，但是该技术也不是万无一失的。
本书中的案例将详细说明频率抖动技术的实质及注意事项。
EMC设计规则犹如交通法规，虽然不遵守交通法规不一定会出交通事故，但是风险必然变大。EMC设计也是一样，有些规则不遵守或许也能在测试中过关，但是不遵守规则测试不过关的风险必然加大，所以在产品设计中有必要引入风险意识，EMC设计的目的是最大限度地降低EMC测试风险，只有遵守所有EMC“规则”的产品才是具有最低EMC风险的产品。本书的大部分内容来自于笔者在实际工作中碰到的EMC问题，每个案例都有较详细的理论分析过程，并从中得出参考经验。这些案例是笔者积累的大量EMC案例中的典型，每一个案例的结果都形成了一个或多个EMC设计规则，这是值得借鉴与参考的。由于笔者所从事产品范围的限制，也许不能包含各类电子、电器产品的EMC问题，同时也可能由于笔者知识的不全面性，导致出现一些描述不合理或不精确，甚至错误的地方，还望广大读者指出。
在此我要特别感谢为本书提过宝贵意见及建议的吴勤勤教授、博导，同时还要感谢深圳滨城电子的各位技术专家，及对本书提过宝贵意见的各位同人；另外也要感谢电子工业出版社的牛平月编辑及其同事。
注：鉴于EMC测试系统多为英文板，为方便读者阅读，本书中部分图、表未进行翻译，保持英文原版。郑军奇于2018年第1章EMC基础知识及EMC测试实质1.1什么是EMC
EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容）是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力。它是电子、电气设备或系统的一种重要的技术性能，包括以下三方面的含义。（1）EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰），即处在一定环境中的设备或系统，在正常运行时，不应产生超过相应标准所要求的电磁能量，相对应的测试项目根据产品类型及标准的不同而不同，对于民用、工科医、铁路产品，基本的EMI测试项目如下。
●电源线传导骚扰（CE）测试；
●信号、控制线传导骚扰（CE）测试；
●辐射骚扰（RE）测试；
●谐波电流（Harmonic）测量；
●电压波动和闪烁（Fluctuation and Flicker）测量。
对于军用产品，基本的EMI测试项目如下。
●CE101测试：15Hz～10kHz 电源线传导发射测试；
●CE102测试：10kHz～10 MHz电源线传导发射测试；
●CE106测试：10kHz～40 GHz天线端子传导发射测试；
●CE107测试：电源线尖峰信号（时域）传导发射测试；
●RE101测试：25Hz～100kHz 磁场辐射发射测试；
●RE102测试：10kHz～18 GHz电场辐射发射测试；
●RE103测试：10kHz～40 GHz天线谐波和乱真输出辐射发射测试。
对于汽车及车载电子、电气产品，基本的EMI测试项目如下。
●汽车整车辐射发射测试；
●车载电子、电气零部件/模块的传导骚扰测试；
●车载电子、电气零部件/模块的辐射发射测试；
●车载电子、电气零部件/模块的瞬态发射骚扰测试。
注：本书中，传导骚扰即为传导发射；辐射骚扰即为辐射发射。（2）EMS（Electro Magnetic Susceptibility，电磁抗扰度）：即处在一定环境中的设备或系统，在正常运行时，设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，相对应的测试项目也根据产品类型及标准的不同而不同，对于民用、工科医、铁路产品，基本的EMS测试项目如下。
●静电放电抗扰度（ESD）；
●电快速瞬变脉冲群抗扰度（EFT）；
●浪涌（SURGE）；
●辐射抗扰度（RS）；
●传导抗扰度（CS）；
●电压跌落与中断（DIP）。
对于军用产品，基本的EMS测试项目如下。
●CS101测试：25Hz～50kHz电源线传导敏感度测试；
●CS103测试：15kHz～10 GHz天线端子互调传导敏感度测试；
●CS104测试：25Hz～20 GHz 天线端子无用信号抑制传导敏感度测试；
●CS105测试：25Hz～20 GHz天线端子交调传导敏感度测试；
●CS106测试：电源尖峰信号传导敏感度测试；
●CS109测试：50Hz～100kHz壳体电流传导敏感度；
●CS112测试：静电放电敏感度；
●CS114测试：10kHz～400 MHz壳体电流传导敏感度电缆束注入传导敏感度测试；
●CS115测试：电缆束注入脉冲激励传导敏感度测试；
●CS116测试：10kHz～100 MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度测试；
●RS101测试：25Hz～100kHz磁场辐射敏感度测试；
●RS103测试：10kHz～40 GHz电场辐射敏感度测试；
●RS105测试：瞬变电磁场辐射敏感度测试。
对于汽车及车载电子、电气零部件产品，基本的EMS测试项目如下。
●符合ISO 7637-1/2标准规定的电源线传导耦合/瞬态抗扰度测试；
●符合ISO 7637-3标准规定的传感器电缆与控制电缆传导耦合/瞬态抗扰度测试；
●符合ISO 11452-7（对应国标为GB 17619）标准规定的射频传导抗扰度测试；
●符合ISO 11452-2（对应国标为GB 17619）标准规定的辐射场抗扰度测试；
●符合ISO 11452-3（对应国标为GB 17619）标准规定的横电磁波（TEM）小室的辐射场抗扰度测试；
●符合ISO 11452-4（对应国标为GB 17619）标准规定的大电流注入（BCI）抗扰度测试；
●符合ISO 11452-5（对应国标为GB 17619）标准规定的带状线抗扰度测试；
●符合ISO 11452-6（对应国标为GB 17619）标准规定的三平板抗扰度测试；
●符合ISO 10605标准的静电放电抗扰度测试。（3）电磁环境：系统或设备的工作环境。1.2传导、辐射与瞬态
开空调时，室内的荧光灯会出现瞬间变暗的现象，这是因为大量电流流向空调，电压急速下降，利用同一电源的荧光灯受到影响。还有使用吸尘器时收音机会出现“啪啦，啪啦”的杂音。原因是吸尘器的马达产生的微弱（低强度高频的）电压/电流变化通过电源线传递进入收音机，以杂音的形式表现出来。这种由一个设备中产生的电压/电流通过电源线、信号线传导并影响其他设备时，将这个电压/电流的变化称为“传导干扰”。所以，为对症下药，通常采用的方法是给发生源及被干扰设备的电源线等安装滤波器，阻止传导干扰的传输。另外，当信号线上出现噪声时，将信号线改为光纤，也可隔断传输途径。
当在使用手机时，旁边的计算机显示器图像会出现抖动，这是因为手机工作时的信号通过空间以电磁场的形式传输到显示器内部电路。当摩托车从附近道路通过时，车载收音机出现杂音，这是因为摩托车点火装置的脉冲电流产生了电磁波，传到空间再传给附近的收音机天线、电路上，产生了干扰电压/电流。像这种通过空间传播，并对其他设备电路产生无用电压/电流、造成危害的干扰称为“辐射干扰”。辐射现象的产生必然存在着天线与源。由于传播途径是空间，屏蔽也是解决辐射干扰的有效方法。
如上所述，干扰的根源是电压/电流产生不必要的变化，这种变化通过导线直接传递给其他设备，造成危害，称为“传导干扰”。另外，由于电压/电流变化而产生的电磁波通过空间传播到其他设备中，在电路或导线上产生不必要的电压/电流，并造成危害的干扰称为“辐射干扰”。但是，实际上并不能这样简单区分。
例如，计算机等计算设备的骚扰源，虽然是在设备内部电路上流动的数字信号的电压/电流，但这些干扰以传导干扰的方式通过电源线或信号线泄漏，直接传递给其他设备。同时这些导线产生的电磁波以辐射干扰的形式危及附近的设备。而且计算设备本身内部电路也产生电磁波，以辐射的形式危及其他设备。
辐射干扰现象的产生总是与天线密不可分的，根据天线原理，如果导线的长度与波长相等，则容易产生电磁波。例如，数米长的电源线会产生VHF频带（30～300 MHz）的辐射发射。在比此频率低的频带内，因波长较长，当电源线中流过同样的电流时，不会辐射太强的电磁波。所以在30 MHz以下的低频带主要是传导干扰。但是，伴随着传导干扰会在电源线周围产生干扰磁场，给AM广播等带来干扰。另外，如前所述，由于在VHF宽带内电源线泄漏的干扰能转变成电磁波扩散到空间，因此辐射干扰成为比传导干扰更主要的问题。在比此更高的频率上，比电源线尺寸更小的设备内部电路会产生辐射干扰，危害其他设备。
总而言之，当设备和导线的长度比波长短时，主要问题是传导干扰，当它们的尺寸比波长长时，主要问题是辐射干扰。
环境中还存在着一些短暂的高能脉冲干扰，这些干扰对电子设备的危害很大，一般称这种干扰为瞬态干扰。瞬态干扰既可以通过电缆进入设备，也可以以宽带辐射干扰的形式对设备造成影响。例如，汽车点火系统和直流电动机电刷对收音机的干扰。产生瞬态干扰的原因主要有：雷电、静电放电、电力线上的负载通断（特别是感性负载）、核电磁脉冲等。可见瞬态干扰是指时间很短但幅度较大的电磁干扰。常见的瞬态干扰（设备需要通过测试验证抗扰度）有三种：各类电快速脉冲瞬变（EFT）、各类浪涌（SURGE）、静电放电（ESD）等。1.3理论基础1.3.1 时域与频域
任何信号都可以通过傅里叶变换建立其时域与频域的关系，如下式所示：
式中，x（t）是电信号的时域波形函数；H（f）是该信号的频率函数，2πf=ω,ω是角频率；f是频率。
梯形脉冲函数的频谱如图1.1所示，由主瓣与无数个副瓣组成，每个副瓣虽然也有最大值，但是总的趋势是随着频率的增高而下降，r上升时间为t，宽度为t的梯形脉冲频谱峰值包含有两个转折点，一个r是1/πt，另一个是1/πt。频谱幅度低频端是常数，经第一个转折点以后以-20 dB/10倍频程下降，经第二转折点后以-40 dB/10倍频程下降。所以当进行电路设计时在保证正常功能的情况下，尽可能增加上升时间和下降时间，有助于减小高频噪声。但是由于第一个转折点的存在，使那些即使上升沿很陡、而频率较低的周期信号也不会具有较高电平的高次谐波噪声（注：关于各次谐波的幅度估算，参考书籍《电子产品设计EMC 风险评估》）。
周期信号由于每个取样段的频谱都是一样的，所以它的频谱呈离散形，但在各个频点上呈强度大的特点，通常被称为窄带噪声。而非周期信号，由于其每个取样段的频谱不一样，所以其频谱很宽，而且强度较弱，通常被称为宽带噪声。在一般的系统中，时钟信号为周期信号，而数据线和地址线通常为非周期信号，因此造成系统辐射发射超标的原因通常是时钟信号。时钟噪声与数据噪声频谱如图1.2所示。图1.1 梯形脉冲函数的频谱图1.2 时钟噪声与数据噪声频谱1.3.2 电磁骚扰单位分贝（dB）的概念
电磁骚扰通常用分贝来表示，分贝的原始定义为两个功率的比，如图1.3所示，dB是两个功率值的比较值取对数后再乘以10。
通常用dBm表示功率的单位，dBm即是功率相对于1 mW的值，如图1.4所示。图1.3 分贝的概念图1.4 功率值的分贝12
由功率的分贝值可以推出电压的分贝值（前提条件是：R=R；通常为50 Ω），如图1.5所示。
在EMC领域中，通常用dBμV直接表示电压的大小，dBμV即是电压相对于1 μV的值，如图1.6所示。图1.5 电压分贝的概念图1.6 电压值的分贝
举个例子：对于辐射骚扰通常用电磁场的大小来衡量，其单位是V/m。在EMC领域通常以单位dBμV/m表示。用天线和干扰测试仪器组合在一起测量骚扰场强的大小，干扰测量仪器测到的是天线端口的电压，此电压加上所用天线的天线系数就为被测骚扰的场强。
注：不计电缆衰减。1.3.3 正确理解分贝真正的含义
当设备的电磁骚扰不能满足有关EMC标准规定的限值时，就要对设备产生超标发射的原因进行分析，然后进行排除。在这个过程中，经常发现许多人经过长时间的努力，仍然没有排除故障。造成这种情况的原因是诊断工作陷入了“死循环”。这种情况可以用下面的例子说明。
假设一个系统在测试时出现了传导骚扰超标，使系统不能满足EMC标准CISPR22中对传导骚扰的CLASS B限值，如图1.7所示。经过初步分析，原因可能有4个，它们分别是：（1）“变压器”问题产生的传导骚扰；（2）电源中“开关管”产生的传导骚扰；（3）PCB设计缺陷产生的传导骚扰；（4）辅助设备产生的传导骚扰。
在诊断时，首先将与变压器有关的因素去除，以减小传导骚扰，结果发现测试的结果并没有明显减小。去掉变压器有关因素后的电源端口传导骚扰的组成和水平如图1.8所示。于是认为变压器不是导致传导骚扰超标的主要原因，将变压器的改动撤销。再对电源中的开关管进行处理，去除其对电源端口传导骚扰的不利因素，结果发现频谱仪屏幕上显示的信号（测量结果）还是没有明显减小。去掉开关管有关因素后的电源端口传导骚扰的组成和水平如图1.9所示。结果得出结论，开关管也不是主要导致电源端口传导骚扰超标的主要原因。图1.7 某产品电源端口传导骚扰的组成和水平图1.8 去掉变压器有关因素后的电源端口传导骚扰的组成和水平图1.9 去掉开关管有关因素后的电源端口传导骚扰的组成和水平
于是再对PCB进行检查。改进PCB中原来存在的缺陷，发现测试频谱仪屏幕上显示的信号几乎没有减小。只去掉PCB有关因素后的电源端口传导骚扰的组成和水平如图1.10所示。这样也确认“PCB”不是导致电源端口传导骚扰超标的主要原因，从变化的相对幅度看，似乎可以忽略PCB的因素。图1.10 只去掉PCB有关因素后的电源端口传导骚扰的组成和水平
到此为止还未能解决这个产品的传导骚扰问题，之所以会有这个结果，是因为测试人员忽视了频谱分析仪上显示的信号幅度（测试结果）是以dB为单位显示的。下面看一下为什么会有这种现象。假n如，因变压器问题产生的传导骚扰电平为U；因电源中开关管产生n的传导骚扰电平为0.7U；因PCB设计缺陷产生的传导骚扰电平为0.1 nnU；因辅助设备产生的传导骚扰电平为0.01 U。在这种情况下，同时去掉变压器有关因素和去掉开关管有关因素后，测试结果就会有明显的改善，如图1.11所示。在此基础上再去掉原来认为毫无关系的PCB因素，结果又会有很大的改变。同时去掉变压器、开关管、PCB有关因素后的电源端口传导骚扰的组成和水平如图1.12所示。图1.11 同时去掉变压器有关因素和去掉开关管有关因素后的电源端口传导骚扰的组成和水平n
实际上，虽然PCB贡献值的绝对值只有0.1 U，并且相对于变压nn器、开关管产生的传导骚扰电压U、0.7 U来说，是一个很小的值，n但是它相对于辅助设备产生的传导骚扰电平0.01 U来说，却是一个很大的值，因此，在变压器、开关管因素没有去除的情况下，PCB因素的去除变得微不足道，而在变压器、开关管因素去除的情况下，PCB因素的去除则变得举足轻重了。图1.12 同时去掉变压器、开关管、PCB有关因素后的电源端口传导骚扰的组成和水平
因此，正确的EMI诊断方法是，当对一个可能的骚扰源采取了抑制措施后，即使没有明显的改善，也不要将这个措施去掉，继续对可能的其他骚扰源采取措施。当采取到某个措施时，如果骚扰幅度降低很多，并能通过测试，并不一定说明这个骚扰源是主要的，而仅说明这个骚扰源相对于后几个骚扰源是量级较大的一个，并且可能是最后一个。
在前面的叙述中，假定对某个骚扰源采取措施后，这个产品中所有的骚扰源被100%消除掉。如果这样，那么当最后一个骚扰源被消除掉后，电磁骚扰的减小应为无限大。实际上这是不可能的。在采取任何一个措施时，都不可能将骚扰源100%消除。骚扰源去掉的程度可以是99%或99.9%，甚至99.99%以上，而决不可能是100%，所以当最后一个骚扰源被消除掉后，尽管改善很大，但仍是有限值的。
当设备完全符合有关规定后，如果为了降低产品成本，减少不必要的器件或设计，可以将先前诊断过程中所采取的措施逐个去掉。首先应该考虑去掉的是成本较高的器件或材料，以及在正式产品上难以实现的措施。如果去掉后，产品的辐射发射并没有超标，那么就可以去掉这个措施。然后通过测试，使产品成本降到最低。1.3.4 电场、磁场与天线
1.电场与磁场
电场（E场）产生于两个具有不同电位的导体之间。电场的单位为m/V。电场强度正比于导体之间的电压，反比于两导体间的距离。磁场（H场）产生于载流导体的周围。磁场的单位为m/A。磁场正比于电流，反比于离开导体的距离。当交变电压通过网络导体产生交变电流时，会产生电磁（EM）波，E场和H场互为正交同时传播，如图1.13所示。8
电磁场的传播速度由媒体决定，在自由空间等于光速（3×10m/s）。在靠近辐射源时，电磁场的几何分布和强度由干扰源的特性决定，仅在远处是正交的电磁场。当干扰源的频率较高时，干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小，或者干扰源与被干扰者之间的距离r≫λ/2π 时，干扰信号可以被认为是辐射场即远场，它以平面电磁波的形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号以泄漏和耦合的形式，以绝缘支撑物等（包括空气）为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。当干扰源的频率较低时，干扰信号的波长λ比被干扰对象的结构尺寸长，或者干扰源与干扰对象之间的距离r≪λ/2π，则干扰源可以被认为是近场，它以感应场的形式进入被干扰对象的通路。近场耦合用电路的形式来表达就是电容和电感，电容代表电场耦合关系，电感或互感代表磁场耦合关系。这样辐射干扰信号就可以通过直接传导的方式引入线路、设备或系统。图1.14所示的是辐射场中近场、远场、磁场、电场与波阻抗的关系图。图1.13 产生电磁（EM）波，E场和H场互为正交同时传播图1.14 辐射场中近场、远场、磁场、电场与波阻抗的关系图
对于30 MHz，平面波的转折点为1.5 m；对于300 MHz，平面波的转折点为150mm；对于900 MHz，平面波的转折点为50mm。
2.天线检测信号的方法
天线具有两种转换的功能：转换电磁波为电路可以使用的电压和电流，转换电压和电流为发射到空间的电磁波。信号是通过电磁波传输到空间中的，电磁波由分别用V/m和A/m来度量的电场和磁场构成。依据要检测的场的种类，天线具有特定的结构。如图1.15（a）所示的设计用来拾取电场的天线由金属棒和金属板构成，而如图1.15 （b）所示的用来拾取磁场的天线则由线环构成。有时电子电气产品中的一部分（如电缆、长印制线等）就会因为无意识地具有这样的特性而成为天线。EMC 中一个很重要的任务就是关注并消减这些无意识的天线。当电场（V/m）碰上天线时，它沿长度方向感应一个相对于地的电压值（m·V/m=V）。与天线互连的接收机检测天线与地之间的电压。这种天线模型也可以等效为测量空间中电位的电压表的一条引线，另一条电压表引线是电路的地。图1.15 用来拾取电场和磁场的天线形状
3.天线形状的重要性
一些天线由线环构成。这些天线探测磁场而不是电场，它们是磁场天线。正像流过线圈的电流可以产生穿过线圈的磁场一样，当磁场通过线圈时线圈中也会感应出电流。磁场天线的两端被固定在一个接收电路上，这样可以由环形天线引入的电流来探测磁场。磁场一般垂直于场的传播方向，所以环面应该与波传播方向平行来检测场。辐射电场的天线具有两个互相绝缘的单元。最简单的电场天线是偶极子天线，它的名字非常自然地暗示了它有两个单元。两个导体元作用类似电容器极板，只是电容板间的场是辐射到空间中，而不是被限制在两极板之间。另外，构成磁场天线的线圈类似电感，它的场被辐射到空间而不是禁锢在一个封闭的磁路中。
4.天线的形成及对电磁场的辐射
正如前面提到的，电场天线可以与电容相关联。如图1.16（a）所示为简单的平行板电容器，当电荷堆积在板上时，板间就会产生电场。如果板被展开并置于同一个平面，板之间的电场就会伸展到空间中。相同的情形就发生在如图1.16（b）所示的电场偶极子天线上。天线每部分的电荷在天线两极之间会产生一个进入空间的场，偶极子天线的两臂之间具有一个固有的电容，如图1.16（c）所示。需要有电流来给偶极子臂充电，天线上每部分的电流朝相同的方向流动，这样的电流被称为天线模电流。这个条件很特殊，因为它导致了辐射的产生。当应用到天线两极的信号振荡时，场保持不断换向并将波发送到空间中。
偶极子上的电荷和电流产生的场互相垂直。如图1.17（a）所示，在天线上施加电压，电场E从正电荷方向指向负电荷方向。天线上的充电电流产生磁场H，方向为环绕着金属线并满足右手定则，如图1.17（b）所示。上帝创造了这个规律，当电子沿着金属线移动时，就会产生环绕着金属线的磁力“风”。将右手拇指指向电流的方向，环绕在金属线上的手指方向就是磁场方向。磁场的环绕导致了天线的电感特性。天线因此是一个既具有来自于电荷分布的电容，又具有来自于电流分布的电感特性的电抗性器件。
如图1.17（c）所示，E和H场是互相垂直的。它们以互相连接循环的方式从天线散布到空间中。当天线上的信号振荡时就形成了波。横电磁（TEM）波是在E和H的相互垂直的情况下产生的。天线也可以将一个TEM波通过互易性的原理来转换回电流和电压，天线具有发射和接收的互补性。天线的辐射情况如图1.18所示。天线的电抗部分在天线周围的电场和磁场中储存能量。电抗性的功率在天线的电源和电抗性元件间进行后向和前向的交换。图1.16 电场天线形成原理图1.17 电场天线辐射形成示意图
正如在L-C电路中的电压和电流具有90°的相位差，如果天线的电阻可以忽略，天线的E场（由电压产生）和H场（由电流产生）具有90°的相位差。在一个电路中，只有当负载的阻抗有实的分量，引起电流和电压同相时，实的功率才能释放出来。这个情况也适用于天线。天线具有一些小电阻，所以存在于天线中产生消耗的实的功率成分。为了产生辐射，E场和H场一定是同相的，如图1.17（c）所示。对于起电容和电感作用的天线来说，辐射是如何发生的呢？同相分量是传播延时的结果。来自于天线的波并不是在空间中的所有点同时瞬时形成，而是以光速来传播。在远离天线的距离上，这个延时就导致了同相的E场和H场成分产生。图1.18 辐射的功率流
这样，E场和H场具有不同的分量，包含了场的能量储存（虚部）部分或辐射（实部）部分。虚部部分由天线的电容和电感来决定，并主要存在于近场中。实部部分由称为辐射电阻的东西来决定，它是由于传输延迟产生的，并存在于距离天线很远的远场中。接收天线（如那些在EMC测试中所使用的），可以被放置在距离源很近的位置，这时它们的近场效应的影响就大于远场辐射的影响。在这种情况下，接收天线和发射天线间就通过电容和互感进行耦合，这样接收天线就成了发射部分的负载。
5.反射的重要性
当人看向一面镜子时，会联想到电磁辐射的反射效应。为什么波会从金属表面反射回来呢？这些辐射的反射结果是什么呢？反射的基础是金属表面的场边界条件。电场反射原理图如图1.19所示。在金属的内部，当受电场影响时，电荷会自由移动，当有时变磁场存在时会有电流产生。金属附近的电荷会引起金属表面电荷的迁移。E场的任何切向分量都会引起电荷的移动，直至 E 场的切向分量为零。影响的结果是位于金属表面之下的等效镜像或虚电荷，如图1.19（c）所示。镜像不是真实的，而是对实际结果有等价效果的电荷的表征。时变磁场会在理想导体中感应一个电流。电流会抵抗磁场，以使没有法向分量可以穿透金属表面。这样如图1.19（c）所示的电流镜像就使得H场的法向分量在金属表面消失。镜像效应非常重要，因为天线经常在导电表面附近，如地球、汽车或飞机的金属板，电路板地平面，产品的金属外壳，EMC 测试时的参考接地板等。辐射到空间的场是来源于天线和镜像的场的总和。如果考察偶极子的E场，是很容易看到这种效应的。图1.20（a）中显示一个平行于导体的偶极子和它的镜像。当偶极子垂直于地平面时，具有反向电荷的偶极子镜像存在于它的下面，如图1.20 （b）所示。在这两个例子中，空间中一些点的场来自于偶极子和它的镜像场的总和。当场从偶极子辐射到金属体上时，如图1.20（c）所示，反射就可以解释为从镜像传出的波。图1.19 电场反射原理图图1.20 偶极子天线镜像原理
由此原理，如图1.21所示的单极天线也可以等效成偶极子天线，具有一半偶极子天线长度的单极天线由于地平面镜像的作用，使其具有偶极子天线的等效长度，即偶极子天线的长度为单极天线长度的2倍。图1.21 单极天线和偶极子天线辐射模型
6.天线阻抗与频率的关系
天线阻抗是频率的函数。天线上电流和电荷的分布是随着频率的变化而变化的。偶极子上的电流一般是一个由频率确定的关于天线位置的正弦函数。由于信号的波长依赖于频率，在某个频率上天线的长度等于一个波长的几分之几。偶极子上的电流对于不同的频率分别为1/2和1倍的波长，如图1.22（a）和图1.22（b）所示。对于1/2波长的情况（单极天线为1/4波长），激励源上的电流是最大的，因此在这个频率上天线的输入阻抗是最小的，等于天线的电阻值（实际电阻+辐射电阻）。当天线的长度为一个波长时，源的电流为零，因此，输入阻抗为无限大。阻抗与频率的关系如图1.22（c）所示。图1.22 天线阻抗与频率特性
7.天线辐射的方向
从一个天线上辐射出的功率图，不会在所有方向上都是均匀的。天线的增益用在给定方向上的辐射功率与在所有方向上均匀的辐射时的功率密度（分布在一个球体的表面）的比值来表征。对于一个偶极子天线，大部分功率在垂直于天线轴线方向辐射，如图1.17所示。天线的方向性是在最大功率方向的增益，这个方向垂直于偶极子的轴向。增益用dBi=10·log（增益）来度量。天线的三维和二维方向图也称为功率方向图、功率图或功率分布。它可视化地描述了天线在一个特定的频率范围内如何接收或发射，它通常是对远场的情况绘制。天线的辐射方向图主要受天线几何尺寸的影响，也受周围地形或其他天线的影响。有时在天线阵列中就使用多个天线来改变方向性。如图1.23所示，两个使用相同馈源的天线，如果间隔为1/2波长，就可以消除天线平面上的场。图1.23 半波偶极子阵列的侧视图1.3.5 RLC电路的谐振
1.RLC电路的串联谐振
RLC串联谐振电路如图1.24所示。图1.24 RLC串联谐振电路
其交流电压U与交流电流I（均为有效值）的关系可由交流欧姆定律表示为
电压与电流间的位相差为L
式（1.2）中，称为交流电路的阻抗，X=ωL称为感抗，称为容抗。角频率ω=2πf, f为交流电的频率。由式（1.2）、式（1.3）可见，I和φ都是角频率ω（或f）的函数，两式分别反映出电路的幅频关系和相频关系。只从式（1.2）出发，研究当电压U保持不变，且R、L、C 固定时，电流I随频率f 而变化的情况。以I为纵坐标，f为横坐标，做I-f图，如图1.25所示。从图中可见，当0电源频率为f时，电流I 有一个极大值，即阻抗Z有一个极小值。RLC0串联电路的这种状态，称为串联谐振，f称为谐振频率。由于谐振时，故图1.25 RLC串联电路中的电流I随频率f变化的情况
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