磁场的屏蔽问题

1、磁场的屏蔽问题，是一个既具有实际意义又具有理论意义的问题。根据条件的不同，电磁场的屏蔽可分为 静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽三种情况，这三种情况既具有质的区别，又具有内在的联系，不能混淆。 静电屏蔽在静电平衡状态下， 不论是空心导体还是实心导体； 不论导体本身带电多少， 或者导体是否处于外电场中， 必定为等势体，其内部场强为零，这是静电屏蔽的理论基础。因为封闭导体壳内的电场具有典型意义和实际意义，我们以封闭导体壳内的电场为例对静电屏蔽作一些讨论。（一）封闭导体壳内部电场不受壳外电荷或电场影响。如壳内无带电体而壳外有电荷 q，则静电感应使壳外壁带电（如图1）。静电平衡时壳内无电场。这不是说壳外电荷

2、不在壳内产生电场，根发电场。由于壳外壁感应出异号电荷，它们与 q 在壳内空间任一点激发的合场强为零。因而导体壳内部不 会受到壳外电荷 q 或其他电场的影响。壳外壁的感应电荷起了自动调节作用。如果把上述空腔导体外壳接地（图 2），则外壳上感应正电荷将沿接地线流入地下。静电平衡后空腔导体与 大地等势，空腔内场强仍然为零。如果空腔内有电荷，则空腔导体仍与地等势，导体内无电场。这时因空腔内壁有异号感应电荷，因此空腔 内有电场（图 3）。此电场由壳内电荷产生，壳外电荷对壳内电场仍无影响。由以上讨论可知，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷影响。（二）接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响。如果

3、壳内空腔有电荷 q，因为静电感应，壳内壁带有等量异号电荷，壳外壁带有等量同号电荷，壳外空间 有电场存在（图4），此电场可以说是由壳内电荷 q间接产生。也可以说是由壳外感应电荷直接产生的但如果将外壳接地，则壳外电荷将消失，壳内电荷 q 与内壁感应电荷在壳外产生电场为零（图5）。可见如果要使壳内电荷对壳外电场无影响，必须将外壳接地。这与第一种情况不同。这里还须注意：我们说接地将消除壳外电荷，但并不是说在任何情况壳外壁都一定不带电。假如壳外有 带电体，则壳外壁仍可能带电，而不论壳内是否有电荷（图 6）。 实际应用中金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果，虽然 这种

4、屏蔽并不是完全、彻底的。 在静电平衡时，接地线中是无电荷流动的，但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化，或者是壳外附近 带电体的电荷随时间而变化，就会使接地线中有电流。屏蔽罩也可能出现剩余电荷，这时屏蔽作用又将是 不完全和不彻底的。总之，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷与电场影响；接地封闭导体壳外电场不受壳内电 荷的影响。这种现象，叫静电屏蔽。静电屏蔽有两方面的意义，其一是实际意义：屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响， 也不对外部电场产生影响。有些电子器件或测量设备为了免除干扰，都要实行静电屏蔽，如室内高压设备 罩上接地的金属罩或较密的金属网罩，电子管用金属管壳。又如

5、作全波整流或桥式整流的电源变压器，在 初级绕组和次级绕组之间包上金属薄片或绕上一层漆包线并使之接地，达到屏蔽作用。 在高压带电作业中， 工人穿上用金属丝或导电纤维织成的均压服，可以对人体起屏蔽保护作用。在静电实验中，因地球附近存在着大约 100V m 的竖直电场。 要排除这个电场对电子的作用，研究电子只在重力作用下的运动，则必须有eE < meg,可算出E < 10-10V /m,这是一个几乎没有静电场的静电真空”，这只有对抽成真空的空腔进行静电屏蔽才能实现。事实上，由一个封闭导体空腔实现的静电屏蔽是非常有效的。其二是理论意义：间接验证库仑定律。高斯定理可以从库仑定律推导出来的,如

6、果库仑定律中的平方反比 指数不等于 2 就得不出高斯定理。反之,如果证明了高斯定理,就证明库仑定律的正确性。根据高斯定理, 绝缘金属球壳内部的场强应为零,这也是静电屏蔽的结论。若用仪器对屏蔽壳内带电与否进行检测,根据 测量结果进行分析就可判定高斯定理的正确性,也就验证了库仑定律的正确性。最近的实验结果是威廉斯 等人于 1971 年完成的,指出在式F=q1q2/r2 土审，<（2.7 ±.1） X10-16,可见在现阶段所能达到的实验精度内,库仑定律的平方反比关系是严格成立的。从实际应用的观点看,我 们可以认为它是正确的。静磁屏蔽静磁场是稳恒电流或永久磁体产生的磁场。静磁屏蔽是利

7、用高磁导率卩的铁磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁场。它与静电屏蔽作用类似而又有不同。静磁屏蔽的原理可以用磁路的概念来说明。如将铁磁材料做成截面如图7 的回路，则在外磁场中，绝大部份磁场集中在铁磁回路中。这可以把铁磁材料与空腔中的空气作为并联磁路来分析。因为铁磁材料的磁导 率比空气的磁导率要大几千倍，所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，外磁场的磁感应线的绝大部份 将沿着铁磁材料壁内通过， 而进入空腔的磁通量极少。 这样，被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场， 从而达到静磁屏蔽的目的。材料的磁导率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。因常用磁导率高的铁磁材 料如软铁、硅钢、坡莫合金做屏蔽层，故静磁屏蔽又

8、叫铁磁屏蔽。静磁屏蔽在电子器件中有着广泛的应用。例如变压器或其他线圈产生的漏磁通会对电子的运动产生作用， 影响示波管或显像管中电子束的聚焦。为了提高仪器或产品的质量，必须将产生漏磁通的部件实行静磁屏 蔽。在手表中，在机芯外罩以软铁薄壳就可以起防磁作用。前面指出，静电屏蔽的效果是非常好的。这是因为金属导体的电导率要比空气的电导率大十几个数量级， 而铁磁物质与空气的磁导率的差别只有几个数量级，通常约大几千倍。所以静磁屏蔽总有些漏磁。为了达 到更好的屏蔽效果，可采用多层屏蔽，把漏进空腔里的残余磁通量一次次地屏蔽掉。所以效果良好的磁屏 蔽一般都比较笨重。但是，如果要制造绝对的 “静磁真空 ”，则可以利

9、用超导体的迈斯纳效应。即将一块超 导体放在外磁场中， 其体内的磁感应强度 B 永远为零。 超导体是完全抗磁体， 具有最理想的静磁屏蔽效果， 但目前还不能普遍应用。电磁屏蔽电磁场在导电介质中传播时，其场量（E和H）的振幅随距离的增加而按指数规律衰减。从能量的观点看，电磁波在导电介质中传播时有能量损耗，因此，表现为场量振幅的减小。导体表面的场量最大，愈深入导 体内部，场量愈小。这种现象也称为趋肤效应。利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而作成电磁 屏蔽装置。它比静电、静磁屏蔽更具有普遍意义。电磁屏蔽是抑制干扰，增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段。合理地使用电磁屏蔽，可以抑制外 来高频电磁

10、波的干扰， 也可以避免作为干扰源去影响其他设备。 如在收音机中， 用空芯铝壳罩在线圈外面， 使它不受外界时变场的干扰从而避免杂音。音频馈线用屏蔽线也是这个道理。示波管用铁皮包着，也是为 了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描。在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金 属壳而不致影响外部设备。用什么材料作电磁屏蔽呢？因电磁波在良导体中衰减很快，把由导体表面衰减到表面值的1/e （约36.8%）处的厚度称为趋肤厚度（又称透入深度） ，用 d 表示，有电磁屏蔽 电磁场在导电介质中传播时，其场量（ E 和 H ）的振幅随距离的增加而按指数规律衰减。从能量的观点看， 电磁波在导电介质中传播时

11、有能量损耗，因此，表现为场量振幅的减小。导体表面的场量最大，愈深入导 体内部，场量愈小。这种现象也称为趋肤效应。利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而作成电磁 屏蔽装置。它比静电、静磁屏蔽更具有普遍意义。电磁屏蔽是抑制干扰，增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段。合理地使用电磁屏蔽，可以抑制外 来高频电磁波的干扰， 也可以避免作为干扰源去影响其他设备。 如在收音机中， 用空芯铝壳罩在线圈外面， 使它不受外界时变场的干扰从而避免杂音。音频馈线用屏蔽线也是这个道理。示波管用铁皮包着，也是为 了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描。在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金 属壳而不

12、致影响外部设备。用什么材料作电磁屏蔽呢？因电磁波在良导体中衰减很快，把由导体表面衰减到表面值的1/e （约36.8%）处的厚度称为趋肤厚度（又称透入深度） ，用 d 表示，有其中卩和Z分别为屏蔽材料的磁导率和电导率。若电视频率f=100 MHz,对铜导体（Z=5.8 X107 m , g-go=4nX 1-7H/m）可求出d=0 . 00667mm。可见良导体的电磁屏蔽效果显著。如果是铁（Z= 107/ 口）_则d=0.016mm。如果是铝（Z= 3.54 X07/ m）贝从 d =0.0085mm。为了得到有效的屏蔽作用， 屏蔽层的厚度必须接近于屏蔽物质内部的电磁波波长（入=2n）如在收音机

13、中，若f = 500kHz，则在铜中d =0.094mm （入=0.59mn）。在铝中d= 0.12mm （入=0.75mm ）。所以在收音机中用 较薄的铜或铝材料已能得到良好的屏蔽效果。因为电视频率更高，透入深度更小些，所需屏蔽层厚度可更 薄些，如果考虑机械强度，要有必要的厚度。在高频时，由于铁磁材料的磁滞损耗和涡流损失较大，从而 造成谐振电路品质因素 Q 值的下降， 故一般不采用高磁导率的磁屏蔽， 而采用高电导率的材料做电磁屏蔽。 在电磁材料中，因趋肤电流是涡电流，故电磁屏蔽又叫涡流屏蔽。在工频（50Hz）时，铜中的d= 9.45mm,铝中的d= 11.67mm。显然，采用铜、铝已很不适宜

14、了，如用铁， 则d = 0.172mm，这时应采用铁磁材料。因为在铁磁材料中电磁场衰减比铜、铝中大得多。又因是低频，无 需考虑 Q 值问题。可见，在低频情况下，电磁屏蔽就转化为静磁屏蔽。电磁屏蔽和静电屏蔽有相同点也有不同点。相同点是都应用高电导率的金属材料来制作；不同点是静电屏 蔽只能消除电容耦合，防止静电感应，屏蔽必须接地。而电磁屏蔽是使电磁场只能透入屏蔽体一薄层，借 涡流消除电磁场的干扰，这种屏蔽体可不接地。但因用作电磁屏蔽的导体增加了静电耦合，因此即使只进 行电磁屏蔽，也还是接地为好，这样电磁屏蔽也同时起静电屏蔽作用。综上所述，静电屏蔽、静磁屏蔽、电磁屏蔽的物理内容、物理条件、屏蔽作用是

15、不同的，所用材料也要从 具体情况出发。但它们都是屏蔽电磁场，是有本质联系的。软磁材料基本概念 所谓软磁材料，特指那些矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料。所谓的软，指这些材料容易磁化，在磁 性上表现 “软”。软磁材料的用途非常广泛。因为它们容易磁化和退磁，而且具有很高的导磁率，可以起到 很好的聚集磁力线的作用，所以软磁材料被广泛用来作为磁力线的通路，即用作导磁材料，例如变压器、 传感器的铁芯，磁屏蔽罩，特殊磁路的轭铁等。这里，介绍几种常用的软磁材料和用它们做成的常见元器件。常用软磁材料：硅钢片：硅钢是含硅量在 3%左右、其它主要是铁的硅铁合金。硅钢片大量用于中低频变压器和电机铁芯，尤其是 工频变

16、压器。 硅钢的特点是具有常用软磁材料中最高的饱和磁感应强度（2.0T 以上），因此作为变压器铁芯使用时可以在很高的工作点工作（如工作磁感值1.5T）。但是，硅钢在常用的软磁材料中铁损也是最大的，为了防止铁芯因损耗太大而发热，它的使用频率不高，一般只能工作在20KHz 以下。硅钢通常是薄片状的，这是为了在制造变压器铁芯时减小铁芯的涡流损失。目前硅钢片主要分热轧和冷轧两大类。所谓热轧硅钢，是把硅钢板坯在 850 度以上加热后轧制，然后再进行退火。由于轧制温度高，所轧制出来 的硅钢片都是各向同性的，也就是说硅钢片的磁性在各个方向上相同。这种各向同性的硅钢也叫做无取向 硅钢。无取向硅钢大量应用在电机中

17、的定子或者转子。因为要制造电机定子和转子，就要在大的硅钢片上 冲压出圆形的零件。这时总是希望硅钢片沿圆周方向磁性一致，所以要用无取向硅钢。为了获得更好的磁性能，后来人们发明了冷轧硅钢片，即在较低温度下轧制，再退火。冷轧取向硅钢片是 其中的代表。冷轧取向硅钢片首先对板坯进行冷轧，使得材料内部产生很多结构缺陷。在随后的退火过程 中，材料发生结构上的变化（称为再结晶） ，这种变化会使硅钢片在某个方向上磁性能非常好，也就是说磁 性能和方向有关，因此被称为取向硅钢。在最终使用时，让铁芯中的磁力线沿磁性能最好的方向通过，这 样便可以最大限度地发挥硅钢片的磁性能潜力。例如，在变压器中，铁芯材料的磁力线是沿一

18、个方向通过 的，如果把硅钢片适当裁剪，然后卷绕成铁芯，使得铁芯周长方向恰好是硅钢片磁性能最好的方向，那么 铁芯的导磁率就会很高，容易磁化，能量损耗小，最终提高了变压器效率。我国对硅钢片的编号是：热轧硅钢片D （如D31指含硅3.1%的热轧硅钢）；冷轧硅钢片DT;高磁感取向硅钢片Q和QG。这些材料的磁性能可以从相关的书籍和手册中得到。坡莫合金：坡莫合金指铁镍合金，其含镍量的范围很广，在35%90%之间。坡莫合金的最大特点是具有很高的弱磁场导磁率。它们的饱和磁感应强度一般在0.6-1.0T之间。最简单的坡莫合金是铁镍两种元素组成的合金，通过适当的轧制和热处理，它们能够具备高导磁率，同时 也可以合理

19、搭配铁和镍的含量，获得比较高的饱和磁感应强度。但是，这种坡莫合金的电阻率低，力学性 能不好，所以实际应用并不很多。目前大量应用的坡莫合金是在铁镍的基础上添加一些其它元素，例如钼、铜等。添加这些元素的目的是增 加材料的电阻率，以减小做成铁芯后的涡流损失。同时，添加元素也可以提高材料的硬度，这尤其有利于 作为磁头等有磨损的应用。坡莫合金的生产过程比较复杂。例如，板材轧制的工艺、退火温度、时间、退火后的冷却快慢等都对材料 最终的磁性能有很大影响。我国的坡莫合金牌号是1JXX。其中，J表示 精密合金” “1表示软磁，后面的数字为序号，通常表示合金 中的含镍量。例如 1J50、1J851 等。坡莫合金具

20、有高的导磁率，所以常常用在中高频变压器的铁芯或者对 灵敏度有严格要求的器件中，例如高频（数十KHz ）开关电源变压器、精密互感器、漏电开关互感器、磁屏蔽、磁轭等。软磁铁氧体：铁氧体是一系列含有氧化铁的复合氧化物材料 （或者称为陶瓷材料） 。铁氧体的特点是饱和磁感应强度很低（0.5T 以下），但导磁率比较高， 而且电阻率很高 （这时因为铁氧体是由很小的颗粒压制成的， 颗粒之间的 接触不好，所以导电不佳） ，因此非常有利于降低涡流损耗。正因为如此，铁氧体能够在很高的频率下（可 以达到兆 Hz 甚至更高）使用，而它的饱和磁感应强度低，因此不适合在低频下使用。铁氧体最广泛的用 途是高频变压器铁芯和各种

21、电感铁芯。常用软磁元器件： 变压器：所谓变压器，就是利用电磁感应实现交流电压变换的器件。变压器的原理已经在“电磁感应 ”中说明。因为变压器的铁芯处于不断变化的电磁场中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强度也是不断改变的。这 就自然要求铁芯材料对这种变化的阻力小，变化足够灵敏。所以，几乎对所有的变压器铁芯，都要求导磁 率高。同时，交变的电磁场必然会在铁芯中产生能量损耗（例如涡流） ，所有还要求材料的铁损低，以降低 铁芯的温升，提高变压器效率。变压器的形式和品种繁多。在不同的场合，变压器的工作方式大不相同，所以对变压器铁芯的具体要求也 存在很大差别。低频变压器：工作频率较低（例如低于1KHz）一般地，工

22、作点较低时电流和电压都是正弦波。由于频率低， 铁芯损耗不大，所以铁芯的工作磁感可以设计得比较高。因此这时需要高饱和磁感的软磁材料作铁芯，例 如硅钢。硅钢片作为配电变压器铁芯时，工作磁感可以达到 1.4T 以上。铁基非晶合金作为变压器铁芯时， 工作点可以达到1.3T。为了提高变压器效率，要求铁芯材料的铁损低，同时要求材料导磁率高，以减小初 级线圈的激磁电流，降低因线圈电阻带来的损耗（称为铜损） 。高频变压器：随着技术的进步，高频电源已经大量应用。之所以发展高频电源，是因为传统的工频电源效 率不高。从电磁感应原理不难推出，变压器铁芯所能够传输的功率与磁通变化的频率成正比。因此，如果 提高变压器的工

23、作频率，那么变压器铁芯的体积便可以大幅度缩小，重量减轻，并且提高电源的效率，降 低各种损耗。所以，自从七十年代以来，高频电源的发展非常迅猛。但另一方面，工作频率的提高会导致 变压器铁芯铁损的急剧增大。要解决这个问题，一是降低铁芯的工作磁感，二是采用更好的软磁材料。通 常，高频变压器铁芯不能再使用硅钢片，而是要用损耗更小的铁镍合金（坡莫合金） 、铁氧体或者非晶合金 滤波电感、扼流圈及电抗器：在稳压电源和开关电源中，为了消除晶体管整流产生的巨大纹波、得到平滑的直流输出而使用的器件。我 们知道，电感就是一个通交流电的螺线管线圈（可以含有铁芯） 。由于线圈在通电的瞬间会产生感应电压， 而该感应电压的反

24、向是反抗所通电流形成的磁通，因此电感器件对变化的电流存在一种阻碍作用，使其不 能通过，这称为感抗。所通信号变化越快，感抗就越大，因此电感器件的特点是信号的频率越高，器件对 该信号的阻碍就越强。如果对电感通上一个直流信号，那么器件对信号没有阻碍。电感器件对交流电的阻 碍作用使用在电源上，安装在整流后的电路中，可以挡住交流信号，而让直流信号通过，仿佛是把交流信 号过滤掉了。所以，电感（或者电感和其它元器件的组合）又称为滤波器。因为电感铁芯工作在交直流叠加状态， 所以铁芯不但要承受交流信号的磁化， 而且还有直流电流的磁化 （称 为偏磁）。这时，铁芯既要有较高的导磁率，用来产生电感量，以阻止交流信号的

25、通过，又要防止因直流信 号的偏磁导致铁芯被磁化到饱和。为了做到这一点，经常采用的手段是把铁芯切口，这样可以使铁芯在较 大直流电流磁化时不饱和。另外就是采用粉末做的铁芯。粉末铁芯一般是用软磁材料的粉末和粘接剂、绝 缘剂压制成的。由于粉末颗粒之间被粘接剂和绝缘剂隔离开来，铁芯虽然被压制成了一个整体，但实际上 磁路是断开的，就好象在铁芯的磁路上开了许多小小的切口，这样也就防止了铁芯被磁化饱和。一关于 CAD 辅助设计软件与网络分析仪对于高频电路设计， 当前已经有了很好的 CAD 类软件， 其强大的功能足以克服人们在设计经验方面的不 足及繁琐的参数检索与计算，再配合功能强大的网络分析仪，按理应该是稍具

26、经验者便能完成质量较好的 射频部件。但是，实际中却不是这回事。CAD 设计软件依靠的是强大的库函数， 包含了世界上绝大部分无线电器件生产商提供的元器件参数与基 本性能指标。不少射频工程师错误地认为：只要利用该工具软件进行设计，就不会有多大问题。但实际结 果却总是与愿望相反，原因是他们在错误认识下放弃高频电路设计基本概念的灵活应用及基本设计原则的 应用经验积累， 结果在软件工具的应用中常犯下基本应用错误。 射频电路设计 CAD 软件属于透明可视化软 件，利用其各类高频基本组态模型库来完成对实际电路工作状态的模拟。至此，我们已经可以明白其中的 关键环节棗高频基本组态模型有两类，一类属于集中参数形态

27、之元器件模型，另一类属于常规设计中的局 部功能模型。于是存在如下方面问题：（1 ）元器件模型与 CAD 软件长期互动发展，日趋完善，实际中可以基本相信模型的* 真度。但元器件模型所考虑的应用环境（尤其是元器件应用的电环境）均为典型值。多数情况下，必须利用经验确定系列应 用参数，否则其实际结果有时甚至比不借助 CAD 软件的设计结果相差更远。（2）CAD 软件中建立的常规高频基本组态模型，通常限于目前应用条件下可预知的方面，而且只能局 限于基本功能模型（否则产品研发无须用人，仅靠 CAD 一手包办而诞生各类产品） 。3）特别值得注意的是：典型功能模型的建立，是以典型方式应用元器件并以典型完善的工

28、艺方式构造 （包括 PCB 构造）下完成的，其性能也达到 “典型 ”的较高水平。但在实际中，就是完全模仿，也与模型状 态相差甚远。原因是：尽管选用的元器件及其参数一致，但它们的组合电环境却无法一致。在低频电路或 数字电路中，这种相差毫厘的情况妨碍不大，但在射频电路中，往往发生致命的错误。（ 4）在利用 CAD 软件进行设计中，软件的容错设计并不理睬是否发生与实际情况相违背的错误参数设 置，于是，按照其软件运行路径给出一理想的结果，实际中却是问题百出的结果。可以知道其关键错误环 节在于没有利用射频电路设计的基本原则去正确应用 CAD 软件。（ 5）CAD 软件仅仅属于设计辅助工具，利用其具备的实

29、时模拟功能、强大的元器件模型库及其函数生 成功能、典型应用模型库等等方面来简化人们的繁琐设计与计算工作，到目前为为止，尚远远无法在具体 设计方面代替人工智能。CAD 软件在射频 PCB 辅助设计中所体现的强大功能是该软件大受欢迎的一个重要方面。但实际中，许多 射频工程师会经常 “遭其暗算 ”。导致原因仍然是其对参数设置的容错特性。往往利用其仿真功能得出一理 想的模型（包括各个功能环节） ，一到实际调试中才发现：还不如利用自己的经验来设计。所以， CAD 软件在 PCB 设计中，仍然仅仅有利于拥有基本的射频设计经验与技巧的工程师，帮助他们 从事繁琐的过程设计（非基本原则设计） 。网络分析仪分为标

30、量和矢量两种，是射频电路设计必不可少的仪器。通常的做法是：结合基本的射频电 路设计理念和原则完成电路及 PCB 设计（或利用 CAD 软件完成），按要求完成 PCB 的样品加工并装配样 机，然后利用网络分析仪对各个环节的设计逐个进行网路分析，才有可能使电路达到最佳状态。但如此工 作的代价是以至少 35 版的 PCB 实际制作，而若没有基本的 PCB 设计原则与基础理念，所需要的 PCB 版 本将更多（或者无法完成设计） 。由上述可见：（ 1）在利用网络分析仪对射频电路进行分析过程中，必须具有完备的高频电路PCB 设计理念和原则，必须能通过分析结果而明确知道 PCB 的设计缺陷棗仅此一项就要求相

31、关工程师具备相当的经验。（2）对样机网路环节进行分析过程中，必须依靠熟练的实验经验和技巧来构造局部功能网络。因为很多 时候，通过网络分析仪所发现的电路缺陷，会同时存在多方面的导致因素，于是必须利用构造局部功能网 路来加以分析，彻查导致原因。这种实验性电路构造必须借助清晰的高频电路设计经验与熟练的电路 PCB 构造原则。二本文的针对范畴本文主要针对通讯产品的一个前沿范畴棗微波级高频电路及其 PCB 设计方面的理念及其设计原则。 之所 以选择微波级高频电路之 PCB 设计原则， 是因为该方面原则具有广泛的指导意义且属当前的高科技热门应 用技术。从微波电路 PCB 设计理念过渡到高速无线网络（包括各

32、类接入网）工程，也是一脉相通的，因为 它们基于同一基本原理棗双传输线理论。有经验的射频工程师设计的数字电路或相对较低频率电路 PCB ，一次成功率是非常高的，因为他们的设 计理念是以 “分布 ”参数为核心，而分布参数概念在较低频率电路（包括数字电路中）中的破坏作用，常为 人们所忽略。长期以来，许多同行完成的电子产品（主要针对通讯产品）设计，往往问题重重。一方面固然与电原理 设计（包括冗余设计、可靠性设计等方面）的必要环节缺乏有关，但更重要的，是许多这类问题在人们认 为已经考虑了各项必要环节下而发生的。针对这些问题，他们往往将精力花在对程序、电原理、参数冗余 等方面的核查上，却极少将精力花在对

33、PCB 设计的审核方面，而往往正是由于 PCB 设计缺陷，导致大量 的产品性能问题。PCB 设计原则涉及到许多方方面面，包括各项基本原则、抗干扰、电磁兼容、安全防护，等等。对于这 些方面，特别在高频电路（尤其在微波级高频电路）方面，相关理念的缺乏，往往导致整个研发项目的失 败。许多人还停留在 将电原理用导体连接起来发挥预定作用”基础上，甚至认为“PCE设计属于结构、工艺和提高生产效率等方面的考虑范畴 ”。许多专业射频工程师也没有充分认识到该环节在射频设计中， 应是整 个设计工作的特别重点，而错误地将精力花费在选择高性能的元器件，结果是成本大幅上升，性能的提高 却微乎其微。应特别在此提出的是，数

34、字电路依靠其强的抗干扰、检纠错以及可任意构造各个智能环节来确保电路的 正常功能。一个普通的数字应用电路而高附加地配置各类 “确保正常”的环节，显然属于没有产品概念的举 措。但往往在认为“不值得”的环节，却导致产品的系列问题。原因是这类在产品工程角度看不值得构造可 靠性保证的功能环节，应该建立在数字电路本身的工作机理上，只是在电路设计（包括PCB 设计）中的错误构造，导致电路处于一种不稳定状态。这种不稳定状态的导致，与高频电路的类似问题属于同一概念下 的基本应用。在数字电路中，有三个方面值得认真对待：（1） 数字信号本身属于广谱信号。根据傅里叶函数结果，其包含的高频成份非常丰富，所以数字IC 在

35、 设计中，均充分考虑了数字信号的高频分量。但除了数字 IC 外，各功能环节内部及之间的信号过渡区域， 若任意而为，将会导致系列问题。尤其在数字与模拟和高频电路混合应用的电路场合。（2）数字电路应用中的各类可靠性设计，与电路在实际应用中的可靠性要求及产品工程要求相关，不能 将采用常规设计完全能达到要求的电路附加各类高成本的 “保障”部分。（3）数字电路的工作速率正在以前所未有的发展迈向高频（例如目前的CPU，其主频已经达到1.7GHz棗远远超过微波频段下限）。尽管相关器件的可靠性保障功能也同步配套， 但其建立在器件内部和典型外部 信号特征基础上。三双传输线理论对微波电路设计及其 PCB 布线原则

36、指导意义综述（一）双线理论下的 PCB 概念对于微波级高频电路， PCB 上每根相应带状线都与接地板形成微带线（非对称式） ，对于两层以上的 PCB， 即可形成微带线，又可形成带状线（对称式微带传输线）。各不同微带线（双面PCB ）或带状线（多层PCB） 相互之间，又形成耦合微带线，由此又形成各类复杂的四端口网络，从而构成微波级电路PCB的各种特性规律。可见，微带传输线理论，是微波级高频电路 PCB 的设计基础。对于800MHz以上的RF-PCB设计，天线附近的PCB网路设计，应完全遵循微带理论基础（而不是仅 仅将微带概念用于改善集中参数器件性能的工具） 。频率越高，微带理论的指导意义便越显著

37、。 对于电路的集中参数与分布参数，虽然工作频率越低，分布参数的作用特性越弱，但分布参数却始终 是存在的。是否考虑分布参数对电路特性的影响，并没有明确的分界线。所以，微带概念的建立，对于数 字电路与相对中频电路 PCB 设计，同样是重要的。微带理论的基础与概念和微波级 RF 电路及 PCB 设计概念，实际上是微波双传输线理论的一个应用方 面，对于 RF-PCB 布线，每相邻信号线（包括异面相邻）间均形成遵循双线基础原理的特征（对此，后续 将有明确的阐述） 。 虽然通常的微波 RF 电路均在其一面配置接地板，使得其上的微波信号传输线趋向复杂的四端口网 路，从而直接遵循耦合微带理论，但其基础却仍是双

38、线理论。所以在设计实际中，双线理论所具有的指导 意义更为广泛。 通常而言对于微波电路，微带理论具有定量指导意义，属于双线理论的特定应用，而双线理论具有更 广泛的定性指导意义。 值得一提的是：双线理论给出的所有概念，从表面上看，似乎有些概念与实际设计工作并无联系（尤 其是数字电路及低频电路） ，其实是一种错觉。双线理论可以指导一切电子电路设计中的概念问题， 特别是 PCB 线路设计概念方面的意义更为突出。虽然双线理论是在微波高频电路前提下建立的，但这仅仅因为高频电路中分布参数的影响变得显著，使 得指导意义特别突出。在数字或中低频电路中，分布参数与集中参数元器件相比，达到可以忽略的地步， 双线理论

39、概念变得相应模糊。然而，如何分清高频与低频电路，在设计实际中却是经常容易忽略的方面。通常的数字逻辑或脉冲电路 属于哪一类？最明显的具非线性元器件之低频电路及中低频电路，一旦某些敏感条件改变，很容易体现出 某些高频特征。高档 CPU的主频已经到1.7GHz，远超过微波频率下限，但仍然属于数字电路。正因为这 些不确定性，使的 PCB 设计异常重要。 在许多情况下，电路中的无源元器件，均可等效为特定规格的传输线或微带线，并可用双传输线理论 及其相关参量去描述。总之，可以认为双传输线理论是在综合所有电子电路特征基础上诞生的。因此，从严格意义上说，如果 设计实际中的每一环节， 首先以双传输线理论所体现的

40、概念为原则， 那末相应的 PCB 电路所面临的问题就 会很少（无论该电路是在什么工作条件下应用） 。（二）双传输线与微带线构造简介1微波双线的PCB形式微带线是由微波双线在特定条件下的具体应用。图 1-a. 即为微波双线及其场分布示意图。在微波级工作 频率的PCB基板上，可以构成常规的异面平行双线（图1-b.所示）或变异的异面平行双线（图1-c.所示）。当其中一条状线与另一条状线相比可等效为无穷大时，便构成典型的微带线（如图1-d.所示）。从双传输线到微带，仅边缘特性改变，定性特征基本一致。注：在许多微波专业论述中， 均仅仅描述由常规均匀圆柱形导体构成的双传输线， 对 PCB 电路的双线描 述

41、则以矩形条状线为常规双传输线。2微带线的双线特征图2-a.为常规微波双线的场分布示意图。图2-b.为PCB条状线场分布示意图。图 2-c.为带有有限接地板的微波双线场分布示意（注：图中双线之一和接地板连通） 。图 2-d 为具有相对无穷大接地板之双线场分布 示意（注：图中双线之一和接地板连通） 。图3-a.为典型偶模激励耦合微带线场分布示意。图3-b.为典型奇模激励耦合微带线场分布示意。从图 1 、图 2 、图 3 所示场分布状态看，双线与微带线（包括耦合微带线）特性仅仅为边缘特性的不（一）分布参数概念与双传输线 对于集中参数电路，随着工作频率的提高，电路中的电感量和电容量都将相应减少，如图

42、4 所示的振荡回 路。当电路中电感量小到一定程度，将使线圈等效为直线（图4-b.）;当电容量小到一定程度，将由导线间分布电容所替代（图 4-c.）。由上述定性描述得如下高频电路设计原则：当工作频率较高时，集中参数将转化为分布参数，并起主导作用。这是微波电路的主要形式。 在分布参数 PCB 电路中，沿导线处处分布电感，导线间处处分布电容。 在高频 PCB 电路设计中，注意元器件标称值与实际值的离散性差别是相对于工作频率而定的。 由图可知， PCB 条状双线就是具有分布参数之电路的简单形式，除了可以传输电磁能外，还可作为谐 振回路使用。（二） PCB 条状双线分布参数的等效方式通常将一段双线导线分

43、成许多小段（例如每段长度1cm）,然后将每段双导线所具有的分布电感与电容量 表示为集中参数形式，如图 5所示。图中b线，可以是PCB上与a同面并行之走线或地线，也可以是异面 并行之走线，为便于解释，这里指空气中两并行线。在双线传输分析上，常将介质损耗忽略（即R1v<3 L1, G1v<3 C1），然后等效为图5所示的无耗传输线 形式（即忽略电磁波衰耗）。根据电磁场理论，可知每 1cm的条状双传输线电感量与电容量分别为：L1-（卩 / n ）ln（2D/d）（H）C1n£ /ln（2D/d）（F）式中，卩=线间介质磁导率（H/cm）。当介质为空气时，卩=g 0=4>5

44、E （H/cm） ; £线间介电常数。当介质为空气时，£=£0=8.85 XE; D=双线间距；d=PCB线厚度或宽度（具体定义详见后续说明）。综合上述的设计概念如下： PCB中，可分别近似认为d为铜皮宽度（对电感）或铜皮厚度（对电容），前提是对无接地板的同面双线。对于异面平行双线时， D 为 PCB 厚度， d 为线宽。工作于高频状态两层以上 PCB设计中，不仅要考虑同面走线间的分布参数，也需考虑异面走线间的分布参数，而且更为重要（具接地板的 RF-PCB 电路则属于另外的分析方式棗参见后续） 。（三）电磁波在 PCB 条状双线上的传输特点图 3所示的 PCB

45、条状双线等效电路中，在直流电源接入瞬间，从左到右，电压和电流是以依次向相邻电 容充电，然后向次级电容放电的过程形式传播的，称为电流行波。若将图 6 中电源换为简谐规律的交流源，可以推知，将有一电压行波从左至右传播。沿线电压值与时间 位置均有关。这种电压行波，在工作波长与所考察传输线长度可比拟时，是较为明显的。有电压必有电场，有电流必有磁场，所以沿线电场与磁场是以简谐规律沿传输线传播的。 综上所述，可知道微波级高频电路之 PCB 特征如下：当PCB走线与工作波长可相比拟时， 电压和电流从一端传到另一端的形式已不是电动势作用下的电流 规律，而是以行波形式传播，但不是向周围辐射。 行波的能量形式，体

46、现为电磁波形式，而且在导体引导下沿线传播。工作频率越高，电磁波能量形式 越明显，通常意义下的集中参数器件之处理功能越弱。 必须明确：当频率足够高时， PCB 走线开始脱离经典的欧姆规律，而以 “行波”或电磁波导向条形式体 现其在电路中的功能。（四）行波的传播特性1入射波与反射波对于理想的“无耗传输线”（忽略损耗），在简谐波作用下，可推出 PCB 传输线上瞬时电流波表达式为：i（t , z） = Acos（ - B ZCos（ 3 t+ B z）式中，t=传播时刻；z=传输线上位置（距起端距离）；A、B=与激励信号幅度及终端负载有关的常数（入 射波与反射波幅度）；3=目角；B=目移常数。由瞬时电

47、流波表达式可知，在简谐波激励下， PCB 传输线上电流为两个简谐波电流的代数和。分别对式 中两项作函数图，可知：第一项电流为随时间沿 +Z 方向（由电源到负载）的电流波；第二项为随时间沿 -Z 方向（由负载到电源）传输的电流波。前者称为入射电流波，后者称为反射电流波。即：稳态过程中，PCB传输线上的电流是线上向相反方向传播的两个波叠加之结果。2关系常数简介衰减常数。若考虑 PCB传输线损耗，则 a丸 8=目移常数。其为电磁波沿 PCB传输线传播单位长度的相移，与波长有关系：B =2n。参照图2，又有关系： Y传番常数。考虑PCB传输线损耗时，波的衰减常数a与相移常数B的变量和，即：Y =a +

48、j B Vp=!速，行波等相位点的传播速度。相速与B 3间存在关系：vp= 3 /。当电磁波传播方向是与 Z方向平行，则有 Vp=Vc（Vc表示光速）。可以推出：在空气介质中则有综上所述，可以推知高频电路及其 PCB 设计原则如下：分布参数电路不仅仅体现在集中参数向分布参数的转化，更重要的是PCB电路的信号处理与传输，都开始部分地遵循电磁波的固有特性。工作频率越高，这种特性越突出。 反射波概念是提高电路输出功率或效率的根本概念，否则将导致与设计不符的一系列问题。 分布参数的考察，涉及电磁波理论中的一些基本物理定义，认真掌握这些物理定义在电路中的体现及 计算方式，是解决设计实际的根本手段之一。

49、微波级高频电路 PCB 带装线的分布参数特性， 可以通过一些关系常数所体现的表达式表征， 并通过这 些常数达到 PCB 设计目的。怎样才能实现电磁兼容？这要从分析形成电磁干扰后果的基本要素出发。由电磁骚扰源发射的电磁能量， 经过耦合途径传输到敏感设备，这个过程称为电磁干扰效应。因此，形成电磁干扰后果必须具备三个基本 要素：1、电磁骚扰 任何形式的自然现象或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其 他设备分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，这种自然现象或电能装置即称为电磁骚扰源。2、耦合途径 耦合途径即传输电磁骚扰的通路或媒介。3、敏感设备（ Victi

50、m） 敏感设备是指当受到电磁骚扰源所发射的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电 磁危害，导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁骚扰源又是敏感设备为了实现电磁兼容，必须从上面三个基本要素出发，运用技术和组织两方面措施。所谓技术措施，就是从 分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有效的技术手段，抑制骚扰源、消除或减弱骚扰的耦合、 降低敏感设备对骚扰的响应或增加电磁敏感性电平;为个对人为骚扰进行限制， 并验证所采用的技术措施的有效性，还必须采取组织措施，制订和遵循一套完整的标准和规范，进行合理的频谱分配，控制与管理频 谱的使用

51、，依据频率、工作时间、天线方向性等规定工作方式，分析电磁环境并选择布置地域，进行电磁 兼容性管理等。电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或系统规定的功能、使系统效能 得以充分发挥的重要保证。必须在设备或系统功能设计的同时，进行电磁兼容设计。电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。其要求是使电子设 备或系统满足 EMC 标准的规定并具有两方面的能力：1.能在预期的电磁环境中正常工作，无性能降低或故障;2.对该电磁环境不是一个污染源。为个实现电磁兼容，必须深入研究以下五个问题：第一，对于电磁骚扰源的研究，包括电磁骚扰源的频域和时域特性

52、，产生的机理以及抑制措施等的研究。 第二，对于电磁骚扰传播特性的研究，即研究电磁骚扰如何由骚扰源传播到敏感设备，包括对传导骚扰和 辐射骚扰的研究。传导骚扰是指沿着导体传输的电磁骚扰，辐射骚扰即由器件、部件、连接线、电缆或天 线，以及设备呀系统辐射的电磁骚扰。第三，对于敏感设备抗干扰能力的研究。这种抗干扰能力常心电磁敏感性或抗扰度表征，电磁敏感性电平 越小，抗扰度越低，抗干扰能力越差。第四，对于测量设备测量方法与数据处理方法的研究。由于电磁骚扰十分复杂，测量与评价需要有许多特 殊要求，例如测量接收机要有多种检波方式，多种测量带宽、大过载系数、严格的中频滤波特性等，还要 求测量场地的传播特性与理论

53、值符合得很好等。如何评价测量结果，也是个重点问题，需要应用概率论、 数理统计等数学工具。第五，对于系统内、系统间电磁兼容性的研究。系统内电磁兼容性是指在给定系统内部的分系统、设备及 部件之间的电磁兼容性，而给定系统与它运行时所处的电磁环境，或与其他系统之间的电磁兼容性即系统 间电磁兼容性，这方面的研究需要广泛的理论知识与的丰富的实践经验。还应当指出，由于电磁兼容是抗电磁骚扰的扩展与延伸，它研究的重点则是设备或系统的非预期效果和非 工作性能，非预期发射和非预期响应，而在分析骚扰的迭加和出现概率时，还需按最不利的情况考虑，即 所谓的 “最不利原则 ”，这些都比研究设备或系统的工作性能复杂得多。总之

54、，电磁兼容学是一门综合性的边缘学科，其核心仍然是电磁波，其理论基础包括数学、电磁场理论、 电路理论、微波理论与技术、天线与电波传播理论、通信理论、材料科学、计算机与控制理论、机械工艺 学、核物理学、生物医学以及法律学、社会学等内容。现在，电磁兼容学已成为国内外瞩目的迅速发展的 学科，预计在 21 世纪，它还将获得更加迅速的发展。0 引言电磁兼容问题已经成为当今电子设计制造中的热点和难点问题。 实际应用中的电磁兼容问题十分复杂， 绝不是依靠理论知识就能够解决的，它更依赖于广大电子工程师的实际经验。为了更好地解决电子产品的 电磁兼容性这一问题，主要要考虑接地、 ）电路与 PCB 板设计、电缆设计、

55、屏蔽设计等问题。本文通过介绍磁珠的基本原理和特性来说明它在开关电源电磁兼容方面的重要性，以求为开关电源产 品设计者在设计新产品时提供更多、更好的选择。1 铁氧体电磁干扰抑制元件铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。 电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料，许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体 材料。这种材料的特点是高频损耗非常大。对于抑制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率,和饱和磁通密度Bs。磁导率卩可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加 而增加。因此，它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串

56、联电路，L和R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率时其机理是完 全不同的。在低频段，阻抗由电感的感抗构成，低频时 R很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大， L起主要 作用， 电磁干扰被反射而受到抑制； 并且这时磁芯的损耗较小， 整个器件是一个低损耗、 高 Q 特性的电感， 这种电感容易造成谐振因此在低频段，有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗 成分减小 但是，这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧

57、体时，电 磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体 抑制元件， 就可以滤除高频干扰。 铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、 电源线上的高频干扰和尖峰干扰， 它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。2 磁珠的原理和特性当电流流过其中心孔中的导线时，便会是磁珠内部产生循环流动的磁道。用于EMI 控制的铁氧体配制时，应当可以把大部分磁通作为材料中的热散掉。这个现象可以由一个电感器和一个电阻器的串联组合来 模拟。如图 2 所示两个元件的数值大小与磁珠的长度成正比，而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响，磁珠长度越长抑 制效果越

58、好。由于信号能量呈磁耦合加到磁珠上，故电感器的电抗与电阻的大小随频率的升高而增大。磁 耦合的效率取决于磁珠材料相对于空气的导磁率。通常组成磁珠的铁氧体材料的损耗可以通过其相对于空 气的导磁率，表示成一个复数量。磁性材料常常用由此比值 表征出损耗角 。用于 EMI 抑制元件要求较大的损耗角，这意味着大部分干 扰都将被耗散而不被反射。目前出现的各种各样的可用铁氧体材料，为设计人员将磁珠用于不同场合提供 了很大的选择余地。3 磁珠的应用3.1 尖峰抑制器开关电源最大的缺点就是容易产生噪声和干扰，这是长期困扰开关电源的一个关键的技术问题。开关 电源的噪声主要是由开关功率管和开关整流二级管快速变化的高压切换和脉冲短路电流所引起。因此采用 有效元件把它们限制到最小程度是抑制噪声的主要方法之一。通常采用非线性饱和电感来抑制反向恢复电 流尖峰，此时铁芯的工作状态是从-Bs到+Bs。根据