1.5　高速信号传输的电磁兼容性概述

电磁兼容性指电子系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他电子系统和设备造成干扰。电磁兼容性包括以下两个方面的要求。

①指电子设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值。设备在正常运行过程中对所在的环境产生电磁干扰的能力被称为电磁干扰性，电磁兼容性要求设备的电磁干扰性必须有一定的限度。

②电子设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度。设备在正常运行过程中具有的抵抗电磁干扰的能力被称为电磁敏感性，电磁兼容性要求设备的电磁敏感性必须有一定的容忍度。

1.5.1　电磁兼容与高速信号传输

（1）电磁兼容

根据电磁兼容性的定义，电磁兼容性对于信号传输的要求如下。

①设备中所有的信号传输都能够抵抗本设备的其他信号传输所产生的电磁干扰，并能够抵抗符合相关标准的外部电磁干扰。

②设备中所有的信号传输都不应该产生能够干扰本设备其他信号传输的电磁干扰，并且设备中所有的信号传输所产生的电磁干扰符合相关电磁兼容标准要求。

电磁屏蔽技术是指采用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施，也指采用金属屏蔽材料将电磁敏感度较高的电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。

（2）信号传输

信号传输（包括高速信号传输和低速信号传输）抵抗电磁干扰的能力除了信号本身抗干扰能力外，还与以下三个因素密切相关：

●设备提供的系统级屏蔽能力；

●传输线屏蔽提供的信号级屏蔽能力；

●信号传输线本身的抵抗干扰能力。

信号传输产生电磁干扰的能力除了信号本身特性外，也与以下三个因素密切相关：

●设备提供的系统级屏蔽能力；

●传输线屏蔽提供的信号级屏蔽能力；

●信号传输线本身的电磁干扰能力。

因此，高速信号传输的电磁兼容性工程化技术包括：系统级电磁屏蔽技术，信号级电磁屏蔽技术，各种信号或供电传输线的电磁屏蔽和干扰特性，以及信号和电源信号的滤波技术。

1.5.2　系统级电磁屏蔽技术

系统级电磁屏蔽，就是把电子系统内部的所有电路作为电磁屏蔽的对象，即把电子设备系统看作一个电磁干扰源，或者看作一个电磁敏感度较高的电路，采用金属屏蔽材料将整个电子设备系统封闭起来，使设备产生的电磁场穿过屏蔽材料后低于允许值，并且使其内部接收到系统外部电磁场的强度低于允许值的一种措施。

电子设备系统是由多个电子设备通过信号电缆连接组成的，系统级电磁屏蔽可以分解为以下三个部分。

（1）机箱屏蔽

机箱屏蔽指对单个电子设备的电磁屏蔽。用金属屏蔽材料作为电子设备的机箱，将电子设备的电路作为一个整体封闭起来。机箱屏蔽需要考虑屏蔽材料、箱体的厚度、箱体的刚度，以及机箱上的接缝、开口等电磁波泄漏源的处理。

机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离有关，通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够改善屏蔽效能的要求。

解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处使用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。

需要通风的机箱可以在通风口使用穿孔金属板，只要孔的直径足够小，就能够达到所要求的屏蔽效能。

（2）电缆屏蔽

电缆屏蔽指对电缆的电磁屏蔽。用金属屏蔽材料作为电缆的屏蔽层或屏蔽套，将每一根电缆封闭起来。电缆屏蔽需要考虑电缆是否需要被屏蔽，其次对于需要屏蔽的电缆，则考虑屏蔽层或屏蔽套的材料和结构形式。

（3）连接器屏蔽

连接器屏蔽指对电缆连接器与设备机箱壳体接触处，以及电缆屏蔽层与电缆连接器结构体接触处的电子屏蔽。

电缆连接器与设备机箱壳体接触处存在缝隙，需要在缝隙处使用电磁密封衬垫，以保持缝隙处的导电连续性。

电缆屏蔽层与电缆连接器结构体不能存在缝隙，因此电缆屏蔽层必须延伸至电缆连接器结构体，并将连接器结构体360°包围，使得电缆连接器结构体和电缆屏蔽层保持导电连续性。

系统级电磁屏蔽工程化设计技术及措施，需要综合考虑产品的可实现性、成本和可制造型，并运用相关工具软件对各种屏蔽措施进行仿真计算，优化设计方案，最终经电磁兼容的各种测试试验和验证。

1.5.3　信号级电磁屏蔽技术

信号级电磁屏蔽，就是把某一个信号传输线作为电磁屏蔽的对象，把信号传输线上的信号看作一个电磁干扰源，或者看作一个电磁敏感度较高的信号，用金属屏蔽材料将整个信号传输线封闭起来，使信号传输时产生的电磁场穿过屏蔽材料后低于允许值，并且使传输线接收到屏蔽外部电磁场的强度低于允许值的一种措施。

信号级电磁屏蔽主要应用于多个信号传输线组成的一束电缆的情况，由于信号传输线之间的距离比较近，某一信号传输产生的电磁干扰可能干扰邻近的信号传输工作，或者某一信号传输的电磁敏感性较高，容易受到外在的电磁干扰，这时，就需要对电磁干扰性较强和电磁敏感性较高的信号传输线采取信号级电磁屏蔽措施。

注意

对信号传输线进行电磁屏蔽，必须将信号路径和信号回路作为一个整体进行屏蔽，如果只屏蔽信号路径或信号回路，则与未屏蔽没有多大区别。

信号级电磁屏蔽就是为需要屏蔽的信号传输选择或设计具有屏蔽性能的信号电缆传输线、PCB传输线和连接器传输线，并运用相关工具软件对屏蔽措施进行仿真计算，优化屏蔽设计方案，最终通过相关测试试验验证。

1.5.4　电缆传输线类型及其屏蔽特性

不同类型的电缆传输线，有不同的电磁干扰性和电磁敏感性，同一个电缆传输线，其电磁干扰性与电磁敏感性是正相关的，电磁干扰性低，则电磁敏感性也低，反之亦然。常用的8种信号电缆传输线的电磁干扰性和电磁敏感性特征如下。

（1）单股电缆组合传输线

两条单股电缆作为信号传输线，与其他类型的信号电缆传输线相比，相同的传输线长度，其环路面积最大，相同的信号传输，其产生的电磁场强度最大，处于同样强度的电磁场内，其感应的电动势最大。因此，与其他类型的信号电缆传输线相比，两条单股电缆构成的信号传输线，其电磁干扰性和电磁敏感性都较大，不适合传输电磁敏感性较高和电磁干扰性较大的信号。

（2）单股屏蔽电缆

单股屏蔽电缆作为信号传输线，其信号路径是电缆的芯导线，与之配对的信号回路是外层所谓的屏蔽层导体，信号路径芯导线上的电流所产生的电磁场与信号回路外层屏蔽上的电流所产生的电磁场部分相互抵消。因此，单股屏蔽线与单股电缆组合传输线相比，其电磁干扰性和电磁敏感性较低。

（3）同轴电缆

同轴电缆作为信号传输线，与单股屏蔽电缆结构类似，但其芯导线与外层导体的同轴性更高，信号路径芯导线上的电流所产生的电磁场与信号回路外层导体上的电流所产生的电磁场相互抵消的更多。因此，同轴电缆与单股屏蔽线相比，其电磁干扰性更低，电磁敏感性相同。

（4）三同轴电缆

三同轴电缆与同轴电缆相比，相当于在同轴电缆外层增加一个屏蔽层，屏蔽层对同轴电缆信号传输线进行屏蔽。因此，三同轴电缆作为传输线，不但具有高一致性的特征阻抗，还具有传输线屏蔽，既具有很低的电磁干扰性，同时其电磁敏感性也很低。

（5）双绞电缆

双绞电缆作为信号传输线，双绞线的其中一条线作为信号路径，另一条作为信号回路。由于双绞线的两条线距离非常接近，它们接收电磁场而产生的感应电动势基本相等，因此，信号路径和信号回路的感应电动势在信号接收端的差值非常小，具有较好的抗电磁干扰能力。在信号传输时，在传输线同一位置上的信号路径和信号回路上，信号交流分量的电流大小相等、方向相反，这两个电流所产生的电磁场在传输线外侧相互抵消一部分，降低对外发射电磁场的强度，具有较低的对外发射电磁场能力。因此，双绞电缆作为信号电缆传输线，其电磁干扰性和电磁敏感性都很低。

（6）双绞屏蔽电缆

当双绞屏蔽电缆作为差分信号的信号传输线时，内部双绞线中的一条作为正信号的信号路径，另一条用作负信号的信号路径，外层导线套用作正、负信号的共用回路。在抵抗电磁干扰方面，由于在信号接收端，信号采集的电压是正信号和负信号在采集端的差值，与外层导线套感应外部电磁场所产生的电动势无关；在产生电磁干扰方面，对于差分信号的共用回路，外层导线套上的电流是正信号和负信号返回电流之差，如果差分信号的差分特性非常好，正信号的返回电流与负信号的返回电流大小基本相等但方向相反且大部分互相抵消，它对外产生的电磁场强度也非常小。另外，双绞线上产生的电磁场也被外层导线套封闭在导线套内部。因此，以双绞屏蔽线作为差分信号的传输线，既有较高的抗电磁干扰能力，也具有较低的产生电磁干扰能力。当双绞屏蔽电缆作为单端信号传输线时，与双绞电缆相比，相当于在信号传输线外增加一个电磁屏蔽层，其电磁干扰性和电磁敏感性都更低。

（7）三绞屏蔽电缆

三绞屏蔽电缆作为信号传输线传输差分信号时，其信号路径是三绞导线中的两根导线，分别作为差分信号正负极性信号的信号路径，三绞导线中的另外一根作为两个信号路径的共用信号回路，外面的屏蔽层作为三绞信号传输线的屏蔽体，其电磁干扰性和电磁敏感性与双绞屏蔽电缆作为单端信号的传输线的情况相同。

（8）四绞屏蔽电缆

四绞屏蔽电缆作为信号传输线，常常被用作两对三线制差分信号的传输线，其信号路径是内部的四绞导线，分别作为两对差分信号正负极性信号的信号路径，外层的所谓屏蔽层只能作为两对差分信号之信号路径的共享信号回路，其电磁干扰性和电磁敏感性与作为差分信号传输线的双绞屏蔽电缆相同。

对于高速信号传输的电磁兼容性，设计时应根据信号类型、信号电流、电压、信号频率、带宽，以及信号本身的干扰容许度，选择合适的信号传输线类型，并运用相关工具软件进行仿真计算，优化设计方案。

1.5.5　PCB传输线类型及其屏蔽特性

不同类型的PCB传输线，有不同的电磁干扰性和电磁敏感性，同一个PCB传输线，其电磁干扰性与电磁敏感性是正相关的，即其电磁干扰性低，则其电磁敏感性也低，反之亦然。常用的6种信号PCB传输线的电磁干扰性和电磁敏感性特征如下。

（1）共面线

共面线作为信号传输线，其信号路径与信号回路同处于PCB上同一个信号层，PCB信号线在整个传输线长度范围内相邻并相互平行，信号路径与信号回路上的电流大小基本相等、方向相反，环路电流产生的电磁场在共面线两个外侧能够部分相互抵消，信号路径与信号回路之间的间距越小，抵消的部分越多。另外，信号路径与信号回路相邻且平行，两者间距越小，它们接收电磁场而产生的感应电动势越相近，信号路径和信号回路的感应电动势在信号接收端的差值越小，抵抗电磁干扰的能力越强。因此，共面线作为信号传输线，信号路径和信号回路之间的距离越小，其电磁干扰性和电磁敏感性就越低。

（2）微带线

微带线作为信号传输线，表层信号路径与存在于相邻平面层中的信号回路相互平行，信号路径与信号回路上电流大小基本相等、方向相反，信号回路上电流的电荷分布靠近信号路径一面，因而，在平面层对信号路径的另外一侧，只有很少部分的由本信号传输产生的电磁场，在平面层对信号路径的同一侧，存在信号环路电流产生的电磁场的大部分。微带线的电磁干扰性大部分在于平面层对信号路径的同一侧的空间，同理，微带线也只响应来自平面层对信号路径的同一侧的电磁场。微带线的电磁干扰性和电磁敏感具有方向性，即只有平面层对信号路径的同一侧具有电磁干扰性和电磁敏感性。

（3）嵌入式微带线

嵌入式微带线与微带线相比，信号路径全部嵌入在PCB绝缘介质中，由于PCB绝缘介质减弱信号传输产生的电磁场，因此嵌入式微带线比微带线的电磁干扰性和电磁敏感性低。

（4）带状线

带状线作为信号传输线，信号路径位于信号回路所在的两个平面层中间，因此带状线相当于同轴电缆的平面化。与微带线和共面线相比，带状线具有最低的电磁干扰性和电磁敏感性。

（5）（嵌入式）双微带线

双微带线作为差分信号的信号传输线，两个信号路径上的信号电流大小基本相等，极性相反，信号传输产生的电磁场在两条信号路径的外侧空间被相互抵消了一部分，因此，与微带线相比，其电磁干扰性和电磁敏感性较低，且具有与微带线相似的方向性。

（6）双带状线

双带状线作为差分信号传输线，两条信号路径位于信号回路所在的两个平面层中间，而且两条信号路径上的电流产生的电磁场在信号路径的外侧能够相互抵消一部分，因此与带状线相比，其电磁干扰性和电磁敏感性更低。

从理论角度设计信号传输，当然是选择电磁干扰性和电磁敏感性最小的PCB信号传输线，并在整个传输线长度范围内保持传输线结构不变，但从工程化设计角度来看，PCB设计要综合考虑可实现性和低成本，选择满足电磁兼容性要求的PCB信号传输线，并允许同一条传输线的结构由于信号路径在不同信号层布线，需要运用相关的软件工具进行仿真分析，优化PCB信号传输线的设计方案。

1.5.6　连接器传输线类型及其屏蔽特性

不同类型的连接器传输线，有不同的电磁干扰性和电磁敏感性，同一个连接器传输线，其电磁干扰性与电磁敏感性是正相关的，电磁干扰性低，则电磁敏感性也低，反之亦然。常用的7种连接器传输线的电磁干扰性和电磁敏感性特征如下。

（1）单端子组合传输线

与其他类型的连接器传输线相比，单端子组合传输线在传输线长度相同的情况下，其环路面积最大，在信号传输相同的情况下，其产生的电磁场强度最大，在处于同样强度的电磁场内时，其感应的电动势最大。因此，单端子组合传输线，其电磁干扰性和电磁敏感性都较大，不适合传输电磁敏感性较高和电磁干扰性较大的信号。

（2）两同轴端子

两同轴端子作为信号传输线，其信号路径和信号回路同轴、信号路径芯端子上的电流所产生的电磁场与信号回路外层导体上的电流所产生的电磁场相互抵消，而且作为信号回路的外层导体，对信号路径具有电磁屏蔽作用，因此两同轴端子具有很低的电磁干扰性和电磁敏感性。

（3）三同轴端子

三同轴端子与两同轴端子相比，可以看作在两同轴端子外层导体增加一个屏蔽层。三同轴端子作为信号传输线，外层导体对传输线具有屏蔽作用，因此与两同轴端子相比，其具有更低的电磁干扰性和电磁敏感性。

（4）差分端子

差分端子作为信号传输线，与单端子组合传输线相比，一般情况下其端子间距更小，因此其电磁干扰性和电磁敏感性更小。

（5）两芯屏蔽端子

两芯屏蔽端子作为信号传输线，当传输差分信号时，由于其外层屏蔽作为信号回路，其电磁干扰性和电磁敏感性与两同轴端子相当；当传输单端信号时，与差分端子相比，相当于增加一个电磁屏蔽层，其电磁干扰性和电磁敏感性更低。

（6）三芯屏蔽端子

三芯屏蔽端子作为信号传输线，其信号路径是三芯端子中的任意两个差分芯分别作为差分信号正负极性信号的信号路径，三芯端子中的另外一个差分芯作为两个信号路径的共用信号回路，外面的屏蔽层作为信号传输线的屏蔽体，其电磁干扰性和电磁敏感性较差分端子更低。

（7）四芯屏蔽端子

四芯屏蔽端子作为信号传输线，常常被用作两对差分信号的连接器传输线，外层的所谓屏蔽层只能作为两对差分信号之信号路径的共享信号回路，其电磁干扰性和电磁敏感性与作为差分信号传输线的两芯屏蔽端子相同。

从理论角度设计信号传输，当然是选择电磁干扰性和电磁敏感性最小的连接器信号传输线，但从工程化设计角度看，连接器选择要综合考虑可实现性和低成本，选择满足电磁兼容性要求的连接器信号传输线，并运用相关的软件工具进行仿真分析，优化连接器信号传输线的设计方案。

1.5.7　电磁屏蔽与“地”

深入理解电磁屏蔽，需要掌握以下几个“地”的概念。

①大地：电磁屏蔽层处于电磁场中感应的电流或电荷，需要流入被称为“大地”的容器中，安放于地面上的电子系统，其大地就是指地球，对于各种飞行器中的电子设备，其大地是指飞行器的金属外壳。

②结构地：安装电子设备的金属机架，与设备金属的外壳以导电的良导体短接，二者都被称为结构地，结构地与大地也必须以导电的良导体短接。

③屏蔽地：指电子设备或系统中所有系统级和信号级屏蔽体或屏蔽层构成的导体，屏蔽地就是电子设备或系统的结构地。

④信号地：指电子设备或系统中对数字信号和模拟信号为零电位的导体，这个零电位的导体称为信号地。在数字地与模拟地共地的情况下，统称为信号地。

在工程实践中，信号地与屏蔽地的连接方式有两种，第一种叫作共地，设备中的信号地与其结构地单点短接；第二种称为浮地，设备中的信号地与其结构地之间跨接并联的大电阻和大电容。

1.5.8　信号的电磁滤波技术

降低高速信号传输的电磁干扰性，选择或设计合适的信号传输线是非常重要的方法之一，降低信号本身的电磁干扰性是另外一种方法，对信号进行电磁滤波处理是降低信号电磁干扰性的主要技术。

信号电磁滤波技术就是设计滤波电路或选用滤波器件，减少电子设备中信号正确接收没有贡献的频率分量的能量，以减少信号传输之间的相互干扰，并使得设备通过相关电磁兼容试验。

由于电磁兼容试验项目中对电源传输线有专门的传导干扰性和敏感性测试项目，因此，可根据电子设备工作过程中在电源传输线上测试到的干扰信号，设计专门的滤波电路进行滤波。

1.5.9　电磁兼容性设计准则概述

高速信号传输的电磁兼容性设计就是综合考虑产品的可实现性、成本和可制造性，在满足设备电磁兼容性能要求的前提下，设计滤波电路，降低信号本身的干扰性，为系统、设备、电缆以及电缆中的信号传输设计或选择电磁屏蔽方案。

具体来说，高速信号传输的电磁兼容性设计准则包括以下几点。

①对于信号传输，选择PCB传输线、连接器传输线或电缆传输线，确保信号传输互相不干扰。

②对于电子设备或系统，设计合适的机箱结构、合适的电缆屏蔽层和连接器屏蔽。

③对于电子设备中的信号地，选择合适的方式与屏蔽地短接，保证结构地良好地接入大地。

④对电子设备中的信号（尤其是电源信号）设计合适的滤波电路，减少信号本身的电磁干扰性。

必须系统考虑性能测试结果、产品的制造成本及产品的可制造性，进一步分析设计预期与结果的偏差原因，进行多轮设计、仿真、测试的迭代，从而得到合理的设计结果。