在2016年深圳舉辦的亞太電磁兼容（EMC）會(huì)議上，大會(huì)報(bào)告《干擾技術(shù)：輻射的未來》基于技術(shù)工藝的演進(jìn)、革新和突破，闡述了電磁兼容領(lǐng)域多方面的發(fā)展趨勢(shì)?？鬃釉唬?ldquo;溫故而知新”，也可用在預(yù)測(cè)電磁干擾（EMI）的發(fā)展中。EMI核心內(nèi)容的巨大變化是由于新技術(shù)引入了不可預(yù)期的EMC問題。本文將試圖尋找一些發(fā)展規(guī)律，為EMC工程師改變工作方式提供借鑒。

EMC與技術(shù)演進(jìn)

近幾十年，EMI的問題顯著增加，一些由技術(shù)演變產(chǎn)生的問題可以預(yù)測(cè)，其中最典型的就是信號(hào)和電源完整性（SI & PI）問題：由于電子元器件尺寸的減小和信號(hào)開關(guān)頻率的增加，互連結(jié)構(gòu)內(nèi)部和它們之間的電磁場成為了新產(chǎn)品的制約因素。

1992年，國際半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)路線圖（ITRS）首次出版，后續(xù)定期更新，圖1給出了2003年、2009年和2013年ITRS對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的預(yù)測(cè)情況。2009年的預(yù)測(cè)并沒有實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹两駷橹梗?018年），節(jié)點(diǎn)電壓仍維持在0.8 V的區(qū)間。2013年，ITRS對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的變化趨勢(shì)進(jìn)行了修正，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)電壓和噪聲容限呈線性關(guān)系，這意味著節(jié)點(diǎn)電壓降級(jí)已經(jīng)使半導(dǎo)體對(duì)外部的干擾更敏感了。

IEEE EMC協(xié)會(huì)（EMCS）在2016年重新命名了研討會(huì)的名稱，從“EMC”擴(kuò)展至“EMC，SI & PI”，EMCS也計(jì)劃出版關(guān)于SI & PI的學(xué)報(bào)。那我們?cè)诮窈髷?shù)年該如何看待EMC、SI和PI呢？

根據(jù)ITRS的預(yù)測(cè)，噪聲容限將會(huì)繼續(xù)減少，但是并不會(huì)太快；邏輯半節(jié)距長度和門尺寸將繼續(xù)縮小，對(duì)高頻干擾的敏感性逐漸增強(qiáng)。半導(dǎo)體行業(yè)驅(qū)動(dòng)著技術(shù)演進(jìn)，即不斷地在晶圓上增加晶體管的數(shù)量。ITRS在其總結(jié)報(bào)告中闡述到，這種變化趨勢(shì)有非常廣泛的影響，且對(duì)建模的影響越來越重要，比如串?dāng)_、基底回流路徑、基底耦合、電磁輻射和熱效應(yīng)等，除熱效應(yīng)外,這些影響都屬于EMC和SI&PI的領(lǐng)域。

EMC與革新性技術(shù)

有巨大變革的EMI問題更引人注目，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致威脅生命或產(chǎn)品延期上市等災(zāi)難性后果，從駕駛車輛期間使用手機(jī)導(dǎo)致的氣囊彈出及禁止在飛機(jī)上使用手機(jī)等事件中,我們知道引入革新性的技術(shù)會(huì)伴隨著EMC的風(fēng)險(xiǎn)。但了解這一點(diǎn)，我們是否就能預(yù)測(cè)未來呢？

我們可以嘗試一下，在電力電子器件中采用創(chuàng)新方法，比如當(dāng)使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）時(shí)，EMI電壓大概增加40 dB：電壓處理能力增加了5倍，100 ns內(nèi)關(guān)斷時(shí)間下降了20次；而大部分干擾是由dV/dt產(chǎn)生的共模電流所導(dǎo)致，因此組合起來的干擾電勢(shì)為5×20=100=40 dB。 可以預(yù)測(cè)，由于技術(shù)變革，電力電子器件的開關(guān)頻率會(huì)更快，比如使用氮化鎵元件的開關(guān)，寬帶隙的功率器件將使IGBT的開關(guān)損耗下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，但將以增加功率轉(zhuǎn)換開關(guān)波形的高頻頻譜分量為代價(jià)，通常會(huì)增加20~30 dB ,這將導(dǎo)致對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生無法預(yù)期的、新的高頻干擾。

當(dāng)與技術(shù)演進(jìn)相關(guān)時(shí)，EMI是可以（容易）預(yù)測(cè)的，但如果技術(shù)產(chǎn)生革新性變化，EMI的預(yù)測(cè)就變得困難，因?yàn)樽鳛镋MC工程師，很難全面了解即將引入何種“新”技術(shù)。在許多情況下，EMC僅被認(rèn)為是一種“（法規(guī)要求的）符合性”問題，而忽略了其原有的“（電磁環(huán)境的）兼容性”問題。比如，智能電表在全球迅速鋪開的過程，這種情況就非常突出：智能電表的靜態(tài)計(jì)量部分很容易受到EMI的影響，但是卻有可能符合法規(guī)要求，因?yàn)榉ㄒ?guī)序言中或多或少對(duì)EMI提出了相關(guān)的豁免條件，最后的結(jié)果就可能是“符合性”通過了，但“兼容性”卻有問題 。

當(dāng)然，我們還是有可能預(yù)測(cè)未來的某些革新性技術(shù)引起的EMI問題的。大量的5G無線設(shè)備將很快充斥于我們的生活環(huán)境中，這就對(duì)無線共存和抗干擾能力提出了更高的要求，即要對(duì)抗有意電磁干擾（I-EMI）。比如司機(jī)停車后用無線鑰匙鎖車，竊賊使用無線干擾發(fā)射裝置阻塞汽車接收鎖車信號(hào)。

在2~150 kHz頻段，EMC問題的爭論日益加劇，當(dāng)傳導(dǎo)干擾源的數(shù)量、等級(jí)迅速增加時(shí)，越來越多的設(shè)備在這個(gè)頻段顯示出敏感性。使用一種被稱作時(shí)域EMI（TDEMI）接收機(jī)的突破性技術(shù)，新的干擾評(píng)價(jià)方法將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，可以在同一個(gè)譜里面顯示頻域（傳統(tǒng)）和時(shí)域信息。

EMC和突破性技術(shù)

何為突破性技術(shù)？移動(dòng)電話的出現(xiàn)導(dǎo)致大量固定電話淘汰就是一個(gè)典型的例子，現(xiàn)已造成了固定電話網(wǎng)絡(luò)原有商業(yè)模式的瓦解；另一個(gè)與EMC休戚相關(guān)的突破性技術(shù)是太陽能（光伏）或風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，它避免了碳基燃料的污染；由此帶來了電力電子設(shè)備的激增，并產(chǎn)生了巨大的EMC隱患。與新能源技術(shù)類似的電動(dòng)汽車應(yīng)用也可認(rèn)為是突破性技術(shù)，因?yàn)樗梢酝耆〈鷥?nèi)燃機(jī)。

歐盟的無線技術(shù)指令（RED）也是一個(gè)突破性技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，指令中要求設(shè)備需有效利用無線電頻譜，并避免與其他無線通信系統(tǒng)的相互干擾；另外，未納入RED指令的設(shè)備也必須符合EMC指令的基本要求。時(shí)域EMI測(cè)試儀也具備了突破性的技術(shù)，這種接收機(jī)運(yùn)算速度快得多，這將迫使傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)逐步退出市場。

最后，還有一項(xiàng)值得一提的突破性技術(shù)是混響室（RC），這項(xiàng)技術(shù)并非革新性的，因?yàn)镽C已經(jīng)存在幾十年了。頻率越高，PC的方向性圖越復(fù)雜。因此，暗室（自由空間）中的天線高度掃描和轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)越小，得到的方向性圖才能越精確，也就是說，測(cè)量高頻的方向性圖非常耗時(shí)。但RC則不用，它與現(xiàn)在的多徑環(huán)境很類似，并提供了周期性的電磁環(huán)境和隨機(jī)的極化方式，也就是說，電磁波的能量密度在RC內(nèi)部的任意位置都是均勻的，并且呈現(xiàn)各向同性特性，即各方向的能流密度是相同的。

有些人提出，所有EMC問題是由法規(guī)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)解決的，但本文想表達(dá)的是由于逐步演進(jìn)的、革新的，甚至是具有突破性的技術(shù)不斷給EMC工程師帶來新的挑戰(zhàn)，促使EMC工程師提出新的解決方案、使用新的測(cè)試與測(cè)量技術(shù)。

本文刊于《安全與電磁兼容》2019年第1期