射頻屏蔽攻略：從基本概念到實戰應用，掌握 EMI & EMC 抑制技術！
初步了解射頻屏蔽的基本概念
在所有電路中，都會產生與之相關的電場與磁場（E&M fields），包括電纜、導線佈局、元件和電路的物理外殼，這些電磁場可能會相互影響，進而導致元件之間產生不必要的干擾，例如，變壓器透過磁場將一種電壓轉換為另一種電壓，以提供電路所需的電能，然而，如果未進行適當的屏蔽，該磁場可能會影響附近的訊號線，導致不必要的干擾。
要描述射頻屏蔽（RF Shielding），需要結合電磁場（E&M fields）的一些基本概念，以及它們在集中元件模型（Lumped Element Model, LEM）中的對應關係：電場（Electric Fields）可視為電容（Capacitors），磁場（Magnetic Fields）可視為電感（Inductors），而能量的損耗則對應於電阻（Resistors）。
在最基本的情況下，當一條導體的兩端施加電位差（電壓）時，導體內部會產生電流流動，而這個電流會在導體周圍產生磁場（B）。
導體周圍的磁場“B”
磁場會向外擴散，並圍繞導體形成環狀結構，其方向可透過「右手定則（Right-Hand Rule）」來判斷，當右手大拇指指向電流流動方向時，手指環繞導體的方向即為磁場的方向。
與此同時，導體周圍會存在由外部電源（如電池、交流電源、或訊號產生器）產生的電場（E），這個電場的主要作用是將能量從外部電源傳遞至電路內的各個元件，例如電阻（Resistors）、電容（Capacitors）和電感（Inductors）。
導體周圍的電場“E”
電場的分佈形狀受到導體與電路元件的物理特性和尺寸影響，即使電路未閉合（Closed Circuit），仍然可能發生能量傳輸，導致電路如天線般運作，進而產生電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）或接收來自外部的電磁相容（Electromagnetic Compatibility, EMC）場。
有趣的是，電流的流動方向與導體內電子的實際運動方向相反，此外，在導體內，只有極少數電子參與電流的形成，而大部分電子則因熱運動呈現隨機移動的狀態。
舉例來說，當電池為銅導體電路供電時，電子從電池負極移動至正極的速度僅約 0.025 mm/秒，這是一個極其緩慢的速度；而在 60Hz 的交流電流中，電子僅會在 0.2 微米（μm）範圍內來回振盪，當頻率提升至微波（Microwave）範圍時，電子的移動距離甚至小於銅導體原子核的直徑。
能量的傳遞過程，實際上是透過電池、交流電源或訊號產生器產生的電磁場，與電子（電流）相互作用來完成的，這種描述電路運作的方式，有助於理解如何透過射頻屏蔽（RF Shielding）來降低 EMI（電磁干擾）與 EMC（電磁相容性）問題。
✔ 電場像水壓，電流像水流
✔ 電子本身移動得很慢，但電場影響很快
✔ 電場才是負責快速傳遞能量的關鍵！
✔ 未閉合的電路仍可能產生能量洩漏，就像漏水一樣
✔ 射頻屏蔽可以阻擋不必要的干擾，確保電路運作穩定
射頻屏蔽（RF Shielding）的目的與作用
當電子設備運行時，電路內的電場（Electric Field） 和 磁場（Magnetic Field） 可能會相互影響，導致訊號雜訊、訊號衰減，甚至影響其他元件的正常運作；因此，射頻屏蔽（RF Shielding） 的核心目標是控制電場與磁場的擴散，防止內部與外部的電磁干擾（EMI）影響電路的穩定性。
一種簡單且有效的屏蔽方法 是在 印刷電路板（PCB）上設置屏蔽導電隔間（shielded conductive compartments），將關鍵區域的電磁場局限於特定範圍，避免影響其他電路區域。
這些 屏蔽罩的邊緣 通常設計有 導電墊圈與凹槽，確保與 PCB 之間的連續電接觸，進一步提升屏蔽效果；然而，在 金屬外殼的製造過程中，即使表面看似平整，接觸面之間仍可能存在微小縫隙，這些縫隙的大小可能與電子在交流電（AC）或訊號產生器作用下的移動距離相當，導致電磁場「洩漏」，進而造成訊號衰減。
如果電路的其他部分設計良好，則 RF 屏蔽可針對特定的敏感區域進行局部保護，在不影響整體設計的前提下，有效降低電磁干擾問題。
導線與訊號佈線探討
導體、元件和外殼的佈局可能會相互影響，進而引發電磁干擾（EMI） 和 電磁相容性（EMC） 問題，為了降低這些風險，在設計初期 使用設計工具來預測導線間距、佈線方式，並在電纜佈線中加入明確定義的接地層（Ground Plane），能有效減少 EMI 和 EMC 的影響，提升電路的穩定性與可靠性。
降低電磁干擾（E&M Interference） 並提升電磁相容性（EMC Compatibility） 的一種低成本且有效的方法是將導線成對絞合（Twisting Wire Pair），當兩條導線中的電流（I）流動方向相反時，會產生各自的磁場（B1 和 B2），這些磁場會相互影響，進而形成殘餘磁場（B3）。
根據右手定則（Right-Hand Rule），當右手大拇指指向電流流動方向時，手指纏繞導線的方向即為磁場的方向，因此，在導線絞合的部分，磁場會相互抵消或排列成特定方向；然而，這些殘餘磁場可能會導致導線之間產生串擾耦合（Crosstalk Coupling），進而影響外部訊號的品質，導致雜訊干擾或訊號衰減；因此，透過適當的絞線設計，可以有效降低這類干擾問題，確保訊號的穩定性。
平行導線產生的剩餘磁場
透過將導線絞合（Twisting），殘餘磁場會沿著導線產生交替變化，並被限制在導線附近，從而顯著降低相鄰導線的串擾干擾（Crosstalk Interference）；由於在導線的每半圈（Half Turn） 內，會產生相等且方向相反的磁場，這些磁場在短距離內會相互抵消，因此相鄰導線接收的串擾（Crosstalk Pickup） 會大幅減少，進一步提升訊號的穩定性。
雙絞線周圍的磁場和電場
此外，藍色標示的電場（Electric Field） 也會被限制在雙絞線（Twisted Pair） 附近，當電場在導線表面形成時，會產生相反的電荷，從而增加雙絞線的總電容（Capacitance）；同時，磁場在導線內部會抵抗電流流動，因此雙絞線的佈局會額外增加電感（Inductance），這些特性有助於提升訊號完整性，降低外部電磁干擾（EMI），並提升電路的電磁相容性（EMC）。
透過調整雙絞線的纏繞密度（Pitch） 及導線之間的間距（Separation），可以精確控制 訊號的 頻寬（Bandwidth）、間距（Spacing） 以及 衰減（Attenuation），從而讓雙絞線適應不同的系統設計需求。
- 增加纏繞密度（縮短 Pitch）：可提升抗干擾能力，降低串擾，但可能增加電容，影響高頻特性。
- 調整導線間距（Separation）：影響特性阻抗（Impedance），進而影響訊號完整性和傳輸距離。
- 優化頻寬與衰減：根據應用需求選擇適當的絞合方式，以平衡抗干擾能力與訊號品質。
適當的雙絞線設計有助於提升訊號傳輸穩定性，降低電磁干擾（EMI），並確保良好的電磁相容性（EMC）。
下載 非平衡雙絞線計算器（Unbalanced Twisted Pair Calculator） 來計算非平衡雙絞線的等效電容（Capacitance）、電感（Inductance）和阻抗（Impedance）。
鐵氧體（Ferrites）- 探討圓柱管與環形磁芯作為降低電纜雜訊的方法
鐵氧體是一種陶瓷材料，主要由氧化鐵（Iron Oxide） 與 錳（Manganese）或鎳（Nickel）加上鋅（Zinc） 混合而成，具有獨特的磁性特質，可用於抑制電磁干擾（Electro-Magnetic Interference, EMI），並提升電磁相容性（Electro-Magnetic Compatibility, EMC）。
鐵氧體陶瓷可被製成多種不同形狀，以適應各種應用需求，常見的類型包括：
✔ 板狀（Plates）— 適用於平面式屏蔽或電路板應用
✔ 圓柱管狀（Cylindrical Tubes）— 常用於電纜線過濾與抑制干擾
✔ 環形磁芯（Circular Toroids）— 用於電源濾波與訊號完整性保護
本節將探討如何透過圓柱管與環形磁芯來降低電纜中的雜訊，並改善電路的抗干擾能力。
典型的鐵氧體阻抗與頻率圖
基本運作原理（Basic Theory of Operation）
在使用鐵氧體（Ferrite） 時，需要參考其規格書（Datasheet），以確保選擇適合特定頻率範圍的材料，由於鐵氧體的設計針對特定頻率範圍運作，因此在安裝於電路前，規格書是選型與設計的重要工具；此外，鐵氧體的飽和磁化強度（Saturation Magnetization） 受 電流與溫度 影響，這可能會導致其 阻抗（Z）下降，影響抑制電磁干擾（EMI）的效果。
繞線圈數對鐵氧體效能的影響（1 Turn, 2 Turns, 3 Turns…）
當導線穿過鐵氧體內部時，其 衰減效果（Attenuation） 會隨著阻抗（Z）、電阻（R）和電抗（X） 的增加而提升。
繞線圈數（Turns）計算方式：
在 環形磁芯（Toroid） 中，計算圈數時，只計算穿過磁芯中心的導線數目，而磁芯外部的繞線則不計算在內。繞線圈數對電感值（Inductance, L）的影響：
✔ N=2（兩圈） —— 電感量為單圈（N=1）的 4 倍（N² = 4）✔ N=3（三圈） —— 電感量為單圈（N=1）的 9 倍（N² = 9）
因此，增加繞線圈數可以大幅提升鐵氧體的電感與衰減能力，從而更有效地抑制電磁干擾（EMI）和降低訊號雜訊（Noise）。
穿過鐵氧體核心中心的 2 圈導線
穿過鐵氧體核心中心的 3 圈導線
環形磁芯周圍纏繞的導線束特寫
除了單根導線外，電纜內的導線束（Wire Bundles） 也可以與鐵氧體結合使用，以抑制共模訊號（Common Mode Signals），這對於電源線、傳輸線和高頻訊號傳輸 特別有幫助，可顯著降低外部干擾對系統的影響，提高訊號完整性（Signal Integrity）。
從阻抗與頻率圖推導等效電路
當確定了操作頻率點的阻抗後，我們可以計算負載（Zl）對干擾訊號（Vin）的衰減量。
簡化的等效電路（Simplified Equivalent Circuit）
阻抗對衰減的影響（Impedance to Attenuation）
串聯鐵氧體磁芯以增加衰減效果（All in a Row…）
當電纜尺寸無法允許多圈繞過鐵氧體時，可以透過串聯多個鐵氧體磁芯來增加衰減效果。
✔ 增加鐵氧體的數量具有「累加」效果，即每增加一個鐵氧體，總體的衰減能力會隨之提升。
✔ 但同時，這也會導致整體頻率頻寬（Frequency Bandwidth）下降，因此在設計時需要權衡衰減效果與訊號頻寬的需求。
鐵氧體電感值與導線繞組數的關係
電感值（Inductance, L） 與 繞線圈數（Turns, N） 之間呈線性關係：
- 1 圈 = L
- 2 圈 = 2 × L
- 3 圈 = 3 × L
導線束的共模雜訊抑制
✔ 單根導線與導線束的處理方式相似，但導線束中的多條導線可能會相互影響，增加噪訊干擾的風險。✔ 環形磁芯（Circular Toroid） 可有效抑制 共模雜訊（Common Mode Noise），特別適用於電源線、訊號線 或 高頻傳輸線，確保訊號完整性。
當單個鐵氧體無法滿足需求時，使用多個磁芯或適當的繞線設計，可以進一步提升抗干擾能力，確保系統的電磁相容性（EMC）。
單圈導線穿過三個鐵氧體磁芯（Single Turn going through Three Ferrites）
環形磁芯上纏繞 12 圈導線束的示例（Three Wire Bundle with 12 Turns around Circular Toroid）
實例計算（Example Calculation）
假設我們測得一條 乙太網路電纜（Ethernet Cable） 在 60MHz 頻率下產生了一些雜訊，並希望將其衰減 12dB。從規格書或測試結果可得知，該乙太網路電纜在 60MHz 的阻抗為 300Ω，而鐵氧體的阻抗（Z）為 240Ω。
重新排列衰減公式並求解 Zsc，得到：
Zs（信號源阻抗） 和 Zl（負載阻抗） 設為相等，以實現最大功率傳輸：
鐵氧體的阻抗（Zsc）和負載（Zl）組成了一個分壓電路，可衰減不需要的訊號。
提高鐵氧體的阻抗有兩種方法：
- 讓乙太網路電纜多次穿過鐵氧體磁芯
- 在電纜上串聯多個鐵氧體
在 線性串聯情況（Ferrites in Series） 下，至少需要 7 至 8 個鐵氧體磁芯 才能達到目標阻抗：
- 7 個鐵氧體：7 × 240Ω = 1680Ω（約 11.59dB 衰減）
- 8 個鐵氧體：8 × 240Ω = 1920Ω（約 12.46dB 衰減）
若乙太網路電纜可繞過 環形磁芯 3 圈，則僅需 1 個磁芯 即可達到相同的衰減效果：
- N = 3，其阻抗計算為 N² × 240Ω = 2160Ω（約 13.25dB 衰減），並且只需 使用一個磁芯。
可用的解決方案（What can be used）
當發現某個電纜組件導致 EMI 或 EMC 問題時，可安裝 分裂環形鐵氧體（Split Ring Ferrite） 進行補救。
在使用時，應確保分裂環形磁芯 正確夾緊，以免磁芯內部存在空隙，降低磁化效能。
KEMET ESD-SR-100 分裂環形鐵氧體（Split Ring Ferrite）
實際應用（What it Looks Like in Practice）
目前市面上有大型的環形磁芯（Circular Toroids），可用於配備體積較大的轉接頭與連接器的電纜，其內徑（Inner Diameter）足夠讓電纜端部穿過內環；此外，扁平排線（Flat Ribbon Cables） 也可以纏繞在環形磁芯內，以提升屏蔽效果。
單圈導線束穿過鐵氧體磁芯（One Turn Wire Bundle inside Ferrite Core）
七圈導線束纏繞環形磁芯（Seven Turns of a Wire Bundle around Circular Toroid）
Averna 原文網址
射頻屏蔽入門（Part 1）射頻屏蔽進階（Part 2）
鐵氧體磁芯與屏蔽（Part 3）