4. 航空航天电子设备电磁发射机理
电磁发射是电磁兼容（EMC）问题的源头。对航空航天电子设备而言，发射一旦超标，轻则干扰机载通信与导航接收机，重则导致飞控、遥测链路误码甚至功能失效。理解发射机理，核心是回答两个问题：能量从哪里来、通过什么路径出去。前者决定发射的强度与频谱形状，后者决定它是传导发射（CE）还是辐射发射（RE）。本节从干扰源、耦合路径、频谱特征三个层面展开，并给出可用于实际判读的示例数据。
一、发射的三要素与两类路径
任何电磁发射都可分解为“源—耦合路径—受体”三要素。设备内部的源主要有四类：开关电源的功率管开关动作、数字电路时钟与数据翻转、电机与继电器等感性负载的通断、以及射频发射机自身的载波与谐波。这些源产生的电压/电流变化，通过两种路径向外传播：
- 传导发射：干扰能量以电压或电流形式沿导体传播，典型载体是电源线、信号线、地线和屏蔽层。频率范围通常关注 150 kHz～30 MHz（部分军标延伸至 108 MHz）。
- 辐射发射：干扰能量以电磁波形式通过空间传播，源可以是电缆的共模电流（等效为天线）、机箱缝隙与孔洞的泄漏、PCB 上的电流环路。频率范围通常关注 30 MHz～1 GHz，机载设备常延伸至 18 GHz。
需要强调的是，传导与辐射并非彼此独立。一根长电缆既是传导路径，也是效率很高的辐射天线；当电缆上的共模电流达到微安级，就可能在数米外产生超标的辐射场。因此工程上常说“传导是辐射的根，电缆是最大的天线”。
二、传导发射的产生机理
传导发射的本质是干扰电流在设备与外部电网/负载之间流动。按电流在导线上的分布方式，分为差模（DM）和共模（CM）两种模式，二者的产生机理与抑制手段完全不同。
差模发射由电源电流本身的脉动引起。以典型反激式开关电源为例，功率 MOSFET 以 100 kHz 开关，漏极电流为三角波脉冲，其上升沿约 50 ns、下降沿约 80 ns。该脉冲电流在输入电容、变压器初级和开关管构成的回路中流动，形成差模电流。差模电流的频谱包络由脉冲宽度和边沿时间共同决定：转折频率 f₁ = 1/(π·t_on) 之前以 -20 dB/dec 下降，f₂ = 1/(π·t_r) 之后以 -40 dB/dec 下降。若 t_r = 50 ns，则 f₂ ≈ 6.4 MHz，意味着 6.4 MHz 以上谐波衰减加快，但 150 kHz～6 MHz 区间仍可能超标。
共模发射由对地寄生电容上的位移电流引起。开关管漏极与散热器之间存在约 20～50 pF 的寄生电容 C_p，漏极电压以 dv/dt = 5 V/ns 跳变时，位移电流 i = C_p·dv/dt。取 C_p = 30 pF，则 i ≈ 150 mA 的尖峰电流经散热器、机壳、地线流回源端，形成共模电流。共模电流的路径包含机壳和长电缆，因此它既是传导发射的主要贡献，也是辐射发射的直接驱动源。
传导发射的典型频谱特征可归纳为：
- 开关频率及其整数倍处出现窄带尖峰，如 100 kHz、200 kHz、300 kHz……
- 尖峰幅度随频率升高总体下降，但在边沿转折频率附近出现“台阶”变化。
- 共模成分在较高频段（数 MHz 以上）往往超过差模，因为寄生电容的阻抗随频率降低。
- 若存在开关频率抖动（抖频），尖峰会展宽为“草垛”状，峰值降低但占用带宽增加。
三、辐射发射的产生机理
辐射发射的物理基础是时变电流产生电磁波。设备内部任何载有高频电流的导体都是潜在天线，其辐射效率取决于三个因素：电流大小、回路面积、以及导体长度与波长的比值。
对差模辐射，可用小环天线模型估算。一个面积为 A、电流为 I 的回路，在距离 r 处的电场强度近似为 E ≈ 1.316×10⁻¹⁴ · f² · A · I / r（单位 V/m，f 单位 Hz，A 单位 cm²，I 单位 A，r 单位 m）。例如某 PCB 上时钟走线与回流路径构成 5 cm² 环路，流经 20 mA、100 MHz 的时钟电流，在 3 m 处产生的场强约为 1.316×10⁻¹⁴ × (10⁸)² × 5 × 0.02 / 3 ≈ 4.4×10⁻⁵ V/m，即约 33 dBμV/m。若标准限值为 40 dBμV/m，则余量仅 7 dB，一旦环路面积或电流增大就会超标。
对共模辐射，可用短单极天线模型估算。长度为 L 的电缆上共模电流为 I_cm 时，3 m 处场强 E ≈ 1.26×10⁻⁶ · f · L · I_cm / r。取 L = 1 m、I_cm = 5 μA、f = 100 MHz，则 E ≈ 1.26×10⁻⁶ × 10⁸ × 1 × 5×10⁻⁶ / 3 ≈ 2.1×10⁻⁴ V/m，约 46 dBμV/m，已超过 40 dBμV/m 限值。这说明共模电流只需微安级就足以造成辐射超标，而差模电流通常需要毫安级。工程上辐射问题绝大多数由共模电流驱动，这也是“电缆是最大天线”的定量依据。
辐射发射的典型频谱特征：
- 窄带辐射：来自时钟、晶振、开关频率，表现为离散尖峰，频率稳定、可重复。
- 宽带辐射：来自数据总线、ESD、继电器电弧，表现为连续抬升的噪声基底。
- 谐振峰：电缆长度接近 λ/4 或 λ/2 时出现谐振，如 1 m 电缆在 75 MHz（λ/4）附近辐射增强。
- 机箱缝隙泄漏：当缝隙长度接近 λ/2 时形成 slot 天线，在对应频率出现明显峰值。
四、传导与辐射的关联及判读要点
传导发射和辐射发射在频谱上常呈现“同源”特征：同一开关频率的谐波既出现在 LISN 的传导测试曲线上，也出现在天线接收的辐射测试曲线上。区别在于，传导测试测量的是端口电压，辐射测试测量的是空间场强，二者通过电缆共模电流这一中间量耦合。因此，当辐射超标而传导正常时，应重点检查电缆的共模电流路径和机箱屏蔽完整性；当传导超标而辐射正常时，应重点检查差模滤波和电源回路布局。