（信号与信息处理专业论文）高频热合机辐射骚扰抑制技术的研究.pdf

摘要 摘要 自从麦克斯威尔发明电磁理论，赫兹发现电磁波以来，电磁能的概念与人们的生活 息息相关。在信息化社会，由于电磁能的广泛应用，各种电气和电子设备不断地涌现， 当前人类的生存环境也具有浓厚的电磁环境的内涵，2 1 世纪电磁环境恶化已成定局。因 此，电磁兼容已经成为当今一个热门话题，电磁干扰问题引起了重视和研究。为此，世 界各国均十分重视愈来愈复杂的电磁环境及其广泛的影响，从而促使环境电磁学和电磁 兼容技术成为一个迅速发展的新学科领域。 理论和实践的研究表明，不管复杂的电磁环境还是简单的电磁环境，任何一个电磁 骚扰的发生必须具备三个基本的条件：首先应该具有骚扰源；其次有传播骚扰能量的途 径；第三就是必须有敏感器件。在电磁兼容理论中把被骚扰对象统称为敏感设备。因此 骚扰源、骚扰传播途径和敏感设备成为电磁骚扰的三要素。 本课题是天津市自然科学基金资助项目，本论文研究工作主要是围绕着电磁骚扰的 三要素进行的，重点在于研究了高频热合机的辐射骚扰特性及其采取的有效抑制措施。 论文的主要内容包括以下几个方面： 1 系统地调研和分析了电磁兼容的概念、电磁兼容的研究内容及其国内外的研究现 状和研究领域，对电磁兼容做了进一步的认识。 2 讨论和分析了常见电磁骚扰源的特性及其耦合途径，并重点阐述了传导耦合、共 阻抗耦合、感应耦合和辐射耦合的特性；然后简要阐述了屏蔽设计、接地设计和滤波设 计等抑制措施；基于这些抑制措施，解决传导耦合常采用屏蔽或者滤波的方法；解决公 共阻抗耦合一般采用多点接地的方法；而感应耦合则多采用屏蔽、改变导线方向性和接 地方法解决：辐射耦合也多采用接地方法把辐射耦合过来的能量屏蔽掉；为分析实际产 品的电磁兼容性问题奠定了理论基础。 3 研究了电磁兼容设计的预测模型，利用场的和路的预测模型方法分别对骚扰源、 耦合途径和敏感设备进行了一般意义上的建模分析；在此基础上，着重阐述了辐射骚扰 模型的建立，并研究了辐射电磁场对周围环境及其设备产生的共模骚扰电压与差模骚扰 电压的数学模型，形象的阐述了辐射电磁场对周围环境及其工作设备的辐射干扰特性，为 解决实际产品的辐射骚扰问题，提供了理论依据和分析方法。 4 着重分析和阐述了高频热合机的工作原理和构造；结合半波暗室和相关的测量设 备，进行大量实验测量，进一步分析出热合机主要的辐射骚扰源；理论和实际相结合， 并从性能和成本的角度综合考虑，在热合头处加了一个并联谐振电路，从而形成一个反 方向电磁场，抵消了该处的一部分辐射能量；在高频功率的铜片输出馈线部分采用了屏 蔽措施，进一步降低热合机向外辐射的能量；在高频振荡电路部分则采用了滤波设计， 降低整体辐射强度，并尽可能把谐波分量降到最低。实验结果表明，本文所采取的抑制 措施是可行的，达到了降低高频热合机的辐射骚扰强度的目的，有效的解决了对周围环 境或工作设备的干扰，保障了工作人员的安全性，提高了工作效率。 关键词：电磁兼容；骚扰源；耦合途径：辐射骚扰；高频热合机；抑制 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h ei n v e n t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i ct h e o r yo fm a x w e l l ，h e r t zd i s c o v e r e d e l e c t r o m a g n e t i cw a v e s ；t h ec o n c e p to fe l e c t r o m a g n e t i ce n e r g yi sr e l a t e dw i t hp e o p l e sl i v e s c l o s e l y i nt h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y , d u et ot h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ce n e r g y , a n dv a r i o u se l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c e q u i p m e n tc o n t i n u e t o e m e r g e e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n ti sd e t e r i o r a t e di n c r e a s i n g l y , a n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eh a sb e c o m eah o t t o p i c a l lc o u n t d e si nt h ew o r l dh a v eb e g u nt op a yg r e a ta t t e n t i o nt ot h ei n c r e a s i n g l yc o m p l e x e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ta n di t si m p a c t t h u s ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 但m c ) a n d e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tb e c x 3 m en e ws u b j e c ta r e a sw h i c hh a v er a p i dd e v e l o p m e n t t h et h e o r ya n dp r a c t i c es h o wt h a la n yo fe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e sm u s th a v et h r e e b a s i cc o n d i t i o n s f i r s ts h o u l dh a v et h e $ o u r c eo fd i s t u r b a l i c e ，f u r t h e r m o r e ，h a v et r a n s m i s s i o n p a t ho fd i s t u r b a n c ee n e r g y , t h et h i r di s t h a tt h e r em u s tb es e n s i t i v ed e v i c e s s ot h e yh a v e b e c o m ei n t ot h et h r e ee l e m e n t so fe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e t h es u b j e c ti si m b u r s e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nc o m m i t t e e o q s f c ) , a n dt h ep a p e r m a i n l ys t u d i e sa r o u n dt h r e ee l e m e n t so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ew h i c ha r ed i s t u r b a n c e $ o u r c e 、 c o u p l i n gp a t ha n ds e n s i t i v ee q u i p m e n t , a n df o c u s e so nr a d i a t i o nd i s t u r b a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hf r e q u e n c yh o t s e a l i n gm a c h i n e , a n di l l u s t r a t e st h e s u p p r e s s i o n t e c h n o l o g i e s t h em a i nc o n t e n t sa r e t h ef o l l o w i n g ： 1 t h ep a p e r f i r s t l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p to fe m c 、t h er e s e a r c h e dc o n t e e to fe m ca n d t h ec u r r e n tr e s e a r c hi nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，a n dm a k e s d e p t hc o m p r e h e n s i o nt oe m c 2 i td i s c u s s e sa n da n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fd i s t u r b a n c es o u r c e sa n dc o u p l i n gp a t h , a n dm a i n l yi l l u s t r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i co fc o n d u c t i v i t y c o u p l i n g 、s h a r e di m p e d a n c e c o u p l i n g 、i n d u c t i o nc o u p l i n ga n dr a d i a t i o n c o u p l i n g t h e i ti n t r o d u c e ss u p p r e s s i o n t e c h n o l o g i e so fs h i e l d i n g 、s u s p e n s i o na n df i l t e r b a s e do nt h e s es u p p r e s s i o nt e c h n o l o g i e s ，t h e c o n d u c t i v i t yc o u p l i n gi ss l o v e db ys h i e l d i n ga n df i l t e r , a n dt h ep a p e ra d o p t sg r o u n d i n gm e t h o d t os l o v es h a r e di m p e d a n c ec o u p l i n g , a n dc o u p i n gi ss l o v e db ys h i e l d i n g 、c h a n g i n gt h el i n e d i r e c t i o na n dg r o u n d i n gm e t h o d , a n dt h er a d i a t i o nc o u p l i n gi ss o l v eb yg r o u n d i n gm e t h o d u s u a l l y s oi tp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i cf o ra c t u a lp r o b l e m s 3 i ta n a l y s e st h ep r e d i c t i o nm o d e lo fe m c , a n dm a k e sm a t h e m a t i c a lm o d e la p p l y i n g f i e l dm e t h o da n dc i r c u i tm e t h o df o rd i s t u r b a n c es o u r c e 、c o u p l i n gp a t ha n ds e n s i t i v ee q u i p m e n t a c c o r d i n gt ot h e s et h e o t y , i tf o c u s e so nt h es t u d yo fr a d i a t i o nd i s t u r b a n c em a t h e m a t i c a lm o d e l t h e ni ts t u d i e so nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o m m o nm o d ev o l t a g ea n dd i f i e r e n t i a lm o d e l v o l t a g e , a n dv i s u a l l yi l l u s t r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nf i e l dw h i c h f o r m ss t r o n gr a d i a t i o nt os u r r o u n d i n ge n v i r m e n ta n de q u i p m e n t s i tp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i c a n da n a l y s i sm e t h o df o ra c t u a lp r o b l e m s 4 l a s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fh i g hf r e q u e n c yh o t s e a l i n g h a b s i r a c t m a c h i n e ，a n di n t r o d u c e st h eu r g e n c yt os o l v ei t sp r o b l e m s a p p l y i n gh a l fa n e c h o i cc h a m b e r , i t m a k e sal o to fe x p e r i m e n t st oh o t s e a l i n gm a c h i n ei no r d e rt of i n do u tt h ed i s t u r b a n c es o u r c e s t h e nc o n s i d e r i n gc o s ta n de f f i c i e n c yc o m p r e h e n s i v e l y , i ta d d sap a r a l l e lr e s o n a n tc i r c u i tt o c o u n t e r a c te x c r e s c e n tr a d i a t i o ne n e r g yo nt h eh o t s e a l i n gh e a d , w h i c hf o r m sar e v e r s e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d i no r d e rt o r e d u c er a d i a t i o ne n e r g yf o r t h e f l y , i ta d o p t s s h i e l d i n g t e c h n o l o g yo f ft h es h e e tc o p p e rf e e d e ro fh i g hp o w e r , a n d i ta d o p t sf i l t e rt e c h n o l o g yi nt h eh i g h f r e q u e n c yo s c i l l a t i o nc i r c u i t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ea d o p t e dm e a s u r e sa r ef e a s i b l e ； i tr e d u c e st h ei n t e n s i t yo fr a d i a t i o nd i s t u r b a n c e ，a n ds o l v e st h ei n t e r f e r e n c ep r o b l e mt o s u r r o u n d i n g sa n de q u i p m e n t i ta l s og u a r a n t e e st h es a f e t yo ft h es t a f fa n di m p r o v e sw o r k e f f i c i e n c y k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y d i s t u r b a n c es o u r c e s c o u p l i n gp a t h r a d i a t i o nd i s t u r b a n c eh i g hf r e q u e n c yh o t s e a l i n gm a c h i n es u p p r e s s i o nt e c h n o l o g i e s 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天 津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：朱l ；| 己件 签字日期：。7 年7 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位 论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：束失佛 导师签名：7 另该 签字日期：沙7 年 月；日 签字日期：p 0 7 年月日 第一章绪论 第一章绪论 随着电子技术的高速发展，电子，电器设备系统获得了越来越广泛的应用，从而使 电磁环境日益复杂。在工业发达的大城市电磁环境越来越恶劣，往往引起电子、电器设 备系统失灵，性能降低，甚至导致严重故障或事故。为保障电子系统或设备正常工作， 必须研究抑制干扰的有效手段，以提高抗干扰能力，因此，需要并对电磁环境进行合理 化设计。所谓的电磁环境，就是指在传输媒质中存在的电磁场或电信号。这些电磁信号 也可以对各种电器、电子设备的工作产生影响，使其工作性能降低，甚至破坏其正常工 作。本章主要阐述了电磁兼容的一些相关知识和概念。 1 1 电磁兼容的概念 电磁兼容( e m c ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) ，对于设备或系统的性能指标来 说，直译为“电磁兼容性”，但作为一门学科来说，应该译为“电磁兼容”。美国i e e e 学报t r a n s a c t i o nr f l 分册于1 9 6 4 年改名为e m c 分册，若以此作为电磁兼容学科形成的 标志，距今已近4 0 多年了。4 0 多年来，电磁兼容的基础不断深化，内容不断发展，范 围不断扩大，系统不断完善。 电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频谱资源等条件下，各种用电设备( 广义的 还包括生物体) 可以共存，并不致引起降级的一门科学。电磁兼容性是指设备或系统在 其电磁环境下能正常工作，并且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 “，它有以下三方面的含义： 1 电磁环境应是给定的或可预期的； 2 设备、分系统或系统不应产生超过标准或规范所规定的电磁骚扰发射限值的要 求；电磁骚扰发射就是从骚扰源向外发出电磁骚扰能量的现象，它是引起电磁 骚扰的原因。 3 设备、分系统或系统应满足标准或规范所规定的电磁敏感性限值或抗扰度限值 的要求；电磁敏感性，即在存在电磁骚扰的情况下，设备、分系统或系统不能 避免性能降低的能力；抗扰度即设备、分系统或系统面临电磁骚扰不降低运行 性能的能力。 电磁兼容学科是一门新兴的跨学科的综合性应用学科，它涉及的理论基础包括数学、 电磁场理论、天线与电波传播、电路理论、信号分析、通信理论、材料科学、生物医学 等等，所以说电磁兼容是一门多学科交叉、综合的学科，是实践性很强的一门应用技术。 它的研究内容广泛、十分复杂。 1 2 电磁兼容主要研究内容 电磁兼容技术研究有两个明显的特点删：( 1 ) 涉及范围较广，包括自然界中各种电 气电磁干扰，以及各种电器、电子设备的设计、安装和各系统之间的电磁干扰等；( 2 ) 技术难度大，由于干扰源日益增多，传播的途径也是多种多样的，在军工、电力、通讯、 第一章绪论 交通和工矿企业普遍存在电磁干扰问题。由“全国无线电干扰标准化委员会”、“全国电 磁兼容标准化联合工作组”和“中国实验室国家认可委员会”联合撰写的专著：电磁兼 容标准实施指南。1 中第二篇：“电磁兼容原理与测量基础”中指出了目前电磁兼容的主 要涉及的研究领域归纳起来为五大方面： 第一、对于骚扰源特性的研究，包括电磁骚扰源的频域和时域特性，产生的机理以 及抑制措施等的研究。 7 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，以及设备或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。这种抗干扰能力常以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值相符合得很 好等。 第五、对于系统内、系统间电磁兼容的研究。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问电磁兼容性，这方面的研究需要广泛的理论知 识与丰富的实践经验。 总之，自从电磁兼容这个新概念出现以后，抗电磁骚扰技术才进入了一个新的时期， 它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，即从防范或补救的时期，进入到主动进行预测分析、主动进行设计、主动采取防护 措施的新时期。 1 3 国内外研究现状 早在一九三四年国际电工委员会就成立了无线电干扰特别委员会( 简称c i s p r ) ，专 门研究无线电干扰问题，制定有关标准，旨在保护广播接收效果。当初只有少数国家参 加该委员会，如比利时、法国、荷兰和英国等。经过多年的发展，人们对电磁兼容的认 识发生了深刻的变化，1 9 8 9 年欧洲共同体委员会颁发了8 9 3 3 6 e e c 指令，明确规定， 自1 9 9 6 年1 月1 日起，所有电子、电器产品须经过e m c 性能的认证，否则将禁止其在欧 共体市场销售。此举在世界范围内引起较大反响，电磁兼容性已成为影响国际贸易的一 项重要指标。 随着技术的发展，c l s p r 工作范围也由当初保护广播接收业务扩展到涉及保护无线 电接收的所有业务。国际电工委员会i e c 有两个专门从事电磁兼容标准化工作的技术委 员会：一个就是成立于1 9 3 4 年的c i s p r ；另一个是电磁兼容委员会t c 7 7 ，成立于1 9 8 1 年。c i s p r 最初关心的主要是广播接收频段的无线电骚扰问题，之后在e m c 标准化工作 方面进行了不懈的努力，c i s p r 共有七个分技术委员会“，其中a 分会涉及无线电骚扰 和抗扰度测量设备及测量方法；b 分会涉及工业、科学、医疗射频设备的e m c ；c 分会涉 2 第一章绪论 及架空电力线路和高压设备的e m c ；d 分会涉及车辆、机动船和火花点火发动机驱动装置 的e m c ；e 分会涉及收音机和电视接收机及有关设备的e m c ；f 分会涉及家用电器、电动 工具及荧光灯和照明装置的e m c ；g 分会涉及信息技术设备的e m c 问题。 c i s p r 已基本上将通常的工业和民用产品的e m c 考虑在其标准中。c i s p r 还起草了通 用射频骚扰限额值国际标准草案，这样，对那些新开发的以及暂时还不能与现有c i s p r 产品标准相对应的产品，可以用射频骚扰限额值来加以限制。几年前c i s p r 将其工作频 率范围扩展为d c - 4 0 0 g h z ，目前实际工作范围为9 k h z 一1 8 g h z ，以前的c i s p r 标准主要涉 及无线电干扰限额值及其测量方法，近年来在抗扰度方面加强了研究，并已制定了一些 标准。t c 7 7 最初主要关心低压电网系统的e m c 问题( 9 k h z 以下频段) ，后来将其工作范 围扩大到整个e m c 所涉及的频率范围及产品。目前c i s p r 已制定有c i s p r 2 2 ( 1 9 9 7 ) a 时，称为远场，这时 州击刎s i n o e 啪1 西一j 志础s i n 匏帅j 可见，日和ei e 旧= l r ，而波阻抗 z 。e o 。生一。z 3 7 7 1 ) 01 l ，n ，o 此外，对于小环天线，也可以得到类似的公式。但近场时， 于c r 3 ，而波阻抗 z 墨。z 。堡 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 以电场为主。单极天 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) e 正比于】肛2 ，h 正比 ( 2 2 5 ) l z i z o ( 2 2 6 ) 为感性低阻抗，与r 成正比。小环天线的近场又称低阻抗场，以磁场为主。小环天线称 为低电压、大电流低阻抗源。其远场与单极天线相同，h 和e 都e e a - j = l r ，而波阻抗 zz z o - 3 7 7 q 。 综述，在一个实际装置中，鉴于设备的个数和多样性，以及各种耦合类型，故而存 在诸多的耦合途径。这就必须熟知骚扰源、敏感电路和耦合途径，然后利用e l i l c 基本设 计原理，采用相应的电磁骚扰抑制技术。 第二章电磁骚扰源，耦合途径及其抑制技术 2 3 电磁骚扰抑制技术 电磁兼容设计的三要素是：电磁骚扰源、传播途径和敏感设备，在研究了电磁骚扰 源的特性和主要的耦合途径之后，这部分对电磁骚扰抑制技术进行研究。 2 3 1屏蔽设计 为了保证电子设备的正常工作，需要对电磁波辐射进行控制，在通常采取的技术中， 比较有效的技术均是基于以下三项技术：一是优化电路设计；二是配线分离技术；三是 屏蔽技术。屏蔽技术用来抑制电磁骚扰沿空间的传播，即切断辐射骚扰的传播途径。 2 3 1 1 屏蔽工作原理 电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一个区域感应和辐 射传播的方法。电磁屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于防止静电场 和恒定磁场的影响，另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电 磁场的影响。 从广义角度，所有屏蔽均属电磁屏蔽。但从狭义角度，电磁屏蔽是指4 0 g h z 以内的 屏蔽。电磁屏蔽的机理是电磁感应现象。在外界交变电磁场作用下，通过电磁感应屏蔽 壳体内产生感应电流，而这感应电流在屏蔽空间又产生了与外界电磁场方向相反的电磁 场，从而抵消了外界电磁场对屏蔽体内电路的影响，产生了屏蔽效果。 电磁屏蔽的意义就在于利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能量传输的一种技术，是抑制 电磁干扰的重要手段之一从电磁场理论的观点可以这样认为，有两个电磁空间，在其 分界面上存在一个物体，如果因该物体的存在而能将这两个电