（电力系统及其自动化专业论文）强电磁干扰环境下的监测与控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 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 ( e m c ) i s an e wa n di n t e r d i s c i p l i n a r ys t u d y w h i c hc o n t a i n sp l e n t yo f h a r dr e s e a r c h ，a n di ti sa p p l i e d t om a n ya r e a s a st h es c i e n c e a n dt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , e l e c t r i c a lt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , h a v i n gb e e nd e v e l o p e d , e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eb e c a m e s e r i o u sa n di t s p r o t e c t i o n b e c a m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t m o s td e v e l o p e d c o u n t r i e sh a v er e c o g n i z e dt h es i g n i f i c a n c eo f t h ee m c ，a n d t h er e s e a r c ho f i t st h e o r y a n d t e c h n o l o g y h a sb e n e f i t e dt h e i rm i l i t a r ye q u i p m e n ta n d c u r i n g - e d g ep r o d u c t s t h e d e v e l o p m e n t o fs h e n g u a n g l a s e r f a c i l i t y i s8 s u b p r o j e c t o fn a t i o n a l8 6 3 h i g h t e c hp r o g r a mo fc h i n a , a n dt h es u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mo ft h ee n e r g y m o d u l eo ft h es h e n g u a n g i i ll a s e rf a c i l i t yi st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i st h e s i s t h e t h e s i sf o c u s e do nt h e 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 ya n a l y s i s o ft h e s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mw o r k i n gi nat e r r i b l ee l e c t r o m a g n e t i cc i r c u m s t a n c e t h ei m p o r t a n c eo ft h ee m cw a ss u m m a r i z e di nt h i st h e s i s t h ed e v e l o p m e n t a n d s t u d y a c h i e v e m e n t so ft h ee m cw e r eo v e r v i e w e db a s e do nt h er e c e n t p u b l i c a t i o n s t h e n t h e p r i n c i p l e sa n d t h et e c h n o l o g yo f t h ee m cw a sd i s c u s s e df r o m 4a s p e c t s ：t h eb a s i cr e s e a r c hf a c e t so ft h ee m c ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c es o u r c e a n di t st r a n s m i s s i o n , r e s e a r c hm e t h o d so ft h ee m ca n di n t e r f e r e n c e p r o t e c t i o n a f t e r w a r d s ，t h ep o s s i b l e i n t e r f e r e n c es o u r c e sa n d c o u p l i n ga p p r o a c h e s t ot h e s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo f t h ee n e r g ym o d u l eo ft h es h e n g u a n g f a c i l i t yw e r e a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d u l e f u r t h e rm o r e ，t h e i n v e s t i g a t i o no ft h ev o l t a g eo ft h ec o l n l 3 1 0 r lm o d ei n t e r f e r e n c ec o n d u c t i n gt ot h e s y s t e ma l o n gw i t ht h es i g n a ll i n ew a sc a r r i e do ni nd e t a i l ，a n dt h ep r a c t i c a lc o u p l i n g e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e lb e t w e e np l u g b o a r d sw a s d e v e l o p e d i na d d i t i o n , t h e r a d i a t i o ni n t e r f e r e n c eb e t w e e np l u g b o a r d sw a s a n a l y z e db a s e do nt h et h e o r yo f f i e l d - t o - l i n e c o u p l i n g ，a n dt h e f o r m u l af o r c a l c u l a t i n g i n t e r f e r e n c e v o l t a g e w a s d e d u c t e d f i n a l l y , as e r i e s o fe f f e c t i v em e t h o d so fi n t e r f e r e n c e p r o t e c t i o nw e r e p r o p o s e d t h e s em e t h o d sw e r eu s e di nt h ea c t u a ls u p e r v i s o r ys y s t e ms u c c e s s f u l l y 华中科技大学硕士学位论文 i no r d e rt 0r c s e 盯c ht h ee m cq u a n t i f i c a t i o n a l l y , t h i s t h e s i sa p p l i e dt h en 啪e n c a l c a l c u l a 血gm e t h o d s t h ea n s y s s o f t w a r ew h i c hw a sb a s e do l lt h ef i n i t ee l e m e n t m e m o dw 孙u s e d t oc o m p u t et h ek e yp a r a m e t e r si nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l a n d t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gr a d i a t i o ni n t e r f e r e n c e t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sc a nb eu s e d t oi n s l l u c tt h ee m cd e s i g no f t h i sp r o j e c t k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ， c o m m o nm o d e i n t e r f e r e n c e ， r a d i a t i o ni n t e r f e r e n c e ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d n i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1电磁兼容性问题的研究意义 电器和电子设备的运行总是伴随着电磁能量的传递和转换，因而不可避免 地会有部分电磁能量通过各种途径耦合到邻近的其他部分或系统，并对本系统 和邻近的敏感设备或系统的工作产生影响。这种影响即所谓的电磁干扰 饵l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，简称e m i ) f “。电磁干扰能对人们的生产和生活造 成严重危害，主要有下列三个方面： ( 1 ) 对电子系统或设备的危害。大功率无线电发射机或者汽车、电气化铁 道的电力机车产生的电磁干扰，可使附近的通信、雷达、导航、广播、电视接 收机的信噪比大大下降甚至根本无法工作。设备的开关动作产生的电磁辐射能 使计算机工作失常。另外，雷电电磁脉冲每年都要酿成火灾、电气设备损毁、 通信线路中断等严重的后果。 ( 2 ) 对武器装备的危害。现代的无线电发射机和雷达能产生很强的电磁辐 射场。这种辐射场能引起武备系统中的灵敏电子引爆装置提早启动；对制导导 弹会导致偏离飞行弹道。国内外都发生过由于机载电子设备的干扰而引起飞机 偏航、损毁或意外投弹的事故。 ( 3 ) 对人体的危害。强电磁辐射照射人体，可使人昏迷：电磁辐射对人体 产生的致热及非致热效应可使人发生头痛、神经衰弱、生殖器官受损等各种病 理反应；电磁辐射在金属体上产生的感应电压可灼伤接触金属体的人体部位。 上述( 1 ) 、( 2 ) 方面是典型的电磁干扰问题，第( 3 ) 方面的问题通常又称 为电磁污染。 随着科学技术的发展和社会进步，人们在生产和生活中使用的电器及电子 设备的数量越来越多，致使我们面临的电磁环境越来越恶劣 2 1 、 3 1 。因此，电磁 干扰问题越来越受到人们的关注。 电磁兼容性( e l e c l r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简称e m c ) 研究就是研究如何减 少电磁干扰和如何防护电磁干扰问题。关于电磁兼容性的严格定义，国家军用 华中科技大学硕士学位论文 标准g j b 7 2 8 5 电磁干扰和电磁兼容性名词术语第5 1 0 条作了如下描述：设 备( 分系统、系统) 在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态即： 该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允 许的降级：它也不会使同一电磁环境中其他设备( 分系统、系统) ，因受其电磁 发射而导致或遭受不允许的降级嗍。由此可见，电磁兼容性是伴随着电子技术而 出现并发展的，凡是有电子技术的领域都离不开电磁兼容性a 电磁干扰存在的 普遍性决定了电磁兼容性研究的广泛性。为了造成一个良好的电磁环境，减少 各种相互干扰和电磁污染，有关国际组织和许多国家对电子、电气产品规定了 电磁兼容性质量标准，不满足电磁兼容性要求的产品不准进入市场。所以，每 种电子、电气产品在设计、生产、工艺等各阶段必须考虑电磁兼容性，并应进 行电磁兼容性测试和质量检查。目前，电磁兼容性已经成为一门与国民经济、 国防建设和人民生活休戚相关的学科。而且，随着生产的发展和科技的进步， 电磁兼容性的作用和地位将日益提高。 1 2 国内外电磁兼容性研究概况 早在3 0 年代，有关的国际组织为了保护音频广播即决定成立国际无线电干 扰特别委员会( c i s p r ) ，并于1 9 3 4 年召开首届全体会议。1 9 4 5 年，美国陆军和 海军颁布了用于控制机载电子设备的电磁干扰的规范：j a n i 一2 2 5 。j a n i - - 2 2 5 是世界上最早的军用电磁干扰规范之一。5 0 年代，由于大功率无线电装 置及导弹等含电爆装置的武器装备越来越多的投入使用，电磁辐射对武器、燃 油、人员的危害臼益显露出来，电磁兼容性问题进一步得到重视。进入6 0 年代 以后，美国等科技先进国家全面深入开展了电磁兼容性及其测试仪表、测试技 术等的研制工作，并制订了一系列军用及民用标准、规范。7 0 年代后，先进国 家对标准、规范进行了不断的修改、补充和完善。以美国军用标准m i l s t d - 4 6 1 设备的电磁干扰特性和要求为例，继1 9 6 8 年颁布4 6 1 a 之后，又研制了4 6 1 b 、 4 6 1 c 和4 6 1 d p j 。8 0 年代以来，电磁兼容性已成为十分活跃的学科领域，美国、 德国、日本、法国等许多国家在电磁兼容性标准与规范、分析预测、设计、测 量及管理等方面的研究均达到了很高水平，并取得了一系列成果。例如，已研 制成了可进行各种系统间e m c 试验的高精度电磁干扰( e m d 及电磁敏感度 华中科技大学硕士学位论文 ( e m s ) 自动测量系统：研制了系统内及系统间的各种e m c 计算分析程序，并 形成了一套较完整的e m c 设计体系。在电磁干扰的抑制技术方面，已经采用了 许多新材料、新工艺及规范的设计方法。一些国家还建立了对军品和民品的e m c 检测及管理机构，不符合e m c 质量要求的产品不准投入市场州。 我国对电磁兼容性理论和技术的研究起步较晚。过去，由于我国的工业基础 薄弱，电磁环境危害尚未充分暴露，对电磁兼容性的研究认识不足，使研究工 作与国际间的差距较大。8 0 年代以来，我国逐步开始组织系统的研究并制订国 家级和行业级电磁兼容性标准和规范，到目前己制定了3 0 多个国家标准和国家 军用标准。9 0 年代以来，随着国民经济和高科技产业的迅速发展，电磁兼容性 要求越来越高，我国更加重视电磁兼容性技术，投入大量人力物力建立了一批 电磁兼容性试验测试中心，在部分高科技产品设计制造过程中应用了e m c 技术， 如卫星设计、舰船制造等【7 j 。但是，目前我国的电磁兼容性研究多停留在某一实 际干扰问题的防护研究水平上，还没有成熟的e m c 分析、预测软件，与国外差 距较大。北方交通大学电磁抗干扰中心、北京邮电大学环境电磁学科研所、电 力科学研究院、武汉水利电力大学、清华大学等单位的研究具有一定的水平。 国家电力公司拟在武汉高压研究所和南电力京自动化研究院建立两个专门的实 验室，在华北电力大学进行部分基础理论研究【3 】。 迄今，许多电磁干扰问题仍在困扰、制约着人们的生产和生活，随着电技术 的迅猛发展，电磁环境问题将越来越严重，越来越复杂，电磁兼容性的重要性 越来越得到人们的重视。现在每年都有几次国际及国内的大型电磁兼容性会议 召开，各种工业学会都成立了自己的电磁兼容性分委员会。电磁兼容性专业原 来是电子学科的- f - j 分支，但由于它涉及机械、电气、电子、计算机、化工、 动力、燃料、武备、生物、材料、航空、航海等各领域，因此，它已发展为一 门新兴的、独立的、跨行业的学科，二十一世纪它将获得更加迅速的发展。 1 3 课题来源 1 3 1 神光i i i 能源模块概述 本课题来源于国家8 6 3 计划4 1 6 主题( 神光装置) ，主要任务是研究神光 华中科技大学硕士学位论文 能源模块中监测与控制系统的电磁兼容性问题。下面我们就神光能源模块 及其对监测与控制系统电磁兼容性要求作一叙述。 神光激光装置是国家8 6 3 计划4 1 6 主题的一部分，该巨型固体激光装置 用于我国激光核聚变的研究，其研究目的是为了和平利用核能。和平利用核能， 在理论上有裂变和聚变两种途径。裂变所需的原料铀2 3 5 不能再生，而且会产 生核废料，容易对环境造成污染，目前世界上投运的核电站都采用这种原理。 聚变以海水中的氘氚为原料，取之不尽，且不会产生核废料，是可以永续利用 的绿色环保能源。但由于一系列技术难关未能突破，世界上至今没有商业化的 聚变核电站。目前世界各国都在进行核聚变研究，以期达到和平利用可控聚变 能的目的。聚变研究分为惯性约束和磁约束两种途径。前者最新的研究动向是 采用激光实现惯性约束，其中又分为直接驱动和间接驱动。激光直接驱动核聚 变是指数十到数百路强激光同时( 脉宽一般为i n s ) 直接打在充满氘氚气体的靶 丸上，以实现温度数百万度，密度达2 0 倍铅密度的聚变条件。靶丸直径小于 1 0 0 t m ，壁厚小于劫朋。要实现核聚变，靶丸上的能量密度必须达到1 0 2j j c m 2 。 要达到这么大的能量密度，激光束必须进行功率放大，放大器的能量即来自于 激光装置的能源系统。 当前国际上在建的惯性约束聚变固体激光装置及主要参数见表1 1 嘲。 表l l 建造中的惯性约束聚变固体激光装置及其主要参数 去年年底，中国目前最大的激光聚变装置神光i i 号在中科院上海光机所通 过验收。神光激光装置是继星光系列和神光i 、i i 型装置之后开发研制的新一 代激光装置。神光能源系统是神光激光装置的一个重要组成部分。它作为 激光片状放大器的泵浦源，通过对多组氙灯放电输出多路大功率脉冲电流。氙 灯产生的强光通过放大器把能量传递给激光束。 神光能源系统采用模块化结构，每个能源模块输出l o 路脉冲电流，单路 4 华中科技大学硕士学位论文 脉冲电流峰值1 5 k ：l ，总电流峰值达1 5 0 k i ，脉冲电流脉宽约为5 0 吣 与已有的大型激光装置相比，神光h i 能源系统单个模块的容量更大，工作 电压更高。尤其是神光能源系统采用模块化结构，各能源模块的监测与控制 系统置于模块内部，因此要在极强的电磁干扰环境下工作 本论文就是以此为背景，研究强电磁干扰环境下的电磁兼容性问题，目的是 为了保证整个神光能源系统准确、可靠地工作。这也就是是本论文的意义所 在。 1 3 2 神光i i i 能源模块监控系统对电磁兼容性的要求 神光i i i 能源模块采用预电离泵浦工作方式1 2 j 电路包括预电离和主泵浦电 路两部分，其结构原理框图如图1 1 所示。整个能源模块由控制组件、充电组件、 储能电容器、开关组件、脉冲成型组件( 调波电感) 以及十路氙灯负载组成， 在控制组件的统一控制下，通过各自能量传输电缆为氙灯组提供泵浦能量。 模块工作流程如下：控制触发预电离引燃管使预电离电容器通过脉冲成型组 件产生高压脉冲，此脉冲提供大约l 1 5 的能量，使氤灯预电离：在预电离脉 冲5 0 _ q 0 0 u s 后主电容器放电，主泵浦电路为氙灯提供脉宽为5 0 0 s 的主脉冲。 在系统每次发射之间，由预电离电路完成低能预电离检验，以检验氙灯是否失 效。 神光i i i 能源模块监控系统电磁兼容性的总目标是使整个神光能源系统运 行可靠，控制有效，操作灵活，测量准确。根据上述要求，该监控装置的电磁 兼容性应当保证在强电磁干扰环境下能完成如下任务：分布式高速高精度同步 数据采集；可靠准确的同步触发：高可靠性实时通信；系统故障保护。其中最 重要的是可靠准确的同步触发。由于在预电离脉冲5 0 - - 4 0 0 后才能触发主泵浦 电路的主脉冲，所以监控装置应当绝对避免在预电离触发的同时误触发主放电。 华中科技大学硕士学位论文 图1 = 1 神光1 1 1 能源模块结构原理框图 1 4 本论文的主要工作及章节安排 神光能源模块设备复杂，预电离和主放电过程中产生的电磁脉冲干扰随负 载情况、电缆摆放位置、运行模式而变，因而不可能对整个监控系统的电磁兼 容性建立精确的数学或物理模型。 本文在全面系统地总结现有成果的基础上，针对该装置运行过程中最关键的 电磁兼容性要求构建了监控系统内部简化的干扰耦合模型，应用基于有限单元 法的a n s y s 软件对该模型进行了三维仿真分析，并求出了关键参数，最后提出 了一系列抗干扰措施。实际运行情况证明这些措施是非常有效的。 全文的章节安排如下： 第一章指出了电磁兼容性的定义和研究意义，概述了该学科的国内外研究发 展情况，简要介绍了本文的课题来源神光能源模块监控系统的研究意义、 工作原理和对电磁兼容性的要求。最后说明了本文的主要工作和章节安排。 6 华中科技大学硕士学位论文 一ii l i r a i i i i ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺 第二章主要介绍电磁兼容性的原理和技术。对电磁兼容性研究的基本内容 和基本方法、电磁干扰源、电磁干扰传播途径、抗干扰措施等作了阐述。 第三章对神光能源模块监控系统插件间的共模干扰和辐射干扰进行了分 析，构建了共模干扰耦合的简化等效电路模型，应用偶极辐射原理对印制线的 辐射干扰进行了计算，并提出了一系列抗干扰措施。 第四章的主要工作是模型的仿真和参数计算。介绍了各种工程电磁场计算方 法和基于有限元法的a n s y s 软件，说明了应用a n s y s 对所建模型进行仿真和 参数计算的过程，最后给出了计算结果。 第五章对全文进行了总结，概括了本论文的主要工作及研究成果，指出了今 后有待进一步开展的工作。 华中科技大学硕士学位论文 2电磁兼容性原理和技术 2 1电磁兼容性研究的基本内容 电磁兼容性的研究是围绕构成电磁干扰的三要素( 干扰源、干扰传输途径和 受干扰对象) 进行的。即研究干扰产生的机理、干扰源的发射特性以及如何抑 制干扰的发射；研究干扰以何种方式通过什么途径传播，以及如何切断这些传 输通道；研究受干扰对象对干扰产生何种响应，以及如何提高其抗干扰能力。 围绕这些问题可把电磁兼容性研究的基本内容分为以下几个方面： 1 电磁干扰特性及其传播方式的研究。为了控制电磁干扰，人们试图弄清干 扰的特性和它的传播方式，从而这方面的研究成了电磁兼容性研究的热点。例 如，文献 9 】提出了一种基于小波包的干扰信号特征提取和分类的新技术，该技 术能帮助判断可能的电磁干扰因素；文献【1 0 提出了一种用于研究在非规则结构 中传播的无线电波的实验室模型：文献 11 】研究了5 0 0 k v 变电站的电磁干扰源和 防护措施；等等。 2 受干扰对象的研究。这主要是研究受干扰对象对干扰的响应以及与抗干扰 能力有关的指标。研究对象涉及通信、导航、雷达、广播、电视、信息处理、 遥控遥测、自动控制等很多领域中的电磁敏感设备。此外电磁场的生态效应也 是电磁兼容性研究的重要内容之一f l 2 】0 3 。 3 电磁兼容性分析、预测和设计的研究。其中电磁兼容性预测研究可以分为 三个级别，第一个级别为芯片级，目前芯片的最高工作频率已达2 4 g 舷，芯片 内部的电磁兼容性问题十分突出。国外对于芯片封装技术的研究十分火热1 1 4 】 1 5 】 【1 6 l 。第二个级别为元件级，例如芯片之间耦合，线缆之间耦合等【1 7 1 、 1 8 1 【19 1 。第 三个级别为系统级，例如对一架飞机、一艘舰船等装有多种电子设备的系统进 行电磁兼容性设计f 2 0 】1 2 l 】。目前国际上在任何一个级别都还不能做到完全的电磁 兼容性预测，但是国外在这方面的研究水平远远领先于国内。 电磁兼容性预测和分析的关键在于数学模型的建立和计算机分析程序的编 制。数学模型包括根据实际电路、布线和参数建立起来的干扰源、传播途径和 华中科技大学硕士学位论文 受干扰对象模型分析软件应能计算干扰源通过可能的传播途径对每个受干扰 对象的影响，并判断这些综合影响的危害是否超过了相应的标准或设计指标。 在产品的设计阶段，实际系统尚不存在，工程人员进行电磁兼容性分析只能 依靠建立数学模型，而且根据研究对象的不同要分别建立模型。常用的数学建 模方法包括矩量法，有限单元法，有限差分时域法，传输线矩阵方法等吲。其 中有限单元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 是最常用的电磁场数值求 解方法【2 3 】，而有限差分时域法( f i n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ，简称f d t d ) 是 目前国际上研究最热的电磁兼容性建模方法【2 4 】，最近在f d t d 方法方面的研 究方向是增强建立曲线三维电磁散射或辐射问题的模型的能力。另外，在算法 方面也有不少研究。 至于分析程序，美国为其航空、航天和尖端武器产品所开发的电磁兼容性分 析软件已经得到了实际应用。目前美国已向外公开推出的电磁兼容预铡软件有 i e m c a p ( 系统内电磁兼容分析程序) 和s e m c a p ( 系统问电磁兼容分析程序) 。这 两个软件是美国最早研制的电磁兼容预测程序的原型。美国m s c 公司是世界上 最大的软件开发和供应商，近几年它在电磁兼容应用软件上也有所发展，先后 开发出了e m a s 、a r i e s 、u w a v e l a b 等电磁兼容软件1 2 7 。上述软件的功能只 涉及电磁兼容预测的某些方面，严格说它们只是针对某一方面的电磁兼容问题 而开发的应用软件，而不是电磁兼容预测软件。由于这些软件售价动辄上百万 美元，所以我国迫切需要开发具有自主产权的电磁兼容性分析软件。 4 电磁兼容性控制技术的研究，也可以称为干扰抑制技术的研究。屏蔽、滤 波、隔离和接地是其四项最基本的技术，主要用来切断干扰的传输途径。目前 我国电磁兼容性的研究主要集中在这一部分，而且大多是基于定性的分析2 8 】、 【2 9 】f 3 0 】1 3 1 】口2 】 3 3 】i 蚓- d 5 。定性分析的弊端在于一旦达不到电磁兼容性设计的定 量要求，就不得不重新进行设计，造成巨大浪费。国外在进行电磁兼容性设计 时往往先构建电磁兼容性分析数学模型，然后利用现有软件或编制软件进行分 析，最后根据分析结果采取相应的措施1 3 6 1 3 7 。 5 电磁兼容性规范、标准的研究。国际民用标准基本上以c i s p r 标准为蓝 图，军用标准主要参照美国军标m i l s t d 。标准和规范是电磁兼容性设计的主 要依据，是根据前人的无数实践经验和理论研究制定的，对于电磁兼容性研究 的发展意义重大。所以制订和执行标准本身也是解决电磁兼容性问题的一种重 9 华中科技大学硕士学位论文 要措施。标准的制订是在大量调查研究的基础上进行的，同时还要考虑到国内 和国际的协调合作问题。文献【3 8 】、 3 9 介绍了最近颁布的一部分关于电磁兼容 性的美国国家标准。 6 电磁兼容性测试和测量的研究。由于电磁环境很复杂，频率范围宽广，干 扰特性各不相同，很难控制。因此，对于电磁兼容技术来说。其理论计算结果 更需要实际测量来检验。正如国内外一些专家所指出的“对于最后的成功验证， 也许没有任何其他领域象电磁兼容领域那样强烈的依赖于测量”。电磁兼容性测 试不但项目繁多，而且还在不断地深化和扩展之中，这就要求不断改进和完善 测试技术，研制适合于电磁兼容性测试的各种检测仪器设备和测试场所。文献 4 0 1 、【4 1 、【4 2 】、【4 3 】在各自的领域内提出了先进的电磁兼容性测试方法。 7 电磁频谱的分配与管理。无线电频谱资源，是人类的重要资源。它是一种 有限的自然资源，但同时也是一种比较独特的资源。无线电频谱是不可见的， 它虽是有限的，但不是消耗性的，因此不利用它或不充分利用它是对这一资源 的浪费。无线电频谱各频段传播特性的不同又会因使用不当而造成本身利用率 的下降或干扰影响其他信道而再次造成资源的浪费。因此对这一宝贵而特殊的 资源，既要科学地管理，又要达到最有效的应用。各国为了保护各科技领域的发 展，建立专门机构，进行科学的频谱分配与管理，并对那些产生无线电干扰的设 备，如家用电器及工业电器系统所辐射的杂波加以严格限制，以确保无线电的 良好电磁环境1 4 4 。 2 2 电磁干扰源与传播途径 2 2 1 电磁干扰源及其特性 电磁干扰源可以分为两大类：自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源包括地 球上各处雷雨、闪电产生的天电噪声，太阳黑子爆炸和活动产生的噪声以及宇 宙噪声。天电噪声的能谱一般集中在2 0 m h z 以下，即对在2 0 m h z 以下工作的电 子设备影响较大。宇宙噪声的能谱在2 0 5 0 0 m h z 频率范围内，所以它主要影响 工作在该频率范围内的电子设备。天电干扰是有季节性和区域性的，一般在夏 季和热带区域尤为严重。由于雷电的强度很大，所以即使远离雷电区，其干扰 1 0 华中科技大学硕士学位论文 场强仍相当可观。地球上平均每秒钟发生的闪电约有1 0 0 次左右，遥远的雷电 产生的干扰可以认为是波动的，临近的雷电干扰则是脉冲型的。 根据干扰产生的原因，人为电磁干扰源主要有以下几种： 1 由于放电产生的干扰。各种放电现象都要产生高频辐射，在电线上引起 电流及电压的冲击，这种高频辐射和电压电流的冲击就形成了对其他电路干扰。 放电干扰包括电晕放电、气体放电、弧光放电、火花放电等。 2 由电路断开或接通产生的电压或电流的急变( 脉冲) 而造成的干扰。造 成这种干扰的设备包括：有触点设备( 继电器、开关、各种断电式设备) ，直流 与交流整流子电机，脉冲功率装置等。 3 由于电路中电压与电流脉冲振荡形成的干扰。产生这种干扰的设备有： 脉冲振荡器、脉冲调制器、脉冲放大器、多谐振荡器、触发器、脉冲计数器、 脉冲变频器和脉冲整流器等。 4 由于磁性元件的磁饱和使电压和电流的正弦波形失真而造成的干扰，这 类器件包括：磁放大器，磁性逻辑元件，电流互感器等。 5 由于高频或低频振荡的谐波分量造成的干扰。例如振荡器，倍频器与分 频器，变频与混频器，功率放大器等。 6 由于各种缺陷而造成的干扰。例如：触点和带滑环线路的接触不良以及 触点不清洁、不完全贴紧、扭曲等引起电压和电流的急变或脉冲；高压导体和 零件有毛刺和尖端，不清洁以及绝缘子缝引起的电晕放电；电气设备绝缘的击 穿或急剧变化而造成的寄生电流和电压：电机、变压器、结构上的缺点造成的 电流与电压曲线的失真；放大器的过载，或工作在电子管或半导体器件工作特 性的非线性部分而造成电流与电压曲线的失真等。 7 由二次辐射产生的干扰。电磁波在传播过程中，碰到各种建筑物，金属 构件及各种设备时，将在其表面上产生感应电荷及感应电流，这些感应源在空 间还将产生电磁场，叠加在原信号上而形成干扰，如电视机信号的重影等。 从产生干扰的设备来看，可以分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。有 意发射干扰源是专用于辐射电磁能的设备，例如广播、通信、雷达、导航等发 射设备。它们通过向空间发射有用信号的电磁能量来工作的，对不需要这些信 号的电子系统或设备构成功能性干扰，是电磁环境的重要污染源。这类干扰源 具有以下特点：发射功率高，电磁能量大，广播电视信号的发射功率为数十干 华中科技大学硕士学位论文 瓦，远程脉冲雷达的发射功率可达十兆瓦以上；工作在指定的频段上：电磁能 量具有方向性；会产生谐波发射、寄生发射和噪声发射等无用信号。构成无意 发射干扰源的装置的发射可能是向空间的辐射，也可能是沿导线的传导发射， 发射的电磁能可能是随机的，或是有规则的，一般占有非常宽的频带或离散频 谱，所发射的功率可从微微瓦到兆瓦量级。这些装置包括用于工业、科学、医 疗及生活中的高功率设备，电力机车等等。 此外还有一类干扰源应当引起重视：静电放电干扰。静电放电是物体( 人 体、飞机、车辆、设备等) 上所积累的静电荷以电晕电流( 约1 0 0 # a ) 或火花形 式的放电，所产生的电压可达4 0 1 0 0 0 k n 电荷量0 0 4 l m c 。静电放电不仅 干扰电子系统的工作，而且能造成设备失灵，器械损坏等永久性故障，还能引 起燃料及弹药的燃烧及爆炸。 为了确定干扰源在空间所产生的干扰效应，必须确定干扰所产生的电磁能 量的空间、时间及频率分布，该分布可用功率密度表示为 p = ，( ，r ，e t ) 式中p 表示为在，时刻和咖方向的月距离上，发射频率为厂的功率密度，也称为 发射源的发射率。有意发射干扰源的辐射干扰空间分布是比较容易计算的： p d = p o g ( o ，) 上。 式中肋为干扰发射密度( w m 2 ) ，p o 为干扰发射机的输出功率( 矽) ；g ( 6 l 圣) 为发射天线在( 6 l 圣) 方向的增益系数；厶为传输路径损耗，在自由空间中的路 径损耗为：l ，= ( = ) 2 其中r 为某点距发射天线的距离( 用) 。对于无意发射干 扰源，无法从理论上严格计算，经统计测量可得到一些无意辐射源干扰场分布的 有关数学模型及经验数据。例如，对于高压输电线，其干扰电平随距离电力线 的横向距离的相对变化可用下式来表示： = n o + 2 0 k l g 了d o 式中n o 为距导线最近的距离d o - - - - 2 0 m 时的噪声电平：单位为d b a v m 。系数k 介 于1 和2 之间，它与导线的种类和频率范围有关，单位为d b i x v m 。对于随机干 扰，只能用指定值出现的概率来表示。例如对于汽车点火系统在1 0 0 m h z 到 1 0 0 0 m h z 频率范围内，概率为5 0 的中值干扰场强可用下式表示： e = 3 4 + 1 0 1 9 b r + 1 7 l g c 一2 0 l g r 一1 0 g f 式中e 为中值场强( 概率5 0 ) ( d b 9 v m ) ：歙为接收机通频带( k i t z ) ；c 为 1 2 华中科技大学硕士学位论文 车辆频度( 辆分) 厂为频率( m h z ) 1 6 l 。 按照干扰能量的频率分布特性可以确定干扰的频谱宽度，根据其干扰的频 谱宽度，可分为窄带干扰和宽带干扰。在电磁兼容性学科领域内，带宽是相对 接收机的带宽而言。有意发射干扰源干扰能量的频率分布，可根据发射机的工 作频带及带外发射等特性得出，而对于无意干扰源，则用统计规律来得出经验 公式和数学模型。例如高压输电线电晕放电干扰的频率分布特性可用下式来表 示【6 】： ( 厂) = n o + 5 1 1 2 0 ( 1 9 f ) 2 】 式中 0 为，三o 5 姗z 时的噪声电平：厂为以蝴z 为单位表示的频率；n 为噪声电 平，单位为d b , “v m 。 研究干扰源的特性，还应当研究干扰的波形和时间分布。 2 2 2 电磁干扰的耦合与传播 电磁干扰能量总是通过一定的方式从干扰源传播到受干扰对象，电磁兼容 性学科将其称为耦合。耦合分为传导和辐射两类。干扰可以通过多种途径从干 扰源传播到受干扰对象，这些途径包括：公用导线( 公用电源线、公用地线等) ， 设备间的电路，相邻导线间的互感，以及通过空间辐射的近场及远场耦合等。 有些干扰可以通过传导和辐射两种形式来传递电磁干扰能量，称为复合耦合。 2 2 2 1 传导耦合 传导耦合包括线路本身的电路性耦合和通过导体间的电容及互感而形成的 干扰耦合。 当两个电路回路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路回路的电流在该公 共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路回路，这就是电路性传导耦合，也 称为共阻抗耦合。地线阻抗可以形成这种耦合。在设备的公共地线上有各种信 号的电流，并由地线阻抗变化成电压，当这部分电压构成低电平信号放大器输 入电压的一部分时，公共地线上的耦合电压就被放大并成为干扰输出。公共电 源内阻及公共线路阻抗也可以形成共阻抗干扰。当同一电源给几个电路供电时， 华中科技大学硕士学位论文 某一电路的输出电流，流经电源而由电源内阻及公共线路的阻抗交换为电压， 耦合到其他电路成为干扰电压i ”。 电容耦合也称为电场耦合，是通过导线间的分布电容使某一电路对另一电 路形成的电力线交链。电路工作频率越高，电容耦合越明显。为了抑制电容耦 合干扰，有效的办法是减小祸合电容。 而电感性耦合是由于干扰源的电流产生了变化的磁场，在邻近回路中引起 变化的磁通，从而在该电路中产生了感应电压。这种耦合是通过互感m 进行的， 所以也称为互感耦合。 实际系统中，上述三种耦合都存在，电容和互感也是同时存在的，当耦合 程度较小且只考虑线性电路分量时。电容耦合( 电耦合) 、电感耦合( 磁耦合) 的电压可以分开计算，然后再找出其综合干扰效应。 2 2 2 1 辐射耦合 任何载有时变电流的导体都能向外辐射电磁场，同样。任何处于电磁场中 的导体都能感应出电压。因此，系统内的每根金属线在某种程度上都可起发射 和接收天线的作用。在一个设备内部，许多元件集中安装在狭小的空间内，通 过电磁场产生的耦合是很显著的。 要研究辐射耦合，首先必须分清电磁波传播的近场区和远场区。 在已知电流分布的情况下直接利用m a x w e l l 方程组求解空间电磁场的分布 和传播是很困难的。为此，人们引入了一个中间变量动态矢量磁位以。根据 m a x w e l l 方程组并且令v 一= 一埘! 竺可以得出求解动态矢量磁位的达朗贝尔 方程如下： v 2 4 一胪睾叫& 式中以为电流密度，f 和e 分别电磁场介质的介电常数和磁导率。 研究辐射问题时，常把天线作为产生电磁波的辐射源。实际的线形天线可 以看成由许多单元辐射子( 或称为偶极子) 串联而成，天线所产生的电磁场可 以看成是这些单元辐射子所产生的电磁场的迭加。设单元辐射子长度为4 ，电 流元电流为角频率为的正弦波，电磁波传播媒质为真空，则可采用极坐标， 1 4 华中科技大学硕士学位论文 根据动态矢量磁位计算辐射场l 瞬时值结果如下： h ，= 二x 4 ) ，= 0 风 日。= 二彳) 口= 0 o m 力= 粤笋 - 吉s i n ( c o t - 舻寿c o s ( o 谢- 矽， 她归乞警删 万1c o s t 耐喇+ 万1s 酗训 岛c 喇，= , f 1 。3 嚣s i 。n o l 出 一s i n ( 耐- p ，+ 万乒1 c o s c 科一矽，+ 万1s 岖倒一矽， e 。( ，) = 0 式中口= 6 0 v ，称为相位常数；表示正弦电流的角频率，v 为电磁波的传播速度。 考察以上各式，可知场强的各分量包含的项分别与b r 、矿，和矿，成反比。因此， 当缈取不同值时，各项所起的作用不同。因为矽；= r = 2 疗( a 为电磁波的 波长) ，所以在辐射子以外的场点上，电场强度和磁场强度的表达式随着该点和 单元辐射子之间的距离不同而不同。在矽 1 或r l 的区域，称为远场区( 辐 射区) ，在所 l 或， 的区域，称为近场区( 似稳区) 。在远场区，场量中起 主要作用的是矽的低次方项，因此可以忽略矽的高次方项和西，场量表达式近 似为： 一， ， ， 坟( r ，) 二j 芷f l s i n o s i n o j ( t 一二- ) 珥力v 一，a ， ， e d ( r ，f ) “_ 卫= 卢2s i n o s i n a ) ( t 一二) 4 ，第o 甜。 v 由场强相位相同的点构成的面称为等相面，等相面为球面的波称为球面波，等 相面为平面的波称为平面波。单元辐射子在远区内激发的电磁波为球面波。在 近场区，劈的低次方项相对可以忽略，因而场量的各分量可近似用式( 2 1 ) 表示。 当电磁波照射到传输线上时，将出现场到线的耦合问题，沿线引起的分布 小电压源可分解为共模( c o m m o nm o d e ) 和差模( d i f f e r e n c em o d e ) 分量，如图 2 1 所示。共模和差模分量将分别在导线中产生共模电流和差模电流。所谓共模 华中科技大学硕士学位论文 耻f ) z 筹s i n s c o s 耐 e ，( ，f ) * 2 - 腮i 。= 卯a i ，c o s o s i n 甜( 2 一1 ) 眦d z 考枷咖肼 电流是指两导线上振幅相差很小而相位相同的电流，差模电流指两导线上振幅 相等而相位相反的电流，共模也称天线模，差模也称传输线模。只有差模电流 在端接阻抗中流动，共模电流在传输的两个终端为零。 圈2 - 1 共模电流与差模电流 设接地平面上的传输线被一平面波照射，如图2 2 所示，h 为传输线距地面高 度，为线长，在低频情况下，| j l 2 ，如果导线受到与导线平行的电场的激励， ( a ) 共模耦合( b ) 差模耦合 图2 2 场对线的共模耦合与差模耦合 1 6 华中科技大学硕士学位论文 ! ! 竺竺! ! ! ! 烹ii i 竺苎竺! ! ! ! ! ! 苎! 苎苎苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 则导线上感应的开路电压为： d = i 肋m 由 式中，言为导线上切向电场强度相量，对于图2 - - 2 ( a ) 所示的情况，当电磁场的 入射方向在回路所在的