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电磁干扰与电磁兼容技术电磁兼容原理 技术和应用邹澎 清华大学出版社 主讲 马力 第一章绪论第二章电磁干扰第三章电磁敏感性第四章电磁兼容第五章电磁兼容测量第六章抗干扰技术第七章电磁兼容设计简介第八章通信系统的电磁兼容第九章计算机系统的电磁兼容第十章雷电及防雷技术 第一章绪论 1 1电磁能的广泛应用 随着科学技术的发展 越来越多的电子 电气设备进入了我们生活和生产的各个领域 例如 1 通信 电话 电报 传真 无线通信 微波通信 光纤通信 卫星通信 2 广播电视 中波广播 短波广播 调频广播 电视广播 数字广播 3 家用电器 各种家用电器都要利用电磁能量 例如 电磁炉 微波炉 遥控玩具 4 生物医学 灭菌 食品 流动票券 饲料 诊断 CT x射线 磁共振 超声 理疗 高频 微波 手术 激光手术刀 微波手术刀 5 工业应用 电解 电解铝 生产电石 电镀 加热或烘干 微波或红外 高频炉 电炉 炼钢 灭虫 木材 卷烟 遥控 遥测 遥感 6 农业应用 灭虫 种子 育苗 磁化水 7 电磁检测 防盗 探测文物 无损检测 测厚 测湿 测温 测速 8 雷达 导航 航空 航海 气象预报 交通管制 9 军事应用 雷达 电子对抗 电子干扰 反干扰 激光武器 电磁武器 10 射电天文学 天文观测 这些设备在正常运行的同时也向外辐射电磁能量 可能对其他设备产生不良的影响 甚至造成严重的危害 这就是电磁干扰 据统计 全世界空间电磁能量平均每年增长7 14 在有限的空间和有限的频率资源条件下 由于各种电子 电气设备的数量与日俱增 使用的密集程度越来越大 电磁干扰的严重性就越来越突出 1 2电磁辐射的危害 电磁能的广泛应用一方面推动了社会的进步 丰富了人类的物质文化生活 同时也使空间各种频率的电磁辐射越来越强 对人类造成了危害 干扰广播 电视 通信信号的接收 干扰电子仪器 设备的正常工作 可能造成信息失误 控制失灵等事故 可能引燃一些易燃易爆物质 引起爆炸和火灾 较强的电磁辐射对人体的健康有很大的影响 例1 美国研制B1轰炸机时电子设备之间的电磁干扰 B1轰炸机的机头上装有大量的电子设备 分离试验时这些设备都符合技术标准 把这些设备装上机头再测试 许多设备的性能大幅度下降 经过专家们大量的试验和分析 发现是由于这些设备之间相互的电磁干扰造成的 例2 民兵 导弹的飞行故障 1962年 民兵 导弹进行实弹飞行试验时 前两次都失败了 故障现象相似 都是在第 级发动机关机前炸毁了 一个高度为7 6km 另一个为21 8km 炸毁前 用于制导的计算机都受到了脉冲干扰 经过分析和试验 发现故障是由于导弹飞行到一定高度时 在相互绝缘的弹头和弹体之间发生了静电放电 使导弹提前爆炸 例3 英国谢菲尔德号导弹驱逐舰的惨剧英阿马岛战争中 英国谢菲尔德号导弹驱逐舰上的雷达和通信系统互相干扰 为了确保通信不受干扰而暂时关闭了本舰雷达 导致没有及时发现来袭的飞鱼导弹 造成舰毁人亡的后果 例4 广州白云机场的导航系统受到严重的干扰 2002年1月20日 广州白云机场由于附近无线寻呼台发射机群信号的干扰 互调 带外辐射 迫使导航系统关闭通信扇面 导致大量的飞机在空中盘旋等待 使九十多架航班延误 6000多旅客滞留机场 类似事件我国已发生多起 美国航空无线电委员会 RTCA 也曾在一份文件中提到 一位旅客在飞机上使用调频收音机使飞机导航系统的指示偏离10 以上 例5 电磁辐射对人体的影响 1 生物体对电磁辐射能量的吸收 电离辐射和非电离辐射电磁辐射的量子能量w hf 其中是普朗克常数 f是频率 Hz 量子的能量可以使原子和分子电离 电离辐射 例如X射线辐射 射线辐射 量子的能量不能使原子和分子电离 非电离辐射 电磁干扰和电磁污染属于非电离辐射 比吸收率 SAR 定义 生物体单位时间内 单位质量吸收的电磁辐射能量 W kg p 功率密度 即单位时间 单位体积内的电磁辐射能量 生物体的密度 电导率E 生物体内的电场强度振幅 生物体吸收辐射场能量 引起体温 或局部体温 升高 谐振吸收当辐射频率与生物体 或某些器官 例如眼睛 大脑 的固有频率谐振时 吸收最强 人体固有谐振频率的范围大约为30M 3000MHz 一般成年人的谐振吸收频率约为400MHz 2 电磁辐射对人体的影响目前 一般认为电磁辐射对人体的影响包括三个方面 热效应辐射功能密度S 10mW cm2 E 110V m 人体吸收的辐射能转化为热量 超过人体体温调节能力时 会引起人体 或局部组织 体温明显升高 或引起生理功能紊乱 热效应首先损伤人体上对热比较敏感的器官 S 10mW cm2 不会引起体温明显的升高 但可能使体内局部小范围内出现显著的能量吸收 谐振吸收 引起生理功能的障碍 非热效应S 1mW cm2 E 61 4V m 长时间照射不会引起体温明显的升高 但会出现烦躁 头晕 疲劳 食欲不振 失眠 记忆力减退 脱发 白血球升高 植物神经功能紊乱 脑电图和心电图的变化等症状 这些一般称为电磁辐射的非热效应 这些症状在脱离辐射源后一般是可以逐渐恢复的 三致作用 致癌 致畸 致突变作用 这是电磁辐射的远期效应 在国内外已经引起了重视 但尚无一致的意见 一些研究者的实验表明 长时间的电磁辐射可能诱发癌症 也可能引起染色体的畸变 具有致畸 致突变作用 决定电磁辐射对生物体影响程度的几个因素 a 场强与作用时间 b 频率 在谐振吸收频率处 影响最大 一般是频率升高 影响增大 微波段影响最大 c 与辐射源的距离 对于偶极子天线 在天线近区E 1 r3 在天线远区E 1 r 辐射场强随距离的增大迅速衰减 影响减小 d 环境温度和湿度 温度高 湿度大 生物体不易散热 脉冲波比连续波的影响大 e 与人体状况的不同而有所差异 人身体条件以及性别 年龄不同 电磁辐射对机体的影响也不相同 电磁辐射防护限值 国家标准 电磁辐射防护规定 GB8702 88 中规定的公众辐射限值为 公众辐射限值是指在一天24小时内 电磁辐射场量在任意连续6分钟内的平均值应符合表中的要求 全身平均的比吸收率 SAR 应小于0 02W kg 1 3电磁兼容性概述 1 电磁兼容的定义 采用一定的技术手段 使同一电磁环境中的各种电子 电气设备都能正常工作 并且不干扰其他设备的正常工作 这就是电磁兼容 英文 ElectromagneticCompatibility 缩写为EMC 在国家标准GB T4365 1995中对电磁兼容严格的定义是 设备或系统在其电磁环境中能正常工作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 2 电磁兼容研究涉及的领域 误解 很长时间以来 人们错误地认为干扰抑制技术是纯经验的实验技巧 EMC设计已发展为一门多学科的 综合性的学科分支 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 三方面的含义 1 电磁环境应是给定的或可预期的 2 设备电磁骚扰发射符合标准要求 3 应满足电磁敏感性 EMS 或抗扰度 Immunity 限值要求 为了实现仪器设备之间的电磁兼容 国家针对各种电子 电器产品已经颁布了一系列强制性的电磁兼容执行标准 电磁兼容技术贯穿于电子 电器产品设计 制造 检验 销售的全过程 电磁兼容性学科研究的内容主要包括 电磁骚扰源 骚扰信号的特性 骚扰信号的传播 被干扰设备 接收器 的研究 电磁兼容测量技术的研究 电磁兼容性分析和预测 抗干扰技术的研究 电磁兼容性设计 信息设备电磁泄漏及防护技术 电磁脉冲及其防护 电磁兼容标准和规范的研究 郑州大学信息工程学院自1986年以来一直从事电磁环境和电磁兼容的研究 承担和完成国家自然科学基金项目一项 国家环保局项目一项 河南省和省教委科技攻关项目和自然科学基础研究项目多项 在环境电磁场的测量 理论计算和预测 包括建立数学模型 编制计算程序和应用软件等 电磁兼容的理论分析 计算 测量和应用技术等方面都有比较深入的研究 已经形成一个很有特色的研究方向 电磁骚扰源 电磁干扰分析 第二章电磁干扰2 1电磁干扰概述2 2电磁骚扰源2 3骚扰信号的特性2 4骚扰信号的传播 2 1电磁干扰概述 2 1 1定义 国标GB T4365 1995 电磁骚扰 任何可能引起装置 设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象 1 电磁骚扰可能是电磁噪声 无用信号或传播媒介自身的变化 2 进入九十年代 IEC60050 161 扩大了电磁骚扰的范畴 过去仅指电磁噪声 现在电磁骚扰还包括了无用信号 2 1电磁干扰概述 2 1 1定义 国标GB T4365 1995 电磁骚扰 任何可能引起装置 设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象的电磁现象 例1 对于受寻呼台干扰的电视频道而言 该寻呼台信号对寻呼系统是有用信号 但对被干扰的电视频道则为无用信号 例2 此外电磁骚扰还包括了传播媒介自身的变化 这属于无源骚扰 对短波通信电离层的变化 对微波通信空气中雨 雾的影响等 2 1电磁干扰概述 2 1 1定义 国标GB T4365 1995 电磁干扰 电磁骚扰引起的设备 传输通道或系统性能的下降 电磁骚扰仅仅是电磁现象 即指客观存在的一种物理现象 它可能引起降级或损害 但不一定已经形成后果 电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果 过去在术语上并未将物理现象与其造成的后果划分明确 统称为干扰 interference 进入九十年代 IEC60050 161 于1990年发布后 才明确引入了disturbance这一术语 2 1 2电磁骚扰的分类 一 按场的性质分类 电场骚扰 磁场骚扰 电磁辐射骚扰 二 按传播途径分类传导骚扰 通过电路耦合的骚扰 例如导线传输 电容耦合 电感耦合 辐射骚扰 通过空间传输的骚扰 例 图2 1 三 按骚扰的来源分类 1 自然骚扰 雷电骚扰 雷电放电时 电场强度达到10000V cm以上 闪电通道中的电流平均可达几万安培 最大可达20万安培以上 放电时间在ms s数量级 一次闪电释放的能量就有几万千焦耳 骚扰信号的频率主要在10 100kHz 最高也可以达到100MHz以上 宇宙骚扰 来自太阳和其他星系的电磁噪声 骚扰信号的频率 几十M 几十GHz 例如太阳黑子活动造成的无线电骚扰 可造成通信中断 2 人为骚扰人为骚扰是指在人类的生活 交通 生产 科学研究 军事等项活动中产生的电磁骚扰 在2 2 1节中有较为详细的介绍 四 按信号的功能分类功能性骚扰 设备正常工作时产生的信号对其它设备的骚扰 非功能性骚扰 无用的电磁泄漏产生的骚扰 五 按骚扰的特性分类频率 射频骚扰 低频 高频 微波 工频骚扰 50Hz 静态场骚扰 静电场 恒定磁场 波形 连续波骚扰 脉冲波骚扰 带宽 宽带骚扰 窄带骚扰 周期性 有规则骚扰 周期性骚扰信号随机骚扰 非周期性骚扰信号 2 1 3产生电磁干扰的三个要素 电磁骚扰源 对此类干扰敏感的仪器设备 被干扰体 骚扰信号耦合的通道 传播途径 传导 辐射 2 1 4系统内部的干扰与系统之间的干扰 系统内部的干扰 系统内一部分电路对另一部分电路的干扰 例1汽车内发动机点火系统对车内通信系统的干扰 例2电路板上振荡电路对其它单元电路的干扰 系统之间的干扰 一个系统对另一个系统的干扰 例1计算机对收音机的干扰 例2高压输电线路对通信线路的干扰 2 2电磁骚扰源 2 2 1常见的电磁骚扰源 骚扰信号 是一个广泛的概念 一般来说 任何有用的信号和无用的信号都可能成为骚扰信号 无用的信号 例如设备的电磁泄漏就可能对其它设备造成干扰 对一个设备有用的信号 例如广播 电视信号 进入到其它设备中就可能成为骚扰信号 各种电气设备都可能出现电磁泄漏 出现接触不良或火花放电 所以任何一个电气设备都可能成为一个骚扰源 一 自然骚扰源 雷电 宇宙干扰 二 人为骚扰源 1 按使用功能分类 广播 电视 通信发射设备 雷达 是利用电磁波传递信息的 希望信号越强越好 对其它的设备造成了干扰 工业 科学 医疗设备 ISM设备 例如 高频 微波加热设备 高频 微波医疗设备 电动机 计算机及外设 电子仪器 家用电器等 在利用电磁能时伴有电磁辐射的泄漏 公用电源 高压输电线路 继电器 各种开关产生的骚扰可以沿公用电源传播 公用电源上还有来自线路上其它设备的传导骚扰 瞬变骚扰源 弧光放电例如 电焊机 大负荷开关 电晕放电例如 高压输电系统 火花放电例如 汽车点火器 电动机 电刷 电车 电气化铁路 气体放电例如 荧光灯 静电放电 核电磁脉冲 2 按辐射频率分类 3 按传输方式分类 传导骚扰源 辐射骚扰源 2 2 2传导骚扰源 传导骚扰是指通过导体 例如导线 或通过电容性器件 电感性器件耦合而传播的骚扰 可分为功能性骚扰源和非功能性骚扰源 一 功能性传导骚扰源 系统中某一设备正常工作时对其它设备产生骚扰 例如 各种振荡器 信号发生器 功能性骚扰源具有确定的频率 二 非功能性传导骚扰源 由于接触不良 放电现象或电流的突然变化产生骚扰 1 接触不良 电流时断时续 也是一种电流突变 产生感应电动势 形成骚扰信号 2 放电现象 放电脉冲产生频谱很宽的电磁噪声 3 电流突变 形成冲击电流 例如 电动机起动电流是额定电流的4 7倍 产生骚扰电压 4 各种振荡器 信号发生器各次谐波信号泄漏 非功能性骚扰信号的频谱一般很宽 下面分析一下来自公用电源的传导骚扰 使用同一电源的各设备的电磁噪声可通过电源线互相传送 电力线的天线效应 可接受空间的辐射干扰 沿电力线传播形成传导骚扰 电力线上的放电噪声 例如 高压线上的电晕放电 电力线上由于接触不良引起的火花放电 线路上开关设备的电弧放电等 可以通过电力线形成传导骚扰 电源系统中的异常电压 例如 雷击电压 线路上电流突变引起的骚扰电压 某些设备产生的异常电压等可以通过电力线形成传导骚扰 2 2 3辐射骚扰源 辐射骚扰是指以电磁波的形式通过空间传播的骚扰 一 功能性辐射骚扰源各种振荡器 信号发生器 广播 电视 通信 雷达发射设备等 二 非功能性辐射骚扰源 设备的电磁泄漏 各种放电辐射 1 设备的电磁泄漏 透过外壳向外辐射 单层机壳屏蔽效果一般为20 60dB 比较强的辐射源产生的电磁辐射可以透过机壳发生电磁泄漏 1 设备的电磁泄漏 通过机壳上的缝隙 孔洞向外辐射如面板上的表头 刻度盘 各种调节轴孔 散热口 1 设备的电磁泄漏 通过连接电缆辐射 电源线发生辐射泄漏 天线效应 2 放电辐射 电晕放电 高压设备 例如高压输电线 表面附近场强很大 电位梯度大 引起空气电离而发生的放电现象 随空气湿度的增大而增强 电晕放电的脉冲密度大 幅值较低 骚扰信号的低频分量多 一般在10MHz以下 2 放电辐射 火花放电和弧光放电 线路上 例如高压输电线路 电气化铁路等 由于接触不良会出现火花放电 电动机的电刷和整流子之间滑动接触处会出现火花放电 电机动车点火也是利用火花放电 开关设备断开时 或其它电气接点断开时 例如 电气机车 电车的导电弓架脱线等 会发生弧光放电 弧光放电一般出现在火花放电之后 火花放电和弧光放电的脉冲重复频率低 幅值大 骚扰信号中高频分量多 介绍一个试验 a 用两个曲率比较大的电极 相隔一间隙 加一电压 当电压逐渐升高时 电极尖端部分附近场强很大 出现电晕放电 然后出现火花放电和弧光放电 b 若两电极曲率很小 电极附近场强较小 不出现电晕放电 直接形成火花放电和弧光