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电磁兼容（EMC）综述报告20134528005 杨洋 电子与通信工程1 引言电子电路在通信、计算机、自动化和其他领域被广泛使用，各种各样的电路必须在互相靠近的情况下工作，很多时候这些电路彼此间会产生不利的影响。对电路设计人员来说，电磁干扰（EMI）已成为一个主要问题，未来，这个问题肯能会变得更为重要。大量的普遍使用电子设备是导致这一趋势的一个原因。此外，集成电路的使用和大规模的集成减小了电子设备的尺寸。电子电路越来越小，越来越复杂，使越来越多的电路挤进较小的空间，增加了干扰的概率。此外，多年来时钟频率急剧增加，许多情况下超过了1000MHz。现在家里使用的个人电脑，时钟速度超过1GHz已经很普遍。当前，设备设计者需要做的不仅仅是让他们的系统在实验室的理想条件下能运行。除了这些明显的任务，设计的产品必须工作在其他设备附近的“现实世界”中，并要遵守政府的电磁兼容性（EMC）法规。这就意味着设备不应受外部电磁源的影响，而且自身也不是一个污染环境的电磁噪声源。电磁兼容性应该是一个主要的设计目标。2 正文1) 基本概念电子设备受电磁骚扰的影响而出现故障或性能降级，就称为设备对电磁骚扰敏感。如何在设备与电磁环境之间寻求一种协调的关系和共存的条件就是电磁兼容技术，简称EMC（Electromagnetic Compatibility）。2) 三要素l 电磁骚扰源。任何形式的自然现象或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物收到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，这种自然现象或电能装置即称为电磁骚扰源。l 耦合途径。指传输电磁骚扰的通路或媒介。l 敏感设备。当受到电磁骚扰源所发射的电磁能量的作用时，会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统，以及会受到伤害的人或其他生物。许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁骚扰源又是敏感设备。3) 传导耦合与辐射耦合l 传导耦合传导耦合是骚扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。传导耦合必须在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁骚扰沿着这一连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备，产生电磁干扰。传导耦合的连接电路包括互连导线、电源线、信号线、接地导体、设备的导电构件、公共阻抗、电路元器件等。l 辐射耦合辐射耦合是电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能量按电磁场的规律向周围空间发射。辐射耦合的途径主要有天线、电缆、导线、机壳的发射对组合。通常将辐射耦合划分为三种：天线与天线的耦合,指的是天线 A 发射的电磁波被另一天线B无意接收，从而导致天线A 对天线B产生功能性电磁干扰；场与线的耦合，指的是空间电磁场对存在于其中的导线实施感应耦合，从而在导线上形成分布电磁骚扰源；线与线的感应耦合，指的是导线之间以及某些部件之间的高频感应耦合。实际工程中。敏感设备受到电磁干扰侵袭的耦合途径是传导耦合、辐射耦合、感应耦合以及它们的组合。传导骚扰可能是空间电磁波作用于电源线形成的感应骚扰，也可能是计算机产生的骚扰通过电源插座以传导方式侵袭电视接收机。正因为实际中出现电磁干扰的耦合途径是多途径、复杂难辨的，所以才使电磁骚扰变得难以控制。目前对传导耦合的具体划分，许多资料还存在一些分歧。一种观点认为，传导耦合的传输电路只限定于“电源线、信号线、控制线、导电部位（如地线、接地平面、机壳等）”的可见性连接，将电容性耦合和电感性耦合都归属于辐射传输的近场感应耦合，如下图所示：另一种观点认为，电容性耦合、电感性耦合以及这两者共同作用的两导体间的感应耦合均归属于传导耦合范围，且“传导耦合包括通过线路的电路性耦合，以及导体间电容和互感所形成的耦合”，如下图所示：还有一种观点认为，传导耦合的传输电路是由“金属导线或集总元件构成”，因此将导线与导线之间的分布参数耦合作为辐射耦合的一部分，如下图所示：l 传导耦合的基本原理传导耦合按其耦合方式可以划分为三种基本方式：电路性耦合电容性耦合电感性耦合实际工程中，这三种耦合方式同时存在、互相联系。1.电路性传导耦合的模型 电路性耦合是最常见、最简单的传导耦合方式。最简单的电路性传导耦合模型如图所示。 当电路1有电压U1作用时，该电压经Z1加到公共阻抗Z12上。当电路2开路时，电路1耦合到电路2的电压为 若公共阻抗Z12中不含电抗元件时为共电阻耦合，简称为电阻性耦合。图中，Z1、U1及Z12组成电路1Z2 、 Z12组成电路2Z12为电路1和电路2的公共阻抗1）直接传导耦合由式 ，若 ，则 U1 U2 ， 即电路1的电压U1直接加至电路2，形成直接传导耦合。骚扰经导线直接耦合至电路是最明显的事实，但却往往被人们忽视。导线经过存在骚扰的环境时，即拾取骚扰能量并沿导线传导至电路而造成对电路的干扰。 2）共阻性耦合当两个电路的电流流经一个公共阻抗时,一个电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,这就是共阻抗耦合。通过公共地线阻抗的耦合消除方法：将地线尽量缩短并加粗，以降低公共地线阻抗。地线阻抗形成的耦合骚扰消除方法：采用一点接地。3）电源内阻及公共线路阻抗形成的耦合2.电容性耦合模型电容性耦合（The Capacitive Coupling）也称为电耦合，它是由两电路间的电场相互作用所引起。下图表示一对平行导线所构成的两电路间的电容性耦合模型及其等效电路。假设电路1为骚扰源电路，电路2为敏感电路，两电路间的耦合电容为C。根据等效电路图（b），可以计算出骚扰源电路在电路2上耦合的骚扰电压为: 式 表明：电容性耦合引起的感应电压正比于骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻R2（一般情况下为阻抗）、耦合电容C、骚扰源电压U1；电容性耦合主要在射频频率形成骚扰，频率越高，电容性耦合越明显；电容性耦合的骚扰作用相当于在电路2与地之间连接了一个幅度为 的电流源。一般情况下，骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻R2（一般情况下为阻抗）、骚扰源电压U1是预先给定的，所以，抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容C。3.电感性耦合模型电感性耦合（Inductive Coupling）也称为磁耦合，它是由两电路间的磁场相互作用所引起。当电流I在闭合电路中流动时，该电流就会产生与此电流成正比的磁通量。该磁通量与电流I的比值称为电感（L/I)。电感的值取决于电路的几何形状和包含场的媒质的磁特性。如图3-10所示，S 是闭合回路的面积；B 是角频率为(弧度/秒)的正弦变化磁通密度的有效值(The RMS Value)；Un是感应电压的有效值。l 辐射耦合通过辐射途径造成的骚扰耦合称为辐射耦合。辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能量从骚扰源经空间传输到接受器（骚扰对象）。这种传输路径小至系统内可想象的极小距离，大至相隔较远的系统间以及星际间的距离。许多耦合都可看成是近场耦合模式，而相距较远的系统间的耦合一般是远场耦合模式。辐射耦合除了从骚扰源有意辐射之外，还有无意辐射。例如无线电发射装置除发射有用信号外，也产生带外无意发射。骚扰源以电磁辐射的形式向空间发射电磁波，把骚扰能量隐藏在电磁场中，使处于近场区和远区场的接受器存在着被骚扰的威胁。任何骚扰必须使电磁能量进入接受器才能产生危害，那么电磁能量是怎样进入接受器的呢？这就是辐射的耦合问题。一般而言，实际的辐射骚扰大多数是通过：天线、电缆导线和机壳感应进入接受器。电缆导线感应，然后沿导线传导进入接受器；接收机的天线感应进入接受器；接受器的连接回路感应形成骚扰；金属机壳上的孔缝、非金属机壳耦合进入接收电路。因此，辐射骚扰通常存在四种主要耦合途径：天线耦合、导线感应耦合、闭合回路耦合和孔缝耦合。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，金属导体在某种程度上可起发射天线和接收天线的作用。1.天线与天线间的辐射耦合天线与天线间的辐射耦合是一种强辐射耦合，它是指某一天线产生的电磁场在另一天线上的电磁感应。根据耦合的作用距离可划分为近场耦合和远场耦合；根据耦合作用的目的可划分为有意耦合和无意耦合。一般按照不同的性能要求和用途，采用金属导体做成特定形状，用于接收电磁波的装置就是天线。当电磁波传播到天线导体表面时，电磁波的电场和磁场的高频振荡在天线导体中引起电磁感应，从而产生感应电流，经馈线流入接收电路。天线有目的的接收特定电磁辐射属于有意耦合，然而，在实际工程中，存在大量的无意电磁耦合。例如，电子设备中长的信号线、控制线、输入和输出引线等具有天线效应，能够接收电磁骚扰，形成无意耦合。2. 电磁场对导线的感应耦合设备的电缆线一般是由信号回路的连接线、电源回路的供电线以及地线一起构成，其中每一根导线都由输入端阻抗、输出端阻抗和返回导线构成一个回路。因此，设备电缆线是设备内部电路暴露在机箱外面的部分，它们最容易受到骚扰源辐射场的耦合而感应出骚扰电压或骚扰电流，沿导线进入设备形成辐射骚扰。对于导线比较短、电磁波频率比较低的情况，可把导线和阻抗构成的回路看作为理想的闭合回路。电磁场通过闭合回路引起的骚扰属于闭合回路耦合。对于电缆比较长、电磁波频率比较高的情况，导线上的感应电压是不均匀一致的，需要将感应电压等效成许多分布电压源，采用传输线理论来处理。3. 电磁场对闭合回路的耦合电磁场对闭合回路的耦合是指回路受感应最大部分的长度小于四分之一波长。在辐射骚扰电磁场的频率比较低的情况下，辐射骚扰电磁场与闭合回路的电磁耦合。4. 电磁场通过孔缝的耦合电磁场通过孔缝的耦合是指辐射骚扰电磁场通过非金属设备外壳、金属设备外壳上的孔缝、电缆的编织金属屏蔽体等对其内部的电磁骚扰。3 小结电磁干扰有可能使设备或系统的工作性能偏离预期的指标或使工作性能出现不希望的偏差，及工作性发生了“降级”，甚至还可能使设备或系统失灵，或导致寿命缩短，或使系统效能发生不允许的永久性下降，严重时还能摧毁设备或系统。为了防止一些电子产品产生的电磁干扰影响或破坏其它电子设备的正常工作，各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准，符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性EMC。电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的，而是天天都在改变，这也是各国政府或经济组织，保护自己利益经常采取的手段。抑制电磁污染的首要措施是找出污染源；其次是判断污染侵入的路途，主要有传导和辐射两种方式，工作重点是确定干扰量。越早注意解决电磁兼容问题，越可以节约人力与物力。电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰源的研究，从电磁干扰源处控制其电磁发射是治本的方法。控制干扰源的发射，除了从电磁干扰源产生的机理着手降低其产生电磁噪声的电平外，还需广泛地应用屏蔽（包括隔离）、滤波和接地技术。屏蔽主要运用各种导电材料，制造成各种壳体并与大地连接，以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径，隔离主要运用继电器、隔离变压器或