第1章电磁兼容绪论要点.ppt

电磁兼容理论2011 2 21 第一章电磁兼容绪论 1 0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 移动通信 微波通信 光纤通信 卫星通信 2 广播电视 调频广播 电视广播 3 家用电器 各种家用电器都要利用电磁能量 电磁炉 微波炉 遥控玩具 红外取暖 红外烤箱 4 生物医学 灭菌 食品 诊断 CT 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 1电磁干扰与电磁污染的危害案例1 土星V 阿波罗12事件导体在飞行中使云层与地面之间 云层与云层之间人为地诱发雷电 2 民兵I导弹飞行故障绝缘结构之间出现了静电放电 产生骚扰脉冲 破坏了计算机的正常工作而造成了故障 3 英国谢菲尔德号导弹驱逐舰惨剧雷达与通信网络相互干扰 不能同时工作 4 大力神 C运载火箭故障未接地部分与火箭地之间产生电压 当火箭飞行高度增加 气压下降到一定值 此电压产生火花放电使计算机发生故障 5 宇宙神导弹爆炸事件锈蚀表面形成了非线性整流结 从而使指令接收机收到虚假指令信号而引起爆炸 6 可变速感应电动泵抽油站的电磁干扰电磁干扰引起电话嘈杂 电视帧同步丢失 辉光放电电路振铃 7 医疗设备的失灵汽车屏蔽效能的降低与强辐射信号的结合对医疗设备形成干扰 8 电吹风机引起的民事罚款加热器工作 风扇不转 引起内部器件过热发生火灾 9 飞机导航系统的故障飞机上使用移动电话 便携电脑 调频收音机干扰导航系统10 雷击引起的浪涌电压雷击分直接雷击和感应雷击 避雷针只能局部地防护直接雷击 感应雷击需要采用EMC防护措施 11 强电磁辐射对电引爆军械的危害 12 电磁辐射对人体的危害目前 一般认为电磁辐射对人体的影响包括三个方面 热效应辐射功率密度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 人的体温每升高一度 基础代谢增加约5 14 组织中的氧的需求量增加50 100 热效应首先损伤人体上对热比较敏感的器官 例如眼睛 大脑等 例如可导致白内障 300mW cm2 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 长时间照射也不会引起体温明显的升高 但会出现烦躁 头晕 疲劳 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 13 手机辐射 人类健康的潜在危险P4 P7自学 总结 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 14 生物体对电磁辐射能量的吸收 电离辐射和非电离辐射f 3 1015Hz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f 3 1015Hz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一般属于非电离辐射 比吸收率 SAR specificenergyabsorptionrate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 即单位时间内 单位体积吸收的电磁辐射能量 生物体密度 电导率E 电场强度振幅吸收辐射场能量 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 决定电磁辐射对生物体影响程度的几个因素 1 场强 场强越大 影响越大 2 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 3 作用时间 电磁辐射对生物体的影响具有积累作用 作用时间越长 影响越大 4 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 5 环境温度和湿度 温度高 湿度大 生物体不易散热 影响增大 6 辐射特性 脉冲波比连续波的影响大 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 2 2电磁兼容的含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 兼容 描述一种和谐的共存状态 在这个意义上 广泛用于各种自然和人造的系统中 P8第二段举例 对于设备或系统的性能指标来说 EMC译为 电磁兼容性 作为一门学科来说 应译为 电磁兼容 电磁兼容是研究在有限的空间 时间和频谱资源等条件下 各种用电设备可以共存 并不致引起降级的一门学科 工程实践中 人们往往不加区别地使用二者 且采用同一个英文缩写EMC 在复杂的电磁环境中 每台电子 电气产品除了本身要能抗住一定的外来电磁干扰保持工作外 还能产生对该电磁环境中的其他电子 电气产品所不能容忍的电磁干扰 或者说既要满足有关标准规定的电磁敏感度极限值要求 又要满足其电磁发射极限值要求 这是电子 电气产品电磁兼容应当解决的问题 也是电子 电气产品要通过电磁兼容认证的必要条件 许多国家对电子产品的电磁兼容性都做了强制性限制 我国已加入WTO 电磁兼容技术壁垒将是我国电子产品出口的更大障碍 我国对部分电子产品的电磁兼容性也做了强制性要求 自2003年5月1日起 未获得强制性产品认证证书和未加施中国强制性认证标志的产品不得出口和在国内销售 但是我国产品的电磁兼容性指标与先进的国际标准比还有相当差距 学习和借鉴国外先进技术和经验 掌握电磁兼容技术 培养自己的技术人才 尤为紧迫 最常见的三项基本电磁兼容技术 屏蔽 滤波 接地除此之外还有线路板设计 元器件选择 电缆设计等干扰抑制技术 1 2 1电磁干扰与电磁骚扰自然界中 电磁干扰源普遍存在 电磁骚扰现象大量出现 电磁干扰 ElectromagneticInterference 是指电磁骚扰引起的设备 传输通道或系统性能下降 电磁骚扰 ElectromagneticDisturbance 是指任何可能引起装置 设备或系统性能降低 或者对有生命物质或无生命物质产生损害作用的电磁现象 电磁骚扰强调任何可能的电磁危害现象 电磁干扰强调这种电磁危害现象产生的结果 电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果 GJB72 85定义 电磁干扰 EMI 指任何能中断 阻碍 降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量 GB T4365 1995定义 电磁干扰 EMI 指任何能引起装置 设备或系统性能降低的电磁现象 1 2 3系统电磁兼容性 1 3电磁兼容学科的发展历史透视P9 P13自学 1 4电磁兼容学科研究的内容电磁兼容性学科研究的对象不仅限于各种电子 电气设备 而且包括各种电磁环境 自然电磁干扰 核电磁脉冲 静电放电 人为电磁辐射等 对人体的生态效应 信息处理设备因电磁泄漏造成的泄密等等 电磁兼容性涉及的领域十分广泛 通信 广播电视 科学仪器 信息设备 航空 航天 机车 舰船 电力 军工 医疗设备 计算机 家用电器等领域中都存在电磁干扰和电磁兼容性问题 电磁兼容性学科涉及的理论基础包括电磁场理论 天线与电波传播 电路理论 通信技术 材料科学 生物医学等等 所以电磁兼容性学科是一门实用性很强的综合性的前沿学科 上表是参加全国电磁兼容学术会议的学术团体 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 返回 该图是表示产品投资效益的曲线 可以看出 电磁兼容问题解决得越早 投资效益越高 如果在产品的立项 设计阶段就解决了电磁兼容技术 电磁兼容措施的有效性最高 产品的成本最低 如果产品已经成批的制造出来了 才发现不符合国家的电磁兼容标准 在采取补救措施 产品的成本就会大大提高 EMC涉及的频率范围由DC至光波 EMC研究围绕构成电磁干扰的三要素 电磁干扰源 对此类干扰敏感的仪器设备 敏感设备 干扰信号耦合的通道 传播途径 传导 辐射 研究内容包括 电磁干扰产生的机理 电磁骚扰源的发射特性及如何抑制电磁骚扰源的发射 敏感设备对电磁骚扰产生何种响应 及如何提高敏感设备的抗干扰能力 电磁干扰以何种方式通过什么途径耦合 如何切断电磁干扰的传播途径 总体考虑 EMC的研究内容涉及 电磁干扰源的干扰特性 敏感设备的抗扰性 传输途径的传输函数 电磁兼容性控制技术 电磁兼容性分析和预测 电磁兼容性设计 频谱工程 EMC标准和规范 EMC试验和测量等 1 电磁干扰特性及传播理论对电磁干扰源的研究 包括电磁骚扰源的频域 宽带干扰 窄带干扰 和时域特性 连续波 间歇波 瞬态波 产生的机理以及抑制措施等 对于电磁骚扰传输特性的研究 包括对传导电磁骚扰传输特性和辐射电磁骚扰传播特性的研究 2 电磁危害及电磁频谱利用和管理电磁能危害的主要表现为 射频辐射 核电磁脉冲放电和静电放电对人体健康的危害 对电引爆装置和燃油系统的破坏 对电子元器件及其电路功能的损害电磁频谱是一种有限的自然资源 3 电磁兼容性的工程分析和电磁兼容性控制技术在实际工程中 电磁干扰的耦合是多种基本耦合形态的组合 广泛采用滤波 屏蔽 接地等抑制电磁干扰的技术措施 4 电磁兼容性涉及理论和设计方法任何一项工程设计 最起码和最主要的是费效比的综合分析 也是电磁兼容设计研究的一部分 5 电磁兼容性测量和试验技术电磁兼容性测量和试验贯穿于电磁兼容性分析 建模 产品开发 产品检验 干扰诊断等各个阶段 主要研究测量设备 测量方法 测量场所和数据处理方法 6 电磁兼容性标准 规范与工程管理电磁兼容性标准 规范是电磁兼容性涉及和试验的主要依据 制定标准和规范时必须进行大量的实验和数据分析研究 7 电磁兼容性预测和分析对潜在的电磁干扰进行定量的估计和模拟 避免采取过高的抑制措施 造成不必要的浪费 同时也可以避免设备和系统建成后才发现不兼容的难题 8 信息设备电磁泄漏及防护技术TEMPEST 9 环境电磁脉冲 EMP 及其防护EMP是十分严重的电磁干扰源 其频谱覆盖范围宽广 可以从甚低频到几百MHz 场强很大 电场强度可达40kV m或更高 作用范围很广 可达数千km 受电磁脉冲作用的架空天线 输电线 电缆线 各种屏蔽壳体都会被电磁脉冲感应 产生强大的脉冲射频电流 10 系统内与系统间的电磁兼容性一个系统内与若干系统间的电磁兼容性问题十分复杂 表现在 干扰源可能同时也是敏感设备 传播的途径多通道 干扰源与敏感设备不只一对 对此要进行分析与预测 1 5电磁兼容学科的特点1 电磁兼容学科的理论体系以电磁场理论为基础核心仍然是电磁场与电磁波 大部分电磁干扰源产生的电磁干扰 往往以电磁场的形态出现 分析这样的电磁干扰源的干扰特性 预测其对敏感设备的潜在威胁 探索控制干扰的措施 都要采用电磁场理论的方法和结论 2 电磁兼容学科是一门新兴的综合性交叉学科在无线电抗干扰的