电磁干扰和电磁兼容技术应用

1、电磁干扰和电磁兼容技术应用 一、电磁辐射的危害 二、电磁干扰概述 三、电磁敏感性 四、电磁兼容性概述 五、电磁兼容测量内容 六、屏蔽技术 七、滤波技术 八、接地技术 九、电磁兼容设计 十、频谱管理一、电磁辐射的危害 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，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714。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。 电磁能的广泛应用一方面

2、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。例2：民兵导弹的飞行故障。例3广州白云机场的导航系统受到严重的干扰。例4：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 whf h6.6210-34JS 普朗克常数。 f31015Hz 量子的能量可以使原子和

3、分子电离电离辐射，例如X射线辐射、射线辐射， f31015Hz 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）specific energy absorptionrate 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） ：生物体密度，即单位时间内、单位体积吸收 的电磁辐射能量， ：电导率 E ：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30M3000MHz，一般成年人的谐振吸收频率

4、约为400 MHz。2ESAR2、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S10mW/cm2（E110V/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514%，组织中的氧的需求量增加50100%）。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、男性生殖器等，例如可导致白内障（300 mW/cm2）。 S10mW/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

5、应 S1mW/cm2（E61.4 V/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。、决定电磁辐射对生物体影响程度的几个因素a、场强：场强越大，影响越大。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

6、，微波段影响最大。c、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。d、与辐射源的距离:对于偶极子天线，在天线近区E1/r3， 在天线远区E1/r，辐射场强随距离 的增大迅速衰减，影响减小。e、环境温度和湿度：温度高、湿度大，生物体不易散热， 影响增大。f、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（GB 870288）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。 二、电磁干扰概述、定义：任何可能引起装置、设备或系统性能降低的

7、电磁现象。（国标GB/T4365-1995）、电磁干扰的分类1、按传播途径分类 传导干扰：通过电路耦合的干扰。（例如导线传输、 电容耦合、电感耦合。） 辐射干扰：通过空间传输的干扰。2、按干扰的来源分类 、自然干扰 图22 、雷电：干扰信号的频率：10100kHz。、宇宙干扰：来自太阳和其他星系的电磁噪声, 干扰信 号的频率：几十M几十GHz。例如太阳黑子活动造 成的无线电干扰，可造成通信中断。 、人为干扰3、按信号的功能分类 功能性干扰：设备正常工作时产生的信号对其它设备 的干扰。 非功能性干扰：无用的电磁泄漏产生的干扰。4、按场的性质分类：电场干扰，磁场干扰 5、按干扰的特性分类 频率：射

8、频干扰（低频、高频、微波） 工频干扰（50Hz） 静态场干扰（静电场、恒定磁场）。 波形：连续波干扰、脉冲波干扰。 带宽：宽带干扰、窄带干扰。 周期性：有规则干扰：周期性干扰信号 非周期性干扰信号 随机干扰、产生电磁干扰的三个要素、电磁干扰源。、对此类干扰敏感的仪器设备（被干扰体）。、干扰信号耦合的通道（传播途径：传导、辐 射）。、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

9、2 高压输电线路对通信线路的干扰。、干扰信号的传播1、干扰信号，由干扰源发生，经过一定的传播途径到达 接收机，造成干扰。 2、电磁干扰耦合模型（右图） C：电容耦合， L：电感耦合， Z：共阻抗耦合， NC：近场耦合， FR：远场辐射。 公共地阻抗耦合电阻性耦合公共电源内阻耦合传导耦合 电容性耦合电感性耦合干扰信号导线对导线辐射耦合 天线对天线场对导线三、电磁敏感性（抗扰性）1、定义、 电磁敏感性：电子设备或系统对电磁干扰的 响应特性， 电磁敏感性越高，抗干扰能力越低。 传导敏感性：对传导干扰， 辐射敏感性：对辐射干扰。 、电磁抗扰性：设备或系统抵制电磁干扰的能力。 2、敏感频率和抗扰度允许值

10、、敏感频率：在该频率上，设备对电磁干扰的响应比 较敏感。 、抗扰度允许值：导致设备或系统性能下降的干扰信号的幅值（可以是电压、电流、电场强度、磁场强度、功率密度）。例如：在国标GBT1383892中 声音和电视广播接收机的音频功能辐射抗扰度允许值： 150MHz，125dB（Vm）。 电视广播接收机的接收功能辐射抗扰度允许值： 92MHz， 109dB（Vm）， 92150MHz， 125dB（Vm）。 3、电磁干扰安全系数定义， ，也可用dB表示。m 抗扰度允许值现有最大干扰值例如：对于干扰电压， 对于干扰场强， 对于干扰功率密度， 在美国军用标准中规定： 系统的电磁干扰安全系数 m6dB，

11、 武器和电爆装置 m20dB。 4、电磁兼容的条件：、干扰源产生的电磁干扰满足规定的限值，、敏感设备具有规定的抗干扰能力。00, ()20lg,mmVVmm dBVV或00, ()20lg,mmEEmm dBEE或00, ()10lg,mmSSmm dBSS或四、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：Electromagnetic Compatibility，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

12、该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。 、设备对来自外部环境的电磁干扰必须具有一定的承受 能力（抗扰度）。、设备在正常工作时产生的电磁干扰不超过一定的限值， 不干扰其它设备的正常工作。 例：共用天线系统的电磁兼容。、系统简介 图4一1 一组天线（各频道)，宽带放大器，变频器（ 可以把一个频道的电视信号转换到另一个频道），同轴传输线，多终端接收机（电视机、调频广播接收机)。、外部电磁兼容问题、外部电磁噪声的干扰，例如房间中家用电器的电磁干扰 （辐射、通过电源线传导）。、系统内各设备的电磁噪声对外部设备的干扰（辐射，通 过电源线传导）。、内部电磁兼容问题 最突出的是变频器和各接收机本振产生

13、的电磁干扰（基波、各次谐波，辐射，通过电源线传导）。 2、电磁兼容研究涉及的领域 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。下表是参加全国电磁兼容学术会议的学术团体： 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

14、是一门实用性很强的综合性的前沿学科。 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。 图11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。3、电磁兼容研究机构 例如、国际电工委员会(IEC)，制定了一系列电磁兼容标准： IEC 61000标准。、国际无线电干扰专

15、门委员会(CISPR)，下设7个分委 员会， 将有使用价值的研究报告发表在一系列的 CISPR出版物上，成为世界各因公认的电磁兼容性 的标准和规范， 、电气与电子工程师协会（IEEE），出版电磁兼容性 专业期刊:IEEE Transactions on EMC，定期召开国 际电磁兼容学术会议。、中国电子学会、中国通信学会、中国电工技术学会、 中国电机工程学会等许多一级学会下都设有电磁兼 容专委会。 4、电磁兼容性标准和规范、我国制定了一系列电磁兼容国家标准和行业标准。例如: GBT4365-1995 电磁兼容术语； GBT6113-1995 无线电干扰和抗扰度测量设备 规范； GBT3907-

16、83 工业无线电干扰基本测量方法； GBT15658-1995 城市无线电噪声测量方法； GBT8702-88 电磁辐射防护规定； GBT4824-1996 工业、科学和医疗(ISM)射频设 备电磁骚扰特性的测量方法和 限值； GB9254-88 信息技术设备的无线电干扰极 限值和测量方法。 、标准和规范的内容、规定名词术语；、规定电磁发射和敏感度的极限值；、规定统一的测量方法；、规定电磁兼容性控制方法或设计规范；、影响比较大的国外标准例如：美国FCC(联邦通信委员会)标准; 美国军用电磁兼容标准; 欧洲EMC标准。 5、电磁兼容的实施、组织措施：频谱的分配和管理（十）。、技术措施：对三种常用

17、的方法的评述。、问题解决法：先进行系统的设计和制造，出现了电 磁干扰问题再逐个解决，这样需要修改设备的电路 或结构，抑制干扰措施的有效性低，成本高。、规范法:按电磁兼容性的标准和规范进行系统或设备 的设计和制造。可在一定程度上预防电磁干扰问题 的出现，但是由于标准和规范不是针对某一具体的 系统或设备制定的，所要解决的问题不一定存在， 存在的问题不一定能解决，成本也比较高。 、系统法:先对系统或设备的设计方案进行电磁 兼容性分析和预测，并贯穿于设计、试制和 制造的全过程，不断的解决可能出现的电磁 干扰问题，具体可分为三个步骤:a、系统的电磁干扰分析和预测;b、系统的电磁干扰性设计c、系统的电磁干

18、扰测试。 系统法是一种科学的方法，成本最低。目前国内外已经出现了一些比较成熟的电磁兼容分析、预测软件包。 6、电磁兼容认证、什么叫EMC认证 产品的EMC认证是依据产品的电磁兼容标准和相应的技术要求，经过认证机构测试确认，并通过颁发认证证书和认证标志来证明某一产品符合相应标准和相应技术的要求。 在我国EMC认证已纳入3C认证范围(中国强制认证，英文名称为“China Compulsory Certification”，英文缩写为“CCC”，也可简称为“3C”)，国家对有强制性电磁兼容国家标准或强制性电磁兼容行业标准以及标准中有电磁兼容强制条款的产品实行安全认证制度，对这些实施电磁兼容安全认证的

19、产品在进入流通领域实施强制性监督管理（没有进行电磁兼容安全认证就不能进入流通领域)。 对有推荐性电磁兼容国家标准或推荐性电磁兼容行业标准的产品实行合格认证制度，企业可以根据自愿的原则向认证机构申请认证。中国3C认证标志：CE认证标志(欧共体)：、EMC认证机构：中国电磁兼容认证委员会 (CEMC) 认证测试必须在国家技术监督局认可的EMC测试机构进行。、EMC认证程序 (略) 五、电磁兼容测量内容、EMC测量内容1、干扰信号的频率或频谱 窄带干扰：测量频率 宽带干扰：测量频谱或频谱密度（脉冲干扰） 2、干扰信号的幅度 传导干扰：干扰电压U，干扰电流I 辐射干扰：电场强度E，磁场强度H ，辐射功

20、率密度S， 干扰信号的功率P。 EMC传导干扰测量电磁干扰测量辐射干扰测量测量传导敏感度测量电磁敏感度测量辐射敏感度测量、频域测量与时域测量1、频域测量：测量干扰信号与频域有关的特性。例如： 干扰信号的频谱、某一频率上的干扰电压 或干扰场强。 使用的仪器：频谱分析仪、干扰场强仪、选频电压表 等。2、时域测量：测量干扰信号与时间有关的特性。例如：干 扰脉冲信号的幅值、波形、前沿、宽度等。 使用仪器：记忆示波器等。、测试天线的选用1、10K150KHz频段：主要测量磁场，选用电屏蔽的环 形天线。 2、150K30MHz频段：测量电场，选用杆状天线， 测量磁场，选用电屏蔽的环形天线。3、 30M30

21、0MHz频段：主要测量电场， 单频率测量：选用半波对称振子天线， 宽带测量：选用双锥天线、对称振子天线。4、 300M1GHz频段： 主要测量电场，选用对数周期天线、对称振子天线。5、 1GHz以上：微波频段，测量电场或辐射功率密度S， 窄带：角锥喇叭天线， 宽带：双脊喇叭天线，10GHz以下也可用对数周期天线。、测试场地1、开阔测试场地、结构和大小： GB/T61131995中规定的开阔测试场地有两种，椭圆形场地和圆形场地，在测试场地内不能有其它的反射物。天线和DUT（受试设备， DeviceUnder Test）间的距离：3m、10m、30m。地面用金属接地平板，包括钢板、金属网板等，若用

22、金属网板，孔径的最大尺寸不超过10。、环境条件：空旷、平整、远离建筑物、电力线、地下 电缆、地下管道、树木等，背景电磁辐射比测试电评 低6dB以上。（GB390783“工业无线电干扰基本测 量方法”中规定：低20dB以上）、开阔测试地的缺点 城市中的开阔测试场地一般建于高楼顶上，由于背景电磁噪声的影响(图5230）,已经无法满足国家标准中的测试条件（背景电磁噪声电平比测试电压低20 dB以上）。另外, 开阔场地受气候条件的影响很大，在有雨、雪、雾、风、烈日等气候条件下，无法进行测量。 2、电磁兼容暗室 电磁兼容暗室是替代的测量场地。 、结构：六面钢板，五面（除地面外）敷有吸波材料， 刀形屏蔽门

23、，屏蔽效果在100 dB以上。 可作3 m法、10 m法测量。例如，一电磁兼容暗室的 尺寸：。 、EMC暗室造价很高,连同测试设备需要大约上千万元， 省内只有洛阳014中心有一个小的，可用1m法作军标 测量。刀形屏蔽门3、屏蔽室 图535、作用 传导干扰测试必须在屏蔽室中进行。、防止测试受到外界电磁环境的干扰（辐射，或通过 电源线传导）。、防止试验用的电磁信号泄漏。 、结构、是用金属板（网）做成的六面体房子。 按屏蔽材料分类：钢板式，铜网式（只能屏蔽电场）， 按结构形式分类：单层（钢板、铜网），双层（铜网、 钢板）、接缝的处理 焊接， 拼装，接缝处加导电衬垫。 、门：刀型弹性接触式屏蔽门、窗：

24、截止波导式通风窗， 设六角形波导口外接圆直径 为D,截止频率为： 150 ()cfGHzD mm ffc , 干扰信号能通过, ffc, 干扰信号有损耗， ffc ，损耗大。、电源滤波器：防止干扰 信号通过电源线进入测 试系统（在屏蔽室内实 验所用的电源必须经过 电源滤波器）。4、GTEM Cell（GHz横电磁波室） 图556 GTEM Cell 是一个纵向是锥形、 横向是矩形的同轴线系统，传输球面波， 锥形角度很小，可近似为平面波，终端用吸波材料吸收电磁波（基本没有反射）， 用一个电阻网 络作为电流负载。大工作区空间很大，可用于较大型设备的测量，例如29、34彩电。小工作区内可产生很强的电

25、磁场。例：外形尺寸7m（长）（宽）（高）， 频率范围：DC3GHz 。 六、屏蔽技术1、屏蔽的概念：屏蔽是防止辐射干扰的主要手段，所谓屏 蔽就是采用一定的技术手段，把电磁场限 制在一定的空间范围之内。 、主动屏蔽：把干扰源置于屏蔽体之内，防止电磁能量 和干扰信号泄漏到外部空间。、被动屏蔽：把敏感设备置于屏蔽体内，使其不受外部 干扰的影响。2、屏蔽的分类（按场的类型可分为）、静电屏蔽、磁场屏蔽、电磁屏蔽 七、滤波技术 EMI滤波器基本的工作原理与普通滤波器一样，都是允许有用信号的频率分量通过, 同时阻止其他干扰频率分量通过。 EMC滤波器的分类1、反射式滤波器：由电感器和电容器组成，利用反射或

26、旁路，使干扰信号不能通过。、低通滤波器，使低频信号通过，高频信号衰减。 用于电源电路，使市电（50Hz）通过，高频干扰信 号衰减。 用于放大器电路或发射机输出电路，使基波通过， 谐波和其他干扰信号衰减。、高通滤波器：抑制低频干扰信号 例如：从信号通道上滤除交流声干扰。、带通滤波器：只允许某一频率范围内的信号通过，、带阻滤波器，只抑制某一频率范围内的干扰信号通 过。2、损耗滤波器，、选用具有高损耗系数或高损耗角正切的材料，把高频电磁能量通过涡流转换成热能。 例如：铁氧体管，铁氧体磁环，磁环扼流圈等。、几种常用的损耗滤波器、铁氧体管，如图把铁氧体 管套在信号线或电源线上， 衰减高频干扰信号。 、电

27、缆滤波器：在导线外 包一层高频损耗材料（ 如铁氧体，或含铁粉的 环氧树脂）（如图）。 、滤波连接器, 如图所示， 把铁氧体直接组装在电缆连接器内，在100MHz 10GHz的频率范围内可以获得60dB以上的衰减。、磁环扼流圈，如图(a)所示，在导线上套一个圆环状 铁氧体磁环，阻抗随导线中电流频率的升高而增大， 可以抑制高频干扰分量。 应用：电源线，数字信号线。、穿心电容，外形如图 (b)所示，原理如图 (c)。一个 端片接导线，另一个通过外壳接地，用于高频滤波。 应用举例： 电动机的屏蔽和滤波， 如图， 电动机的碳刷滑动接触会出现火花放电, 产生高频的辐射干扰和传导干扰（通过电源线传播），可采

28、用屏蔽(辐射干扰)，磁环（传导干扰），穿心电容（辐射干扰和传导干扰）等措施。 3、有源滤波器： 使用晶体管等有源器件，以较小的体积和重量可以提供较大值的等效L和C。、有源电感滤波器：用晶体管模拟电感线圈的频率特 性（f越高，阻抗越大）。、有源电容滤波器：用晶体管模拟电容器的频率特性 （f越高，阻抗越小）。、对消滤波器（陷波器）：能产生与干扰信号幅度相 同，相位相反（差180）的电流，把干扰信号抵消。八、接地技术、接地的作用和分类 、几种常用的接地方法1、浮点接地 如图，接地面不与大地 相连，低频时可采用。EMI安全用电安全接地防止雷击电路接地电源接地防止接地（信号接地）屏蔽接地静电接地2、单点

29、接地， 低频时采用 、独立地线并联一点接地，如图 各电路的电位：优点：各设备的电位仅与各自的电流和地线电阻有关， 不受其他设备的影响，可防止各设备之间相互干 扰和地回路的干扰。 1 12 23 3, , ABCUR IUR IUR I缺点：若设备很多，需要很多根地线，使接地导线加长， 阻抗增大，还会出现各接地导线间的相互耦合， 不适用于高频。、共用地线串联一点接地，图634(b)缺点：可以看出，A、B、C各点的电位不仅不为零，而 且受其它电路的影响，从防止和抑制干扰的角度， 这种接地方法不好。优点：这种接地方法的结构比较简单，各电路的接地线 短，电阻较小，在设备机柜中是常用的一种接地 方式。采用这种接地方式要注意把最低电平电路 放在靠近A处，以使B点和C点的电位升高最小。 12311231232123123233: (): ()(): ()()ABBAUIIIRBUIIIRIIRCUIIIRIIRI R点点点3、多点接地， 如图 每一个设备、电路各自用接地线分别就近接地，高频电路（设备间距）一般都采用多点接地。