电磁兼容技术动态与展望

1、电磁兼容技术动态(dngti)与展望高攸纲 张苏慧100876 北京邮电大学 171信箱(xnxing)共三十七页电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -前言随着科学技术的进步，社会的物质财富及精神财富日益丰富多采，人们的生活条件更加便利，但另一方面却导至社会均衡遭到破坏，出现了许多副作用，在电工领域这一情况也毫不例外。 当前人们己进入信息化社会，人类的生存环境也已具有浓厚的电磁环境内涵。就电磁环境与人类的关系而论，除电磁环境会对人类生存产生直接影响外，电力和电子技术的进步以及社会生活的逐步发展还会对人类生活乃至人类的社会活动产生影响，因而探讨电磁环境与电工电子学的关系是极为重要的。基于(jy)这

2、种原因，各国都己投入较多的人力物力，积极从事这方面的科研工作，多年来己陆续取得不少成果。共三十七页电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -前言电磁兼容的英文简称EMC。它是从过去的“电磁干扰”发展起来的，而对电磁干扰的研究工作可上溯到19世纪。到本世纪20年代后，各工业国家都日益重视电磁干扰的研究，成立了许多相关的国际组织。 本世纪40年代为了解决飞机通信系统受到电磁干扰造成飞机事故的问题，开始较为系统地进行电磁兼容技术的研究。美国自1945年开始，颁布了一系列电磁兼容方面的军用标准和设计规范，使得电磁兼容技术进入新的阶段。60年代以来，现代科学技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度、高

3、可靠性方向发展，其应用范围越来越广，渗透到了社会的每一个角落。由于航空、航天工业、造船工业以及其他国防军事工业的需要，都使得EMC获得(hud)空前的大发展，放眼未来，EMC还将在信息安全和生物电磁学等方面获得(hud)较大的进展。 共三十七页电磁兼容技术涉及的频率范围宽达0400GHz，研究对象除传统设施外，涉及芯片级，直到各型舰船、航天飞机、洲际导弹，甚至整个地球的电磁环境。 各种测试方法和测试标准已展开了全方位的研究，例如，VDE、FTZ、FCC、BS、MILSTD、VG、PTB、NACSIM、IEC、CICPR、ITU-T等标准逐年更新版本，趋向于全球公认化，各种规模的EMC论证、设计

4、、测试中心如雨后春笋般地出现。 各国都注重EMC教育和培训及学术交流 。研究的热点已涉及许多方面，如计算机安全(nqun)；电信设备电磁兼容；无线设备、工业控制设备。自动化设备、机器人、移动通信设备、航空航天飞机、舰船、武器系统及测量设备的电磁兼容问题；各种线缆的辐射和控制；超高压输电线及交流电气铁道的电磁影响；电磁场生物效应；地震电磁现象，接地系统，屏蔽系统等。 电磁兼容技术动态(dngti)与展望 -前言共三十七页我国开展EMC工作较晚，陆续颁布了一些EMC设计要求、测试方法等国家标准(biozhn)和国家军用标准(biozhn)，但具体的设计规范仍很缺乏。下面就当前环境电磁学及电磁兼容技

5、术发展中几个突出问题，作一扼要介绍。 电磁兼容技术动态(dngti)与展望 -前言共三十七页电磁兼容技术(jsh)动态与展望一、电磁兼容预测 二、屏蔽测量技术的发展 三、系统及设备相互间的人为电磁噪声及干扰四、电磁脉冲的影响 五、频谱分配与管理六、空间飞行器的电磁兼容问题七、地震电磁学八、无线电通信技术中的电磁兼容问题九、计算机中的电磁兼容十、电磁场的生态效应十一、电磁环境效应(hun jn xio yn)（E3）十二、C4ISP系统的EMC技术十三、新技术、新材料、新器件的开发应用共三十七页各个电子(dinz)电气设备在同一空间中同时工作时，总会在它周围产生一定强度的电磁场，这些电磁场通过一

6、定的途径（辐射、传导）把能量耦合给其他的设备，使其他设备不能正常工作，同时这些设备也会从其他电子(dinz)设备产生的电磁场中吸收能量，使自己不能正常工作。 这种相互影响不仅存在于设备与设备之间，同时也存在于元件与元件之间，部件与部件之间、系统与系统之间，甚至存在于集成电路内部。 如果一个设备或系统在制造之前就能对它的工作状态进行预测，改进不合理的设计，进行优化设计，远比把设备制造出来之后发现问题再加以改进经济的多，因此，一个复杂设备、系统的研制必须进行电磁兼容预测。电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -电磁兼容预测共三十七页 一般来说，电磁兼容预测经历(jngl)了三个发展阶段： （） 问题解

7、决阶段 （二） 规范设计阶段 （三）电磁兼容分析预测阶段目前，电磁兼容预测一般在三个级别上进行 （） 芯片级 （二） 部件级 （三） 系统级“预测分析法” 电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -电磁兼容预测共三十七页屏蔽测量技术的根本点在于准确、灵敏，其基本特点就是被测信号与外界(wiji)干扰信号之间有效隔离。 主要包括微波暗室、屏蔽测量小室 、搅拌式混响室 等。最具有代表性的屏蔽测量室是微波暗室，到目前为止，它是研究得最多、应用也最广泛的屏蔽测量室。其应用频段主要依赖于边界吸收材料的电磁特性。然而，大型微波暗室的造价相当高，小型暗室在实际应用中又很不方便。从而，导致了80年代初屏蔽小室测量技

8、术的发展。 电磁兼容技术动态与展望(zhnwng) -屏蔽测量技术的发展 共三十七页顾名思义，屏蔽测量小室体积小，应用灵活，价格低廉。它将被测设备置于测量装置内部，测量设备置于外部(wib)，以避免外界信号对测量信号的干扰 。从测量理论上看，这类小室属于积分式测量体系，与微波暗室等的分布式测量体系构成了两类不同的测量技术，它们互为补充，构成了完备的电磁屏蔽测量技术体系。 目前，受到重视的小室有TEM Cell，GTEM Cell和WTEM Cell。电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -屏蔽测量技术的发展 共三十七页最近搅拌式混响室开始受到人们关注。混响室的热衷源于机动车辆、航天和军用标准中要求

9、产生的高的EMI场强。在模式搅拌室使用标准的射频功率放大器可获得高强电磁场，因此，许多EMC测试实验室开始对此类混响室萌发兴趣。在1GHz，只要1W的输入功率就有可能产生对被测设备100V/m的场强照射。为了达到此数值，需要良好的设计 首先，只要模式搅拌器的效率足够，就能实现均匀的场； 另外，腔体（屏蔽壳体）设计的质量是十分(shfn)重要的，壳体的尺寸直接影响近频段的规范均匀性； 铝材三明治拼板结构对于混式搅拌混响室是一种理想的选择，它可产生较高的场强。电磁兼容技术动态与展望 -屏蔽(pngb)测量技术的发展 共三十七页这类电磁噪声及干扰主要包括输电线电晕噪声、汽车噪声、接触器自身噪声及导体

10、开合时放电引起的噪声、电气机车噪声、城市噪声以及公用走廊内各种公用事业设备（输电线、通信、铁道、公路、石油金属(jnsh)管线等设备）相互间的影响。特别是强电线路对其他设备的容性、感性及阻性耦合影响，近来强电线进入大城市引起的地电位问题更为突出。此外，超高层建筑、输电线、铁塔等大型建筑物引起的重影问题也很突出。为了减轻重影影响，可针对建筑物反射，采用由铁磁粉末等制成的吸收壁结构，要兼顾美观与成本因素，把建筑学和电工学很好结合起来。在天线和电视机方面也可采用相应措施。电磁兼容技术动态与展望 -系统及设备相互间的人为电磁(dinc)噪声及干扰共三十七页共三十七页雷电及核爆炸都会产生电磁脉冲。雷电的

11、危害早已为人们(rn men)熟知。由高空核爆炸产生的电磁脉冲能大量损坏敌方设备，将成为新一代的核武器，由于它能大面积损坏敌方的指挥、控制、通信、情报系统，使之瘫痪，因此在国防上有很大价值，各国仍在大力加强核电磁脉冲方面的科研工作。国际电工委员会TC77技术委员会已成立SC77分会专门加强这方面的工作。需要指出的是现有不少文献均认为光缆可不受外界电磁场影响，但实际上在强电磁脉冲作用下光纤会发热引起机械变形等后果，也将直接影响光纤的传输特性，此外，直击雷还会使光纤极化偏转，故不可忽视这方面的防护技术。电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -电磁脉冲的影响共三十七页 人类社会各种活动中，离不开信息的交

12、流，而电信就是把各种信息利用现代科技手段，转化为电磁波进行传输的一种手段。 由于无线电科技的发展与广泛应用于各个方面，使人们开始意识到由空间、时间和无线电三要素组成的无线电频谱资源，是人类重要资源。无线电频谱资源是一种有限的自然资源，但同时也是一种比较独特的资源。 1 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资源的浪费； 2 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，各国为了保护各个科技部门领域的发展，建立专门机构，进行科

13、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(lingho)电环境。 电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -频谱分配与管理共三十七页空间飞行器是一个具有复杂的机械结构和复杂的电气、电子结构的混合系统。要对它们进行EMC分析预测几乎是不可能的。目前的解决办法： 对于可有效分析的基本组成单元，应借助于电磁数值分析方法，编制相应的分析软件包，建立起尽可能完备的数学模型； 在此基础上，我们可以将飞行器内部分为若干相对(xingdu)独立的子系统，对每个子系统进行EMC分析预测后，可建立起相应的数学模型。 子系统的数学模型相对比较简

14、略，因此可以方便地组成更大子系统，直至空间飞行器整个系统，使之均能进行EMC分析预测。在研制的过程中，提出EMC设计要求，制定EMC设计规范，将飞行器内部的各个电气电子元器件、设备合理地安排在各个相对独立的单元或子系统中，子系统内部、子系统之间都可以EMC分析预测，这样我们就有能力对飞行器系统EMC性能进行评估，能有效地查找、排除研制过程中出现的EMC问题，优化空间飞行器的设计电磁兼容技术动态与展望 -空间(kngjin)飞行器的电磁兼容问题共三十七页地震电磁学是近十年来为了探索地震短临预报而迅速发展起来的一门新的边缘尖端学科。从直流直至超高频整个频段都有人进行观测研究。从地下几米深直至几千米

15、深，从人工观测到自动记录数字传送，各国都进行了大量观测研究。还有一些国家正在积极准备利用卫星进行这方面的探索研究。 地震电信号（Seismo Electric Signal 简称SES）与震级、震中距及局部电性质的不均匀性密切相关。 10KHz14KHz的长波段信号变化与地震孕育过程的关系；雷电的产生与地震的关系 ；海底电磁波观测 ；电离层观测我国学者对地震电磁(dinc)现象也进行了观测研究，一般在500km以内，己可以进行较准确的地震预报。电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -地震电磁学共三十七页作为近年来信息技术领域发展最为迅速的无线通信包括移动通信技术，彻底改变了人们的生活方式和工作方式

16、。无论是工作还是生活，各种无线通信设备已经是人们不可缺少的需要。而相关的电磁兼容问题也就愈来愈多，愈来愈复杂。 如果(rgu)不能很好的规划、设计，无线设备与非无线设备之间、无线设备与人之间都会存在严重的电磁兼容问题：性能恶化、相互干扰、相互破坏、危害健康。如果不能很好地规划、设计，总有那么一天，无线通信技术的发展对于信息知识的影响可能就不是健康的，而是恶性的。无线电通信技术的发展总的来讲有一个饱和度，一旦超过这个限度，那么无线通信技术革新愈发展，破坏性愈大。 电磁兼容技术动态与展望(zhnwng) -无线电通信技术中的电磁兼容问题共三十七页移动通信技术的发展，必须解决一些关键的电磁兼容问题，

17、使得技术的发展建立在一个合理的基础结构之上：既兼顾到各种无线电技术不同种类之间的电磁兼容性问题，也兼顾到今天和将来技术持续性发展的电磁兼容性问题。研究工作必然包括系统内部和系统之间的电磁兼容两个方面。 1 作为一个系统，特别具有高频器件和电路(dinl)的无线电系统，其内部的电磁兼容问题非常复杂。对于高速信息传输系统尤其要给予重视 2 另外，一些关键的、来自于系统之间的电磁兼容性问题也必须引起重视。 电磁兼容技术动态与展望(zhnwng) -无线电通信技术中的电磁兼容问题共三十七页宽带无线通信系统与窄带(zhi di)无线系统之间的电磁兼容问题 移动通信系统、无线接入系统、无绳和寻呼系统之间的

18、电磁兼容问题 地面无线电系统、同温层系统和卫星系统之间的电磁兼容问题 宽带、超高速移动通信与其他系统之间的电磁兼容性问题 无线电系统与其他系统之间的电磁兼容性，包括包括家用电器、军事通信、医院设备、广播等 电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -无线电通信技术中的电磁兼容问题共三十七页 总括起来，由于无线电通信系统的发展，我们面对(min du)的电磁兼容问题包括：系统内部和外部、系统之间的工作频谱设计、寄生信号和非线形发射及感应结构的研究；各种无线业务包括新业务的电磁兼容概念、定义和标准的研究；面向对象，尤其是宽频带系统电磁兼容模型，分析方法和实验方案的研究；满足电磁兼容标准的宽带移动通信系统与

19、网络的概念、定义和方案的研究与提出。 开展这些工作的目的，旨在提高新移动通信业务的可靠性和广泛的可应用性，制定无线电业务的电磁兼容定义、概念和标准，提高无线电通信业务对于信息社会信息传输和信息保障的能力，实现良性的无线电通信系统的发展。电磁兼容技术动态(dngti)与展望 -无线电通信技术中的电磁兼容问题共三十七页计算机作为一种数据处理和存储系统，外界电磁场干扰可能对其正常运行和信息安全造成(zo chn)危害；而作为一种电子设备，它的寄生辐射和电磁泄漏也可能污染外界电磁环境或造成(zo chn)自身信息失密。计算机系统的电磁兼容性已成为一个迫切需要研究的问题。 计算机电磁兼容性问题具有一般电

20、子设备的共性，又有其突出的特点。它既是一个敏感设备，又是一个干扰源。 电磁兼容技术动态(dngti)与展望 -计算机中的电磁兼容共三十七页计算机的外界干扰主要来源是射频干扰、工频电源干扰、静电干扰及雷电脉冲干扰等四类 。提高计算机系统的抗干扰能力的措施概括起来主要有几个方面。 1. 首先，从硬件、软件设计着手提高系统自身的抗干扰能力，在硬件设计中要进行EMC设计，综合采用各种抗干扰措施，在软件设计中，冗余技术、容错技术、标志技术、数字滤波技术都是有效方法，逻辑电路技术与软件技术的巧妙结合，可以用来作为抑制噪声的有力工具。 2. 其次，屏蔽接地是提高计算机抗干扰能力的又一有力措施，屏蔽包括机房屏

21、蔽、整机屏蔽、元部件之间的屏蔽和隔离，电源的进线及传输线的输入线和输出线也应屏蔽接地。系统与机房不仅要有良好的接地，而且要有针对性对交直流接地、高频接地、防雷接地和安全接地进行合理设计。 3. 此外，滤波也是抑制传导耦合干扰的重要方法。电源线滤波器可以显著降低来自供电网的干扰，在屏蔽体的出入口或导线的适当位置安装滤波电路也是非常必要的。采用光技术能传输高密度信息不易(b y)受电磁感应噪声影响，是提高计算机抗干扰能力的途径。电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -计算机中的电磁兼容共三十七页计算机的寄生辐射和传导所造成的电磁泄漏具有很宽的频谱，它一方面是外部敏感设备的噪声源；另一方面也造成计算机数

22、据(shj)信息的失密和失窃的可能。 抑制计算机电磁泄漏的手段主要是屏蔽技术、接地技术、滤波技术、隔离技术和源场抵消技术。此外。采用光纤接口可有效地提高微机系统防电磁泄漏的能力。 实验表明，采取防泄漏措施之后，传导泄漏在整个频段内都能达到技术标准要求，对于辐射泄漏，除低频段、主振频率及其倍频之外，也都能达到标准的要求。 电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -计算机中的电磁兼容共三十七页TEMPEST技术是在电磁兼容（EMC）领域发展起来的一个新的研究方向。TEMPEST计划的具体内容是针对信息设备的电磁辐射与信息泄漏问题，从信息接收和防护两个方面所展开的一系列研究和研制工作，包括信息接收、破译水

23、平、防泄漏能力与技术、相关规范标准及管理手段等。由于计算机系统是各种信息处理设备中最关键和重要的组成部分，因而也是利用信息设备的电磁发射来获取信息情报更为及时、准确、广泛、连续，且安全、可靠、隐蔽。正是这样(zhyng)，TEMPEST防护研究一般都是针对计算机系统及其外设配置而言的。TEMPEST的研究对象还包括接收系统、电传机、数字电话等。 总之，在信息化社会，研究计算机TEMPEST技术已和研究计算机病毒一样，被认为是涉及计算机安全的重要方面。电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -计算机中的电磁兼容共三十七页 信息化社会的电子产品越来越趋向高速、宽带、高灵敏度、高密集度和小型化，这种趋势导

24、致了EMC问题更加严重。计算机系统中PCB是一个典型(dinxng)的代表，PCB的电磁兼容问题是目前微型计算机设计中急待解决的技术难题。 印刷电路板（PCB）中带状线、电线、电缆间的串音和电磁耦合 数字PCB的采用使计算机的电磁辐射加重 逻辑电路技术与软件技术的巧妙结合，可以用来作为抑制噪声的有力工具； 采用光纤或光束传输信号和处理信号的技术，显示了无可比拟的优越性和广泛的应用前景。 电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -计算机中的电磁兼容共三十七页人类在地球上已生存了几十万年，人类的生存和发展过去仅仅是在地球自然磁场伴随下的，而近百年人类却要生活在数百万千瓦的电能环境中，对人的生态及人体的健

25、康究竟会有什么影响(yngxing)呢？ 电磁波和生物组织的作用，有很强的频率依赖性。当前研究最多的是两个频段，一个是电力工频（50-60赫），另一个是无线电波段（射频），包括微波在内。近年来，在这一研究领域内，获得很大进展。它形成了一系列的无线电辐射照射的标准。但是总的来说，在已得到的数据库中，还缺乏系统的长期的测试结果。 电磁兼容技术动态(dngti)与展望 -电磁场的生态效应 共三十七页低频场的生态效应 ，输电线电场对环境的影响：国外医学研究结果表明，强电线的电磁场对人体组织将产生有害影响。输电线引起电磁环境问题的因素是输电线电晕放电的杂波（可听噪音、电视、收音机杂波等）、臭氧以及导体内

26、电流及电压所产生的磁场及电场。日本在1976年修改(xigi)的电气设备技术标准中明确指出，在离地面高度为1米处的电场强度应在3千伏米以下；在美国电气安全规范（NESC）等文件中并没有明确规定超高压输电线下电场强度允许值，但通常取810千伏米。 电磁兼容技术(jsh)动态与展望 -电磁场的生态效应 共三十七页射频场的生物效应 高频辐射和生物组织的相互作用，是多种参数的复杂函数。通过理论计算和试验方法，可以确定在外部电磁场的照射下，人体与动物组织中所感应的电磁场。就是这些电磁场和人体与动物组织相互作用，才产生种种(zhngzhng)效应。 在剂量学中，广泛采用所谓比吸收率SAR（Specific

27、 Absorption Rate）来度量电磁辐射在生物单位组织中所感应的电场。它等于在生物组织单位质量中所沉淀（Deposition）的能量率。它的单位可表示为每公斤组织瓦（Wkg）。近年来，在剂量学的研究，无论在理论计算方面还是在试验方面，都获得了很大的进展。 电磁波对生物组织的效应，可分为热效应和非热效应。热效应的机制比较明确，当组织中感应的电磁场达到一定的数值后，体温就会升高。电磁波的非热效应和机制还不很清楚。 总之，电磁辐射对动物和人体的影响是一个重要的研究课题，尽管已经取得了很大的进展，但没有搞清楚的问题还很多，仍需开展更多的研究，特别是系统的、长期的、合乎科学规范的测试研究。 电磁

28、兼容技术动态与展望 -电磁场的生态(shngti)效应 共三十七页电磁污染的防护措施 1 为了防止工频强电场的影响，如场强超过允许值，维护人员应采取防护措施，例如(lr)戴屏蔽帽、穿屏蔽衣等； 2 居住在强电线附近的居民则应视污染程度采取相应措施，其实用房屋本身的结构来屏蔽居住者就很有实际意义； 3 高频场则可按一定的步骤采取有效的措施进行防护。 电磁兼容技术动态(dngti)与展望 -电磁场的生态效应 共三十七页国际上关于电磁场生态效应的科研新动态 随着环境保护意识的增强，人们对暴露在电磁场中可能危害健康的问题极为关心。世界各国有关科技人员对此进行了必要的研究。研究的中心问题是：电磁场对包括人类在内的各种生物的组织作用后产生的生物效应。目前，对“电磁(dinc)污染”及“电磁(dinc)饥饿”的研究正在形成一门新的交叉学科电磁(dinc)生态学。预计今后它回迅速发展并涉及更广泛的内容。 电磁兼容技术动态与展望 -电磁场的生态(shngti)效应 共三十七页电磁兼容技术动态与展望 -电磁(dinc)环境效应