《工程电磁兼容》课件-第4章

第4章电磁兼容性控制4.1分析和解决电磁兼容性问题的一般方法4.2电磁骚扰的抑制策略4.3空间分离4.4时间分隔4.5频率划分和管制4.6电气隔离习题

一般而论,实现电路、设备和系统的电磁兼容性,需要采取的技术措施可分为两大类:第一类是尽可能选用相互干扰最小、符合电磁兼容性要求的器件、部件和电路,并进行合理布局、装配,以组成设备或系统;第二类是考虑形成电磁干扰的三要素,实施屏蔽、滤波、接地和搭接等技术抑制和隔离电磁干扰。这两大类控制电磁兼容性的技术措施紧密相连、相互影响,所以组合使用可以获得最佳效果。

例如电路、设备和系统选择合适的信号电平、阻抗、工作频率以及电路、设备的合理布局将会降低对屏蔽、滤波、接地的要求。同样的,电路、设备和系统的良好接地又可以降低它们对屏蔽和滤波的技术要求;良好的接地、屏蔽还可以降低电路、设备和系统对滤波器的技术要求。因此,从系统电磁兼容性的要求出发,采用并行和系统的电磁兼容性设计,全面、合理实施抑制电磁干扰的策略和技术措施,是保障电磁兼容性的前提。

4.1分析和解决电磁兼容性问题的一般方法

4.1.1问题解决法问题解决法(theproblem-solvingapproach)是指在建立电路、设备和系统之前不专门考虑电磁兼容性问题,而是先进行研制,然后根据研制成的电路、设备和系统在装配、调试中出现的电磁干扰问题,应用各种抑制干扰的技术去解决。

用问题解决法分析和解决电路、设备和系统的电磁兼容性问题,首先必须正确地确定骚扰源。为了做到这一点,要求从事电磁兼容工作的工程师和技术人员能够比较全面地熟悉各种骚扰源的特性。在调试、装配现场清楚地确定下列问题将有利于解决电磁骚扰问题:

①干扰多久发生一次?是连续的还是周期性的?是否有规律?

②干扰的频率是多少?是否是周围电路、设备工作频率的谐波造成的?

③干扰的幅度是多大?

④干扰是宽带的还是窄带的?

4.1.2规范法

为了满足电磁兼容性要求,各国政府和工业部门尤其是军事部门都指定了许多强制执行的标准和规范,例如美国军用标准MIL－STD－461/2(MIL－STD－461/2apply

toequipment

and

subsystems

only)、MIL－STD－464

(is

a

document

applicable

to

all

a

gencies

of

the

Department

of

Defense

in

the

United

States

that

contains

system

level

EMCrequirements),中国的国家标准GB4824-1996《工业、科学、医疗射频设备电磁骚扰特性的测量方法和限值》。

随着电磁兼容性标准和规范的完善和发展,电磁兼容性分析、设计方法发展成比较合理的规范法。规范法(thespecificationapproach)是指按照已经颁布的电磁兼容标准和规范进行设备和系统的设计、制造、装配。这种方法可以在一定程度上预防电磁干扰问题的出现,比问题解决法更为合理。但由于标准和规范不可能是针对某个设备和系统制定的,因此,试图解决的问题不一定是要解决的问题,只是为了适应规范而已。另外,规范是建立在电磁兼容经验基础上的,没有进行电磁干扰的分析和预测,因而往往导致过量的预防储备,可能使设备和系统的研发成本增加。由于电磁兼容性标准和规范在一定程度上反映了设备或系统中存在的共性问题以及解决问题的规则,因此规范法对系统电磁兼容性分析、设计提供了预见性和综合性。

必须注意的是,满足电磁兼容性标准和规范的部件装配成的设备,不一定满足设备的电磁兼容性要求;满足电磁兼容性标准和规范的设备组成的系统,不一定满足系统的电磁兼容性要求。

4.1.3系统法

系统法(thesystemapproach)是采用计算机技术,按照预测程序,针对某个特定设备或系统的设计方案进行电磁兼容性分析和预测的方法。系统法从设计阶段开始就用分析程序预测在设备、系统中将要遇到的那些电磁干扰问题,以保障设备和系统的电磁兼容性,并在设备或系统的设计、试验、制造、装配过程中不断对其电磁兼容性进行分析和预测。

一般在设备、系统设计早期若考虑电磁兼容性设计,则比较容易采取有效的技术措施,所需经费较少。根据美国贝尔实验室分析论证,在新产品设计阶段能把电磁干扰抑制在电路组件级、设备级或分系统级,就可以消除电磁干扰的80%~90%。反之,如果在产品试制成功后,发现电磁干扰再来解决它,问题就显得困难多了,无论在抑制电磁干扰的技术上,还是在投资的费用以及体积、质量上都会成倍增长,使费效比上升,造成很大的浪费。

4.2电磁骚扰的抑制策略

电磁兼容性学科是在早期单纯的抗干扰方法基础上发展形成的,两者的目标都是为了使设备、系统在共存的电磁环境中互不产生干扰,最大限度地发挥其工作效能。但是,早期单纯的抗干扰方法和现代的电磁兼容技术相比,两者在控制电磁骚扰的策略、技术和实施方法上有着显著的差别。

单纯的抗干扰方法在抑制电磁干扰的策略上比较简单,或者认识比较肤浅,主要的思路集中在怎样设法抑制电磁骚扰的传输上,因此工程技术人员处于极为被动的地位,哪里出现电磁干扰就在哪里就事论事地给予解决,当然经验丰富的工程师也会采取预防措施,但这仅仅是被动的、依据经验的、局部的、单纯对抗式的解决方法。然而,电磁兼容技术在抑制电磁骚扰的策略上则采用了主动预防、整体规划、“对抗”与“疏导”相结合的思想方法。人类在征服大自然产生的各种灾难性危害中,总结出的预防和救治、对抗和疏导等一系列策略,在抑制电磁危害中同样是极其有效的思维方法。

就抑制电磁骚扰的方法而言,除了采用众所周知的抑制电磁骚扰传输的技术措施,例如屏蔽、滤波、接地、搭接、合理布线等方法以外,还可以采取回避和疏导的技术处理,例如空间方位分离、时间闭锁分隔、频率划分与回避、吸收和旁路等。有时这些回避和疏导技术简单、巧妙,可以替代成本昂贵、体积和质量较大的抑制电磁骚扰的装置,收到事半功倍的效果。精明的工程师们经常采用回避和疏导技术。

在抑制电磁骚扰的时机选择上,建议从问题解决法转移到系统法。也就是由电路、设备和系统研制后期暴露出不兼容问题而采取挽救、修补措施的被动控制方式,转变为在电路、设备和系统研制的初始设计阶段就开展电磁兼容性的预测、分析和设计的主动控制方式。预先全面规划电路、设备和系统的电磁兼容性实施细则和步骤,检验、计算电磁兼容性,做到防患于未然。将电磁兼容性设计和可靠性设计、维护性和维修性设计、基本功能设计、结构设计等同时进行,并行展开。

表4－1列出了电磁兼容性控制策略和电磁骚扰抑制方法的分类情况。

4.3空间分离

空间分离是抑制空间辐射骚扰和感应耦合骚扰的有效方法。它通过加大骚扰源和接收器(敏感设备)之间的空间距离,使骚扰电磁场到达敏感设备时其强度已衰减到低于接受设备敏感度门限,从而达到抑制电磁干扰的目的。由电磁场理论可知:在近区感应场中,场强分布按1/r3衰减;远区辐射场的场强分布按1/r减小。因此,空间分离实质上是利用干扰源的电磁场特性来有效抑制电磁骚扰的。

空间分离的典型应用在电磁兼容性工程中经常遇到。例如,在空间距离允许的条件下,为了满足系统的电磁兼容性要求,尽量将组成系统的各个设备间的空间距离增大;在设备、系统布线中,限制平行线缆的最小间距,以减少串扰;在印制电路板(PCB)设计中,规定印制线(trace)条间的最小间隔。

空间分离也包括在空间有限的情况下,对骚扰源辐射方向的方位调整、骚扰源电场矢量与磁场矢量的空间取向控制。例如,舰船、飞机和导弹上有许多通信设施,由于空间条件的限制,它们只能安装在有限的空间范围内。为了避免天线间的相互干扰(天线对天线的耦合),常用控制天线方向图的方位角来实现空间分离。为了使电子设备外壳内的电源变压器铁芯泄漏的低频磁场不在印刷电路板中产生感应电动势,应该调整变压器的空间位置,使印制电路板上的印制线与变压器泄漏的磁场方向平行。

4.4时间分隔

当骚扰源非常强,不易采用其他方法可靠抑制时,通常采用时间分隔的方法,使有用信号在骚扰信号停止发射的时间内传输,或者当发射强骚扰信号时,使易受骚扰的敏感设备短时关闭,以避免遭受损害。人们把这种方法称为时间分隔控制或时间回避控制。时间分隔控制有两种形式:一种是主动时间分隔,适用于有用信号出现时间与干扰信号出现时间有确定先后关系的情况;另一种是被动时间分隔,它是按照干扰信号与有用信号出现的特征,使其中某一信号迅速关闭,从而达到时间上不重合、不覆盖的控制要求。

对于有用信号出现时间与干扰信号出现时间有确定先后关系的情况,应采用主动时间分隔方式。例如干扰信号出现在t1至t2的时间内,而有用信号在时间t1之前出现,此时应提前(在时间t1前)发送有用信号,或者加快有用信号的传输速度,使有用信号在干扰信号出现之前尽快传输完毕。如果有用信号出现在干扰信号之后,可采用延迟发射电路让干扰信号通过后再使有用信号发射。这样就可以使接收信号的设备在时间上将干扰信号与有用信号区分开来,达到剔除干扰的目的。

如果干扰信号是阵发性的,而有用信号出现时间又是不可能预先确定的,这样就不能确定干扰信号和有用信号的出现时间,只能由其中一个来控制另一个,使干扰信号与有用信号分隔。例如飞机上的雷达工作时,发射强功率电磁波,是机载电子设备的强干扰源。为了不使无线电报警装置接收干扰信号而发出警报,可采用被动时间分隔法。由雷达先发送一个封锁脉冲,报警器接收封锁脉冲后立即将其电源关闭。这样雷达工作时,报警器就不会发出虚假警报,实现了时间分隔。雷达关闭后,报警器又重新接通电源恢复工作。时间分隔还可以应用于系统的不同任务剖面。

时间分隔方法在许多高精度、高可靠性的设备或系统中经常被采用,例如卫星、航空母舰、武器装备系统等。它已经成为简单、经济而行之有效的抑制干扰的方法。

4.5频率划分和管制

频率划分或频率分配(FrequencyAllocation)是指给某一种业务划定一个或一组使用频率的范围。任何信号都是由一定的频率分量组成的,利用信号的频谱特性将需要的频率分量全部接受,将干扰的频率分量加以剔除,这就是利用频率特性来控制电磁干扰的指导思想。在这个原则下形成了许多具体方法,如频谱管制、滤波、频率调制、数字传输、光电传输等具体技术方法。

4.5.1频谱管制

为了防止电磁信号相互干扰,人们把频谱资源进行了合理分配和管理,以减少有意发射电磁波的相互干扰。例如将频谱划分成许多频段,不同用途的电磁波只能在自己的频段内工作和传播。我国现行的无线电波段名称和频率范围见表4－2。

习惯上又将微波波段划分成若干频段并赋以相应的命名,详见表4－3。

4.5.2滤波

滤波技术是一种常用的抑制电磁骚扰的技术措施。滤波的实质是将信号频谱划分成有用频率分量和骚扰频率分量,剔除和抑制骚扰频率分量。详细内容我们将在后续章节中介绍。

4.5.3频率调制

通常在长距离信号传输过程中容易引入骚扰,而且这种骚扰的频谱较宽,频率范围难以确定。为了提高信号传输质量,可采用频率调制的方法。信号调制分为幅度调制和频率调制,详细内容参见其他通信原理方面的书籍。

4.5.4数字传输

数字传输技术是将待传输的信号经过高速采样、模/数转换,使之变成数字信号,成为一系列对应于原信号幅度的调制脉冲。

数字传输技术的采样频率应大于两倍以上传送信号的最高频率成分,否则信号的信息就不能全部包含在数字信号中。经过采样后,将连续变化的信号波形变成阶梯形状的波形,通常称为量化。量化会带来误差,其误差大小取决于采样频率。当信号电平较小时,可提高采样频率来缩小量化误差。在数字传输技术中,还可以采用非线性量化的压缩和扩展技术,使量化噪声均匀。

信号的数字传输技术实质上也是一种频率变换的方法。

4.5.5光电传输

随着光纤技术的发展,通信工程中越来越广泛地采用光纤传输信号。因为光信号的波长远小于一般电磁骚扰的波长,所以如同频率划分一样,它不会受电磁干扰。光电传输过程是:采用光电二极管或半导体激光器将电信号转换成红外光或可见光,使光的强度与电信号成比例变换,然后通过光导纤维传输,到达接收器后,再由光敏器件将光信号还原成电信号。

4.6电气隔离

电气隔离是避免电路中传导干扰的可靠方法,同时还能使有用信号正常耦合传输。常见的电气隔离耦合原理有机械耦合、电磁耦合、光电耦合等。机械耦合是采用电气—机械的方法,例如用继电器将线圈回路和触头控制回路隔离开来,产生两个电路参数不相关联的回路,实现电气隔离,但控制指令却能通过继电器动作从一个回路传递到另一个回路中。

电磁耦合采用的是电磁感应原理。例如变压器初级线圈中的电流产生磁通,此磁通再于次级线圈中产生感应电压,使次级回路与初级回路实现电气隔离,而电信号或电能却可以从初级传输到次级。这就使初级回路的干扰不能由电路直接进入次级回路。变压器是电源中抑制传导干扰的基本方法,常用的电源隔离变压器有屏蔽隔离变压器。隔离变压器(isolationtransformer)的隔离方法,要求信号内没有直流分量。当信号的频域宽广时,把含直流分量的信号调制成交流信号,经电压互感器或电流互感器将其送到接收器再进行解调,这种隔离方法常用于工业检测领域。

光电耦合是采用半导体光电耦合器件实现