第----二----章---电磁兼容基础

第二章电磁兼容基础和机理董积平[e-mail]010-6874402013366077317电磁环境电磁环境是提出和确定设备或系统电磁兼容性指标要求,实施电磁兼容的前提。在进行电磁兼容设计之前•必须分析预期的电磁环境,确定电磁环境电平;•并从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手,做好电磁兼容设计的前期工作。只有首先明确和依据预期的电磁环境,确定和遵循正确的设计、研制、试验、生产、安装、使用和维修的要求和步骤,并在整个寿命期内采取充分的管理保障措施,才能最佳地达到所希望的水平。电磁环境由各种电磁骚扰源产生。因此电磁环境即设备、分系统或系统在执行规定任务时,可能遇到的各种电磁骚扰源的数量、种类、分布以及在不同频率范围内功率或场强随时间的分布等有关电磁作用状态的总和。此外,在分析电磁环境的时候还应考虑骚扰脉冲的重复频率、脉冲宽度、频谱覆盖范围、骚扰源天线主瓣和副瓣以及极化等因素。电磁骚扰源的特性1.规定带宽条件下的发射电平2.频谱宽度按照电磁骚扰能量的频率分布特性,可以确定其频谱宽度。连续波骚扰中,交流声骚扰的频谱宽度最窄,而脉冲骚扰中,单位脉冲函数的频谱宽度最宽。3.波形电磁骚扰有各种不同的波形。波形是决定电磁骚扰频宽度的一个重要因素。4.出现率电磁骚扰场强或功率随时间的分布与电磁骚扰的出现率有关.按电磁骚扰的出现率可分为周期性骚扰、非周期性骚扰和随机骚扰三种类型。5.辐射骚扰的极化特性极化特性指在空间给定点上,骚扰场强矢量的方向随时间变化的特性,取决于天线的极化特性。当骚扰源天线和敏感设备天线极化特性相同时,辐射骚扰在敏感设备输入端产生的感应电压最强。6.辐射骚扰的方向特性骚扰源朝空间各个方向辐射电磁骚扰,或敏感设备接收来自各个方向的电磁骚扰的能力是不同的,描述这种辐射能力或接收能力的参数称为方向特性。7.天线有效面积这是表征敏感设备接收骚扰场强能力的参数,显然,天线有效面积越大,敏感设备接收电磁骚扰的能力也越强。电磁骚扰源的分类1.按电磁骚扰源分类，可分为自然骚扰源和人为骚扰源两类。•自然骚扰源以其不可控制为特点.例如:电子噪声、天电噪声、地球外噪声、沉积静电等。•人为骚扰源以其可知并且可控为特点.例如:各种发射机产生的杂散辐射等无线电骚扰，工业、科学、医疗设备产生的非无线电骚扰等。2.按电磁骚扰源的性质分类,可分为脉冲骚扰源和平滑骚扰源两类。3.按电磁骚扰源的作用时间分类,可分为连续骚扰源、间歇骚扰源和瞬变骚扰源。•连续骚扰源是长期起作用的电磁骚扰源;•间歇骚扰源是短期起作用的电磁骚扰源;•瞬变骚扰源为作用时间很短,而且为非周期性的电磁骚扰源。4.按电磁骚扰源的功能性和非功能性可以分为功能性骚扰源和非功能性骚扰源。功能性骚扰源是指某系统正常工作的同时,又直接构成对其它系统的骚扰.如:无线电台、工业、科学、医疗设备等产生的骚扰.非功能性骚扰源指某系统正常工作时的“副产品”.如大功率开关、继电器等产生的骚扰。5.按电磁骚扰源传播的途径可以分为辐射骚扰源和传导骚扰源，或两者的组合。自然骚扰源自然骚扰源根据其不同的起因和物理性质可分为电子噪声、天电噪声、地球外噪声以及沉积静电等其它自然噪声共四类。它们所产生的电磁骚扰,其统计特性变化很大,有时呈频谱平坦的高斯分布,有时又呈现偶尔发生的脉冲骚扰。这类骚扰是一种客观存在,只有掌握其分布及变化规律,才能提供电磁环境电平。1.电子噪声源电子噪声主要来自设备内部的元器件,是决定接收机噪声系数的重要因素。在一定的温度下，导体中电子与分子撞击会产生一个短暂的电流小脉冲，由于随机性，电流小脉冲的平均值为零。但电子的随机运动会产生一个交流成分。从直流到微波，具有均匀的功率谱密度。2.雷电噪声天电噪声是大气层中发生的各种自然现象,包括雷电、等,所产生的无线电噪声能引起电磁骚扰,频率范围从低频到超高频。30MHz以下占优势的自然骚扰源,对无线电通信影响很大，脉冲功率大，有破坏性。雷电的电磁效应主要体现在以下三方面：（1）静电效应，使物体上呈现高电位而放电。（2）电磁感应，金属物体在雷电流产生的电磁场中会感应出高幅值的脉冲电流或电压。（3）行波及干扰效应，雷电在传输线路或通信线路上形成行波，危害或干扰远处的电子设备。3.宇宙噪声即来自地球外层空间的噪声,主要噪声源包括太阳、天空背景辐射和分布在银河系的宇宙源。频率几十MHz至200MHz，干扰电平0.1～1ｕV。4.大气噪声除了雷电噪声之外，在大气中如能形成满足电荷分离和储存条件也会出现放电噪声现象。大气中的水蒸气、雪、砂、烟尘、水滴等物质碰击电子设备的电路或天线，造成电荷转移或静电放电，从而引起随机电流而产生噪声。频率小于几十MHz，干扰电平0.01～100ｕV，随频率的升高而增大。另外，地球磁场也会由于各种原因而产生大幅度的波动，这种波动会在电力系统和通信系统中引发电磁干扰。人为骚扰源人为骚扰可分为无线电骚扰和非无线电骚扰两大类。由两种方式产生：一种是用电设备工作时，设备电路中的交变电流通过辐射或传导对其它设备造成电磁干扰；另一种是用电设备的用电量不断地发生变化，这些变化造成了电路中的瞬态过程，瞬态过程有很宽的频谱。电力设备、转换设备发生技术故障也会引发电磁瞬态过程。1.连续干扰源：比较有规律的高频振荡，工作谐波或近似于谐波干扰，窄带，或分布在基本振荡频率附近。干扰源容易确定，干扰源特性可以预测。这种骚扰源有以下几种:（1）发射机：所产生的电磁骚扰包括有意发射信号、谐波发射信号以及乱真发射信号。（2）本机振荡器：接收机本振所产生的基波和谐波可经过电源线传导,然后从机壳或天线直接辐射。(3）交流声:是由进入系统的周期性低频信号所引起的连接波骚扰。2.脉冲干扰源：单脉冲或脉冲串，波形、宽度、重复频率都是随机的，干扰特性由脉冲的波形和重复频率决定。频谱宽，一般用统计的方法来评价脉冲干扰源的影响。3.间接干扰源：与机械运动有关。车、船、飞机与烟尘、雪片摩擦起电－电晕放电，产生的干扰强度取决于运动速度，大约与速度的立方成正比。闭合导线在磁场中运动、压电效应等都是此类。主要影响产生干扰的设备。4.接触干扰源：元件和金属连接面之间的接触阻抗在系统运动时会产生变化而引起的电磁干扰。既有连续分量，又有离散分量，大多数情况下具有准脉冲的性质，数MHz的频带。典型的人为干扰源及其特性1.点火系统：脉冲片断，宽度几微秒到几毫秒，个别可达1－6ns。在30－300MHz之间干扰最强。大多数基于电气击穿机制，磁场分量小，集中在最低频，电场强度很大。未加干扰抑制装置的汽车，电场强度可达500ｕV/m。影响范围60－80m。2.输电线系统：用电和输电设备暂态过程、雨、雪、雾和空气湿度大时高压输电线和设备电晕放电辐射、通过电容和电感耦合放电产生谐波。频谱宽度为14kHz-1GHz。直流高压线中的谐波频率0.3-150kHz，谐波电压可达数千伏，谐波电流可达数十安培。3.电感性设备：电动机、变压器等设备的开、停，电弧焊的时断时续的瞬变工作过程以及负荷改变都会使工作电流改变并且产生脉冲电流。当发生过载时，变压器进入饱和状态（非线性）产生谐波。电动机的频谱约为10kHz-1GHz。电弧焊的干扰可以超出标准数百倍。4.开关和继电器：开关和继电器触点的闭合或打开会伴随火花放电（电动机电刷和整流子之间也是如此）。火花放电产生的电磁脉冲会产生电磁干扰引发电路误动作。过渡过程产生的电压峰值是正常值的几十到几百倍。触点之间的放电包括气体放电（气体电离）和电弧放电（触点金属高温而气化）。电子设备内部的干扰源1.TTL的开关噪声：包含几十到几百MHz的高频成分，一般2V、20ns的噪声就足以使TTL逻辑器件产生误动作。TTL电路所产生的须状噪声约为0.5-1.5V，宽度为5－10ns。2.动态RAM（DRAM）：DRAM的存储单元是电容器，以电容器放电为基础的部件。DRAM快速充放电电流的峰值是100mA，频率可达100MHz，因此能够经过电源线和接地线产生串扰和公共阻抗噪声。3.电源和接地：电源设备将电网中的高频噪声或电源设备工作中的电磁噪声经直流通路传送到电子电路上造成干扰。其它噪声也会通过电源和接地通路产生干扰。4.振荡器件及变压器5.静电放电和输入/输出端的干扰：电磁干扰的基本要素干扰源辐射干扰传导干扰敏感设备电容耦合电感耦合电路耦合近场耦合远场耦合rλ／2πrλ／2π有时两种干扰途径同时存在开关电源数字脉冲电路数字视频设备220AC为了实现电磁兼容，必须从上面三个基本要素出发，运用技术和组织两方面措施。所谓技术措施，就是从分析电磁干扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有效的技术手段，抑制干扰源、消除或减弱干扰的耦合、降低敏感设备对干扰的响应或增加电磁敏感性电平；为了对人为干扰进行限制，并验证所采用的技术措施的有效性，还必须采取组织措施，制定和遵循一套完整的标准和规范，进行合理的频谱分配，控制与管理频谱的使用，依据频率、工作时间、天线方向性等规定工作方式，分析电磁环境并选择布置地域，进行电磁兼容性管理等。传导耦合途径要求干扰源与敏感设备之间有完整的电路连接，该电路可包括导线、供电电源、机架、接地平面、互感或电容等。只要共用一个返回通路将两个电路直接连接起来，就会发生传导耦合。辐射耦合途径是干扰源的能量以电磁场的形式传播的。根据干扰源与敏感设备的距离，有近区场和远区场之分。近区场和远区场是从源点到场点的距离和电磁波波长相比较而言的。所谓近区场，是指从源点到场点的距离远小于波长；所谓远区场，是指从源点到场点的距离远大于波长。近区场只存在能量的交换而无能量的传播。所以，近区场也叫感应场；近场耦合（系统内部）也叫感应耦合。远区场形成了向外传播的能量。所以，远区场也叫辐射场；远场耦合（系统之间）也叫辐射耦合。在近区场和远区场之间有一个感应和辐射并存的过渡区。电磁辐射源的基本理论只要有电荷和电流的存在，空间中就会产生电场、磁场或电磁场。静电荷和稳定的电流产生稳恒的电场和磁场；变化的电流产生变化的电磁场（电磁波）；这是天线发射理论的基础。天线接受理论的基础是导体在变化的电磁场（电磁波）中会感应产生电流。电磁辐射干扰的过程可以看作是一种天线效应。所有的电磁辐射可以分为两大类：基本形式和标准形式；基本形式包括电偶极子（电流元）和磁偶极子（磁电流元）；标准形式主要指天线。电偶极子电子设备中的电路连接导线和印刷电路板上的每根金属线，它们的长度与电磁波的波长相比为同一个数量级以上，在假设没有反射和折射的情况下，可以看作是由若干个电流振幅和相位不同的电偶极子组合而成。电偶极子是和电磁波的波长相比足够短的电流元（变化的电流）；电偶极子还可以看作是距离很小的两个等值异号的点电荷所组成的系统（变化的电压），这也是电容理论的基础。磁偶极子电子设备中的金属板上的小孔、缝隙、小槽或者导线圆环等，可以看作磁偶极子。磁偶极子是面积和电磁波的波长相比足够小的电流环。辐射耦合途径是干扰源的能量以电磁场的形式传播的。根据干扰源与敏感设备的距离，有近区场和远区场之分。近区场和远区场是从源点到场点的距离和电磁波波长相比较而言的。所谓近区场，是指从源点到场点的距离远小于波长；所谓远区场，是指从源点到场点的距离远大于波长。近区场只存在能量的交换而无能量的传播。所以，近区场（rλ／2π）也叫感应场；近场耦合（系统内部）也叫感应耦合。远区场（rλ／2π）形成了向外传播的能量。所以，远区场也叫辐射场；远场耦合（系统之间）也叫辐射耦合。在近区场和远区场之间有一个感应和辐射并存的过渡区。电偶极子的辐射场电偶极子的辐射功率222)(40lIPl电偶极子的辐射功率不但和电流的大小有关，还和电偶极子的电尺寸有关。l磁偶极子的辐射功率426)(160rIPr磁偶极子的辐射功率不但和电流的大小有关，还和电偶极子的电尺寸有关。磁偶极子的辐射功率对频率的敏感程度比电偶极子要明显得多。r天线的谐振与阻抗匹配天线作为电路中的一个负载，输入阻抗为：inininjXRZ谐振和行波阻抗匹配（行波）0inX