电磁兼容技术基础1

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1、电磁兼容技术基础,同电气安全要求一样，电磁兼容要求已经成为电气产品必须满足的要求之一。各个国家都制定电磁兼容标准，包括民用的和军用的。不满足电磁兼容标准要求的产品是不能销售或交付用户使用的。 1996年1月，由于欧洲采取了十分严格的电磁兼容标准，使得以欧洲为主要市场的电气产品厂家遇到了极大麻烦。我国几乎停止了向欧洲出口产品。对于我国这样的技术较落后国家而言，这种技术标准的贸易壁垒比关税构成的贸易壁垒更难突破。,国防现代化是我国四个现代化中的一个，而国防现代化又是以电子化、信息化为标志的。当大量的电子控制设备、电子信息设备集中在一起时，电磁兼容问题变得越来越突出。因此，所有的军用产品必须满足严格

2、的电磁兼容标准要求。 在这种形垫下，任何一个电气设备的开发人员都必须熟练掌握电磁兼容技术，否则难以设计出符合标准要求的产品。,第一部分 电磁兼容的基本概念,什么是电磁兼容性？ 电子线路、设备、系统相互不影响，从电磁的角度具有相容性的状态。 设备内电路模块之间的相容性 设备之间的相容性 系统之间的相容性,电磁兼容的英文是:Electromagnetic Compatibility. 电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频谱资源等条件下，各种电气设备可以共同工作，并不发生降级的科学。 当各种设备能够共同正常工作时，这些设备就达到了电磁兼容状态。 在实际生活中，有许多电磁不兼容的现象：例如当你打开节能

3、灯时，中、短波收音机的工作就要中断，当你观看VCD时，附近的电视机屏幕上就会出现干扰。 在工业现场，计算机发生死机或误动作的现象更是普遍。,军事上，由于装甲车上装备了计算机，使得电台的通信距离大幅度缩短的现象也是人们习以为常的事情。 随着电子设备的迅速普及，设备之间的电磁兼容性已经成为非解决不可的问题了。 国家技术监督局1989年423号文件（关于严格执行电磁兼容国家标准的通知）中指出：“对于不符合国家标准规定、无线电干扰严重的产品；对于达不到要求的，应该禁止生产和使用。,设备内部电路模块之间的相容性,电路之间的干扰是使设备性能下降的主要原因之一。,一个实际的例子是，某设计人员为了改善传统接收

4、机操作性差的缺点，应用微处理器技术设计了智能化程度很高的智能化接收机，这个接收由接收电路、控制与数据处理电路、显示/输出电路等三部分组成。这时的接收机操作性大为改善，但带来的问题是接收机的灵敏度大大下降。这是因为微处理器电路严重干扰的接收电路的正常工作。 实际上，许多国产电子仪器的性能指标远远低于国外仪器，并不是因为电路设计上的差距，而是由于电磁兼容性设计上的差距，例如国产高频信号源的谐波泄漏严重到不能使用的程度。,设备间的电磁兼容性,设备之间的电磁干扰问题是由于单台设备没有满足相应的电磁兼容标准，产生了较强的电磁干扰发射所至。 特别是数字设备，由于脉冲电流和电压具有很丰富的高频谐波，会产生很

5、强的辐射。实际上只有数字电路普及后，电磁干扰的问题才日益突出。 设备之间的干扰主要通过两个途径，一个是空间电磁波干扰的形式，另一个是通过电源线产生干扰。 例如一台由微处理器控制的设备，当与它插在同一个电源插板上的电风扇接通或断开时，设备中的微处理器就会发生死机或误动作。这是由于电风扇电机的干扰通过电源线传导到了设备内。解决了这个问题的方法是设备的电源输入口处安装电源线滤波器。,电磁兼容设计的目的 设备内部的电路相互不产生干扰，达到预期的功能 设备产生的电磁干扰强度低于特定的极限值 设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗力,第一个设计目的是保证设备本身能正常工作，这是设备必须满足的指标。对于高频电路、

6、数字模拟混合电路这是十分重要的。对于这一类问题，许多设计人员是熟悉的，因为如果不解决好这些问题，他所设计的设备就不能正常工作。,后两个设计目的是设备能够相互兼容，不会相互干扰。当设备不满足后两个指标时，并不会影响设备本身的功能，但当这些设备一起构成系统时可能会造成系统的不正常。许多设计人员对这些要求不了解，只有当他所设计的设备没有通过电磁兼容标准，或当与其它设备放在一起，相互产生了干扰时，才引起他们的注意。,电磁兼容问题三要素,系统要发生电磁兼容性问题，必须存在三个因素，即电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。这三个要素缺一不可。同样，解决电磁兼容问题也是从这三个要素入手。消除三个因素中的一个。 在

7、解决电磁兼容问题时，要分析清楚问题中这三个要素都是什么。然后对症下药地消除其中的某个因素，从而解决电磁兼容问题。,电磁兼容的工程方法,1 测试修改法 2 系统设计法, 测试修改法在设计的过程中尽量采取电磁兼容设计规范，样机完成后，进行测试时如果发现不能满足电磁兼容性要求，再进行改进，直到能满足要求为止。 优点：设计阶段节省专业电磁兼容支持所增加的成本 缺点：在产品的最后阶段解决电磁兼容问题不仅困难大，而且成本很高，这种方法适合比较简单的设备。,2 系统设计法在产品的设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题，并从设计的一开始就采取各种措施，避免电磁兼容问题，由于在设计阶段采取电磁兼容措施，因

8、此可以采取电路与结构相结合的技术措施。采取这种方法通常能在正式产品完成之前解决90%的电磁兼容问题。,电磁兼容工程师的职责,大的电子工程都要设置电磁兼容工程师。电磁工程师的职责就是保证产品以最低的成本、最小的重量和体积满足电磁兼容标准或规范的要求，同时不存在内部电磁干扰的问题。 为了做到这一点，他必须在产品开发的每一阶段开展工作。,在设计的各个方面进行电磁兼容指导，在产品开发的早期解决电磁兼容问题。保证产品的电磁兼容性。,电磁兼容工作程序,电磁兼容工程师从始至终参与项目，其中一项重要工作是对项目组的人员进行电磁兼容要求的讲解，进行电磁兼容设计的培训，对设计结果进行审核。 即使在设计过程中实施了

9、较完善的电磁兼容措施，样机仍有可能不满足电磁兼容标准。对样机进行调试，使其满足电磁兼容要求也是电磁兼容工程师的重要工作。,明确电磁兼容要求,明确子系统EMC要求,EMC总方案,设计图纸审核,EMC试验、解决问题,分系统内和分系统间干扰,向设计组讲解,编写测试方案,修改EMC方案,电磁兼容标准,美国的FCC标准 CISPR标准 欧洲的EN标准 中国GB9254、GB4343、GB4824、GB13837、 GB13838等 中国军标GJB151A=MIL-STD-461D,即使设备的功能完全正常，也要满足这些标准的要求。 不管哪一种标准，都包含了两个方面的内容：电磁干扰发射和敏感度的要求。干扰发

10、射又分为传导发射和辐射发射，敏感度又分为传导敏感度和辐射敏感度。有些标准中还规定了静电放电敏感度。 为了促进国际贸易，国际无线干扰特别委员会（CISPR）于1934年确定了射频干扰的测量方法，1985年对信息技术设备制定了新的发射标准。许多欧洲国家将这个标准作为他们的国家标准。,欧洲的EN标准是最严格的电磁兼容标准。 我国的民用电磁兼容标准GB9254也是引用的CISPR标准。 我国的军用电磁兼容标准GJB-151A/GJB-152A是引用的美国军用标准MIL-STD-461D、462D。,电磁兼容标准的内容,电磁兼容标准,敏感度,发 射,传导,辐射,传导,辐射,电源线,控制线,天线端子,电场

11、,磁场,电场,静电,磁场,电源线,接收天线,瞬态,射频,E,S,CE,CE,RE,CS,RS,FCC、CISPR传导发射限制,FCC和CISPR相比，主要区别在于：FCC的限制频率从450KHz开始，而CISPR的限制频率从150KHz开始。 这个区别很重要，因为这直接关系到电源线干扰滤波器的设计。由于电源线滤波器是一种低通滤波器，因此用于满足FCC标准的滤波器可以在450KHz以上才有衰减，而用于满足CISPR标准的滤波器必须在150KHz就要有一定的衰减。,从低通滤波器的实现原理上看，截止频率越低的滤波器，实现起来越困难，并且体积和成本都较大。因此，后者的体积和成本都要较前者大。 军标的传

12、导发射从100Hz就开始限制，因此用于满足军标的电源线滤波器在实现起来更加困难。,FCC与CISPR辐射极限值,GJB-151A辐射发射极限值,这里的测试距离是1米。这个标准比民用标准大约严格两个数量级（40dB）。 军用标准是十分严格的，一般的数字设备如果不采取屏蔽、滤波等措施，不能达到该标准的要求。,电磁干扰测量场地要求,屏蔽半无反射室 内部除了地面以外，五面贴有吸波材料的屏蔽室 开阔场地 一般在周围没有反射物、空间电磁干扰较少的开阔场地中,电磁兼容测量的场地有两个基本要求，一个是不能有外界干扰，另一个是不能有电磁波的反射。要满足这两个要求，可以采取两个方法，一个是在屏蔽室内粘贴吸波材料，

13、减少反射。吸波材料要贴在除了地面以外的五面壁上，这种环境叫半波暗室。 另一个方法是在电磁环境较好，周围没有电磁波反射问题的地方建立测试环境。 军标由于要测量的信号很弱，因此需要在半无反射室中测试。许多民用标准允许在开阔场中测量。,分贝（dB）的概念 分贝的定义：分贝数=10lg p2/p1 p1 、 p2是两个功率数值，对于电流或电压，定义如下： 电压增益的分贝数=20lg V2/V1 电流增益的分贝数=20lgI2/I2,使用分贝数的好处是，用较小的坐标可以描述很宽的范围。由于在EMC中，干扰的幅度范围很宽，因此用分贝描述更加方便。,频域分析,时域波形,频谱分量,付立叶级数,付立叶变换,EM

14、C分析更多是在频域中进行，并且不考虑相位因素。,由于EMC的标准都是在频域中规定的，因此我们必须能够在频域中对干扰进行分析。付氏变换就是这样一种工具。 对于非周期性的信号，用付氏变换将信号从时域变换到频域。得到的频域波形称为频谱。对于非周期信号，频谱是连续的。对于正确性信号，用付氏级数进行变换。这时的频谱是离散的。即只在有限的频率点上有能量。 频谱分析仪可以对干扰信号进行测量。,特殊的电磁兼容问题,电磁信息发射,干扰其它电子设备,被别有用心的人接收，获取信息,电子设备工作时产生的电磁能量发射会对周围的设备产生干扰，这是大家比较熟悉的电磁兼容问题。但从这些发射信号中获取信息却是一个鲜为人知的事实

15、。 由于电磁发射是设备内的信号电流或电压产生的，因此这些发射中包含了设备中的信号所含的信息。当将这些信号中的信息提取出来时，就获得了设备所处理的信息。 正如当一辆电子化程度很高的汽车经过一个电台时，它的电子系统，如ABS系统，可能会受到干扰而工作异常，但它的收音机却能够接收到电台的信号。,TEMPEST现象,TEMPEST现象是指电子信息设备通过电磁能量发射产生了信息的泄漏发射。 一种典型的现象是CRT显示器上显示的信息的泄漏。将一台普通电视机的行扫描同步电路和场扫描电路稍加改动，使其能够在更大的频率范围内同步扫描。通过两台脉冲信号源来提供与计算机显示器扫描频率相同的同步信号，这样电视机的屏幕

16、上就可以接受到计算机显示的信息。 使用专用的接受的设备，能够在数百米以外接受到计算机系统泄漏的信息。,保密通信系统中的TEMPEST,终端设备,终端设备,终端设备,明文,明文泄漏发射,明文耦合进密文,明文与密文一同发射,保密通信的两个关键性技术是密码技术和TEMPEST技术。如果保密通信系统只采用先进的密码技术，而没有采用TEMPEST技术，保密系统会发生明码的泄漏，造成信息泄漏。 因此，保密通信系统必须采取适当的TEMPEST防护。 保密通信系统中的明码信号称为红信号，密码信号称为黑信号。红信号是不允许泄漏的。,第二部分 电 磁 屏 蔽 技 术,电磁屏蔽,电磁屏蔽的目的是切断电磁波的传播途径。 电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作。,屏蔽前的场强E1,屏蔽前的场强E2,E2=（1/1000） E1,当电磁波穿过某些特定材料时，会产生很大的衰减，这种材料所起的作用就