系统EMC设计与预测培训课件

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1、微波教研室,2,一、系统级EMC管理 为了保证系统级的电磁兼容性，在研制、生产、使用的全寿命期，都要实施EMC管理。 l. 论证阶段 确定和分析预期的电磁环境效应； 提出一般要求： 研究频谱指配和频率分配； 分析费用及风险： 2。方案阶段 制定电磁兼容设计规范： 选用和剪裁标准； 确定系统、分系统、设备的电磁兼容要求；,系统级EMC设计,3,确定频谱和频率分配，编制频率使用管理文件： 拟定布置方案： 确定EMC试验计划： 确定经费预算和计划进度： 方案阶段EMC评审。 3。工程研制阶段 在功能设计的同时，进行EMC设计： 实施电磁兼容设计规范： 确定使用和维修中的EMC要求； 工程研制阶段EM

2、C评审。 4。定型阶段,系统级EMC设计,4,系统级EMC设计,二、系统级EMC设计基本参数 1。频谱指配与频率管理； 2。接地准则： 3。电搭接设计： 4。屏蔽设计： 5。隔离要求： 6。雷击浪涌防护： 7。静电防护： 8。电磁脉冲防护； 9。设备安装准则； l0。天线安装准则,5,12。通信天线布置要求 通信系统功率限制要求： 通信系统频率隔离要求： 天线隔离度要求： 天线方向性 13 武器装备的布置 14 电子、电气设备的布置 15 馈线与电缆的布置 16 减少散射骚扰的设计 17 减少非线性效应的措施 18 减少散射金属物件 19 使用吸波材料,系统级EMC设计,6,系统级EMC设计,

3、准备试验专门设备和设施。 6。系统级EMC试验内容 系统总装过程中的接地电阻和搭接电阻测试： 电源线传导骚扰测试： 系统自兼容试验： 系统电磁环境试验。 三、电磁兼容诊断与分析 电磁兼容诊断测试可用于系统研制的任何阶段，只是在初级阶段用诊断测试可以早发现问题早解决问题。预先估计骚扰的可能来源和骚扰的传播是正确设计电子系统的必要条件,7,系统级EMC设计,独立系统电磁兼容性预测研究的若干问题 因此是综合性很强的边缘学科，同时又是实践性很强的应用学科，其研究的最终目的就是要保证系统或子系统的兼容性。 传导干扰预测分析的建模工作可分为四种等级： (1)分立器件级，包括耗能、贮能和磁性元器件的模型及各

4、种功率半导体开关器件的建模技术； (2)集成模块级，主要是集成电力电子模块内部寄生参数的抽取和建模技术； (3)装置级，主要是各种功率变流器和PCB电路拓扑的建模； (4)系统级，为前面三种等级的综合，包括的内容多，涉及的理论也比较复杂，是EMC建模的最终目标。,8,3、电磁兼容建模中的关键问题 (1)重点研究电路理论对传导电磁干扰特征问题的描述方法。包括电压和电流过冲、瞬变、跌落等现象，谐波分析，共地阻抗的耦合问题等。 (2)重点研究集中和分布参数对于系统和回路间能量耦合问题的描述方法。包括导线间互感和寄生电容引起的低频电磁场耦合问题，环境电磁骚扰引起的场路耦合问题，以及不同载流特性线缆之间

5、的串扰问题。 (3)重点研究传导干扰与辐射干扰相互耦合和转化问题。涉及高频辐射分析时，不仅要分析电磁场在空间的传播和反射，而且需要分析回路中导线产生的辐射场、辐射场与回路中导线的耦合及回路之间分布互感的耦合。 (4)重点研究电磁场方法对大功率电路和互连系统寄生参数的建模方法。,电磁兼容预测技术,9,电磁兼容本身就是一门综合性学科，而系统的电磁兼容性又是一个整体性概念，因此更需要结合众多学科的理论，其涉及的交叉领域包括： (1)电路建模和电路参数提取方法：系统电磁兼容研究时需要考虑各种寄生参数的影响，因此必须发展电路建模和电路参数提取方法。 (2)复杂物体电磁场的高效计算方法：在独立系统中，往往

6、以金属壳体作为作业平台，系统中各种设备均以该壳体作为公共地平面，故常需要考虑空间电磁场在设备壳体上引起的感应电流，这些设备往往是不规则的，因此需要考虑复杂物体电磁场计算方法。 (3)电磁兼容中测量方法的研究：,电磁兼容预测技术,10,23电磁兼容分析预测阶段 对系统、分系统、各部件、元器件电磁特性进行分析预测，合理分配各项指标要求，并且在系统的整个设计过程中不断地进行修正和补充，使系统工作在最佳状态。电磁兼容预测在三个级别上进行： 1)芯片电磁兼容预测 美国和其他一些西方国家的半导体芯片生产厂家把电磁兼容设计和预测作为生产的第一个主要过程。 2)部件电磁兼容预测 印刷电路板、多芯线、驱动器等电

7、子电气部件本身的电磁兼容预测，以及部件与部件之间的电磁兼容预测。 3)系统电磁兼容预测 对一个飞机、舰船、导弹、飞船等装有多种复杂电子电气设备的系统进行电磁兼容预测。,电磁兼容预测技术,11,空间飞行器的电磁兼容问题 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。在系统中，数以千计的电气电子元器件以随意方式密集分布在非常有限的空间范围内，对系统进行EMC分析预测分为两方面： 1)对系统中可有效分析的基本组成单元，借助各种较为复杂的、准确度较高的电磁数值分析方法，编制相应的分析软件包，建立起尽可能完备的数学模型。 2)将飞行器内部分为若干相对独立的子系统，每一个子系统内部可

8、以等效为一个电磁干扰源或电磁干扰敏感器件，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。,电磁兼容预测技术,12,电磁兼容预测技术,6、无线电信技术中的电磁兼容问题 研究工作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)如下一些关键的、来自于系统之间的电磁兼容性问题也必须引起重视。 a宽带无线通信系统与窄带无线系统之间的电磁兼容问题。 b移动通信系统、无线接入系统、无绳和寻呼系统之间的电磁兼容问题。 c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。 d

9、宽带、超高速移动通信与其他系统之间的电磁兼容性问题。 e无线电系统与其他系统之间的电磁兼容性问题。,13,电磁兼容预测技术,311 电磁兼容性预测基本原理 电磁兼容的管理和计划并不包括在电子设备或系统的设计中。只有当电磁干扰对设备造成不利影响时、或无法通过EMC测试时，制造商才不得不考虑：要么对产品重新设计，要么做出某些修改以满足EMC 电磁兼容性预测(Electromagnetic Compatibility Prediction)是一种通过理论计算对用电子设备或系统的电磁兼容程度进行分析评估的方法。其定义是：在设计阶段通过计算的方法对电气、电子元件、设备乃至整个系统的电磁兼容特性进行分析。

10、这项技术通常应用在系统或设备研制的方案设计阶段和工程研制阶段。电磁兼容预测的目的是为了分析不兼容的薄弱环节，评价系统或设备兼容的安全裕度，为方案修改、防护设计提供依据。,14,电磁兼容预测技术,311 电磁兼容性预测基本原理 电磁兼容性预测的主要作用有4个方面： (1)在已知设备电气特性参数情况下，预测分析系统内部所有设备的电磁兼容程度。 (2)当修改某个设备的特性参数时，分析电磁干扰的变化。 (3)对各种电磁防护设计的评估计算。 (4)制定干扰极限和敏感度规范。,15,电磁兼容预测技术,312 电磁兼容性预测的基本方程 当作用到敏感设备上的电磁干扰大于设备敏感度阈值时，敏感设备将发生干扰，不

11、兼容，表示为:,当干扰信号作用到敏感设备上，由于设备抗干扰能力强，敏感度阈值大于干扰作用值，敏感设备将不受它的影响，而正常工作。这是兼容的情况，表示为:,为了定量表达兼容和不兼容的程度，可以用干扰裕度(Interference Margin)表示，即:,16,电磁兼容预测技术,当IM0时，表示发生干扰，干扰源和敏感设备不兼容，且因IM值大小来表明干扰的严重程度；当IM0时，表示两者兼容，IM越小，安全裕度越大。以无线设备之间通过天线辐射干扰为例，,式中： 为发射频率上的发射功率(dBW)；为在频率上，接收天线方向上发射天线的增益(dB)；L为频率上的传输损耗(dB)；CR为频率为时，在发射天线

12、方向上接收天线的增益(dB)；,17,电磁兼容预测技术,1灵敏度和动态范围 在大多数系统中，都会定义一个最小可检测信号电平(在没有干扰的情况下)。例如GSM标准要求一个102dBm，SNR为912dB。SNR中这3dB的变化量是专虑了各种类型的解调器和基带功能在性能上的差别，但目标是达到的BER比特误差率。,除了总的噪声系数和外，几个其他的接收发送器的特性也影响灵敏度和动态范围。一个通用的测试考察系统对阻塞信号的响应，这是通过测量带内交调、带外交调、二阶交调、交叉调制和互易混合来完成的。,18,电磁兼容预测技术,GSM中的典型阻塞测试 (a)带内交调；(b)带外和二阶交调；(c)带外互调,19

13、,电磁兼容预测技术,313 电磁兼容性预测数学方法概述 从电磁场理论的角度看，建立干扰源及干扰传输与耦合的数学模型就是求解电磁场的Maxwell方程组的问题。 电磁兼容预测分析的数学方程往往是一组微分方程或积分方程，求解时必须根据边界条件来确定解答，归纳起来有三种方法：第一种称严格解析法或称解析法；第二种是近似解析法或称近似法；第三种方法是数值方法。 3131 解析法 解析法包括严格建立和求解偏微分方程或积分方程。 3132 近似法 在数理方法中主要的近似法有逐步逼近法、微扰法、变分法和叠代变分法等。近似法也是一种解析法，但不是严格解析法。它所解得的结果一般都表示为级数。用这些方法可以求解一些

14、用严格法不能解决的问题，用起来比较简便。,20,电磁兼容预测技术,GTD的基本概念可以归纳如下： (1)根据广义费马原理得到绕射定律，绕射场沿绕射射线传播，绕射射线是从源点经绕射点至场点的取极值传播路径。 费马原理：两点间射线的实际轨迹就是使光程取极值的曲线。广义费马原理则把绕射射线也包括在内，并认为绕射射线也是沿最短路程传播的。所谓光程，就是两点间沿某一曲线的积分。这里是媒质的折射率。 (2)根据局部性原理，高频绕射和反射一样，是一种局部现象。也就是说，绕射只取决于物体上绕射点领域内的物理特性和几何特性。 (3)离开绕射点后的绕射射线仍遵循几何光学定律，即沿直线传播。在绕射射线管内能量守恒，

15、绕射场相位延迟等于媒质的传播常数与传播距离的乘积。,21,电磁兼容预测技术,3133 数值法 数值法又可分为纯数值法和解析数值法。用有限求和代替积分。 数值法与解析法相比较，有很多独特的优点。它的出现，使电磁场问题有可能通过计算机辅助分析获得高精度的离散解(数值解) 常用的数值算法分频域和时域。 (1)频域 有限元法(FEM)；矩量法(MOM)；差分法(FDM)；边界元法(BEM)，传输线法(TLM)，快速多极子算法(FMA)，等等。 (2)时域 时域有限差分法(FDTD，Finite-Difference Time-Domain Method)；有限积分法(FIT，Finite Integr

16、ation Technology)，时域平面波算法(PWTD)，等等。,22,电磁兼容预测技术,32 电磁兼容性预测的数学模型 电磁干扰的数学模型实质上是对电磁干扰机理的理论和实验分析的描述。根据电磁干扰发生的三要素，任何电磁干扰的仿真计算都必须包括干扰源模型、耦合途径模型和敏感设备模型 1干扰源模型 单频波(连续波)模型； 梯形脉冲序列模型； 斜波、阶跃波模型； 梯形单脉冲模型； 频谱密度数据模型； 调制波(AM、FM、FSK，及其他数字调制等)模型； 振荡波模型； 噪声波模型。,23,电磁兼容预测技术,2耦合途径模型 传导耦合包括： 导线对导线间的电容性耦合； 导线对导线间的电阻性和电感性耦合。 辐射耦合包括： 天线或导线对电场的接收； 天线或导线对磁场的接收。 利用上述4种耦合模型可以处理天线间的耦合、导线间的耦合、天线与导线间的耦合、机壳间的耦合、机壳与导线间的耦合等问题。,24,电磁兼容预测技术,321 干扰源模型 干扰源模型在本书中