電磁干擾的危害與電磁兼容技術(shù)

吉林省遼源市第五中學(xué) 田 雨 唐生亮 于海英

電磁干擾的危害與電磁兼容技術(shù)

吉林省遼源市第五中學(xué) 田 雨 唐生亮 于海英

隨著電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電磁干擾問(wèn)題逐漸得到關(guān)注。本文分析了電磁干擾可能對(duì)電子設(shè)備的影響和對(duì)人的身體健康構(gòu)成的威脅，并簡(jiǎn)單介紹了電磁兼容的發(fā)展過(guò)程、主要研究?jī)?nèi)容和應(yīng)用方向。

電磁干擾；電磁兼容技術(shù)；電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)；電磁屏蔽；濾波

1.引言

自上世紀(jì)中期開始，電子技術(shù)迅速興起并得到了高速發(fā)展。在各種新型電子設(shè)備不斷給人類社會(huì)帶來(lái)改變的同時(shí)，也帶來(lái)了很多新興的社會(huì)問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，而電子設(shè)備的電磁干擾問(wèn)題就是眾多問(wèn)題中的一個(gè)。現(xiàn)在，電子設(shè)備不僅應(yīng)用于電器、電力電子、醫(yī)學(xué)等傳統(tǒng)行業(yè)，更廣泛應(yīng)用于航空航天、通信、計(jì)算機(jī)等新興行業(yè)。隨著集成電路的高速迭代，電子技術(shù)也向高頻、高能量密度的方向發(fā)展，更使電磁環(huán)境更加惡劣[1]。

本文首先分析了電磁干擾對(duì)電子設(shè)備和人體健康帶來(lái)危害的嚴(yán)重性；回顧了電磁兼容技術(shù)的興起與發(fā)展以及電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的制訂；并分別從電磁屏蔽、電磁吸收、濾波和接地幾個(gè)方面，簡(jiǎn)單介紹了電磁兼容技術(shù)。

2.電磁干擾的危害

目前，各種各樣的電子設(shè)備已經(jīng)融入現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人們生活不可侵害的一部分。但與此同時(shí)，電磁干擾的問(wèn)題也日益突出，影響著電子設(shè)備的穩(wěn)定工作，甚至是人們的身心健康[2]。

2.1 電磁干擾對(duì)電子設(shè)備的危害

電磁干擾一般可以分為自然干擾和人為干擾，其中自然干擾主要由各種自然現(xiàn)象所造成，而人為干擾則是由于人工裝置所產(chǎn)生。自然干擾的主要原因包含：大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲、沉積靜電噪聲及熱噪聲。人為干擾源又可以分為功能性干擾和非功能性干擾。功能性干擾指的是有一定功能的電子設(shè)備(如雷達(dá)、電視、通信設(shè)備等)在工作時(shí)，產(chǎn)生的電磁能量對(duì)其他設(shè)備造成影響；非功能性干擾指電子設(shè)備在實(shí)現(xiàn)自身特定功能時(shí)，伴隨發(fā)出的副作用而形成的電磁干擾，比如開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的放電電弧、汽車點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的電火花等。

以上所分析的電磁干擾，會(huì)以輻射電磁干擾或傳導(dǎo)電磁干擾的形式，對(duì)空間的電子設(shè)備或處于同一回路的電子設(shè)備造成干擾，影響其他設(shè)備的穩(wěn)定工作，甚至引起災(zāi)難性后果。比如，在醫(yī)用電子領(lǐng)域，從短波到微波的各種電療設(shè)備、外科用高頻手術(shù)刀等，在工作時(shí)電磁能量的對(duì)外發(fā)射，會(huì)產(chǎn)生空間輻射干擾，影響其他設(shè)備的可靠運(yùn)行。又如，在飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)使用手機(jī)、筆記本電腦等電子設(shè)備時(shí)，產(chǎn)生的電磁干擾噪聲也會(huì)通過(guò)空間輻射，影響飛機(jī)上大量的傳感器的工作，如果引發(fā)飛機(jī)的導(dǎo)航等系統(tǒng)的故障，甚至?xí)?dǎo)致空難的發(fā)生。

2.2 電磁干擾對(duì)人體健康的危害

人類正在被各種電子設(shè)備所包圍，并暴露于電磁輻射之中。當(dāng)電磁輻射強(qiáng)度超過(guò)人體所能承受的限度時(shí)就構(gòu)成了電磁輻射污染，甚至導(dǎo)致健康風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題[3]。電磁輻射能量通過(guò)對(duì)人體組織器官的作用而產(chǎn)生傷害，其主要表現(xiàn)包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)兩個(gè)方面。

熱效應(yīng)是指在電磁輻射的強(qiáng)度較大(＞10cm/cm2)時(shí)，使身體或器官的溫度升高。電磁輻射對(duì)細(xì)胞加熱，會(huì)使人體的血液流通加快，引起發(fā)熱，產(chǎn)生生理或神經(jīng)反應(yīng)等。另外研究表明，射線能透過(guò)深度與電磁干擾的頻率有關(guān)，低于1GHz的射線能透入深部組織，而高于3GHz的電磁輻射，能量主要被皮膚吸收。

非熱效應(yīng)是在電磁輻射的強(qiáng)度低于10cm/cm2的環(huán)境中長(zhǎng)期作用所引起的。非熱效應(yīng)的機(jī)理目前還有待進(jìn)一步研究，但其對(duì)人體的危害確實(shí)存在。在一定頻率和強(qiáng)度的電磁場(chǎng)中，人的血液特性會(huì)發(fā)生微波變化，另外染色體結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)變異。國(guó)外醫(yī)學(xué)研究表明，高壓輸電線路所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)人身體產(chǎn)生危害，住在高壓輸電線附近的居民，血液和神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)受不同程度的損傷，甚至一些人受此影響而死亡。

3.電磁兼容技術(shù)

3.1 電磁兼容技術(shù)的發(fā)展

1833年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律；1864年麥克斯韋建立了著名的“麥克斯韋方程組”，并預(yù)言電磁波的存在；1888年赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。電磁干擾現(xiàn)象最早出現(xiàn)的記錄是19世紀(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的“單線電報(bào)間的串?dāng)_”。1881年，英國(guó)著名科學(xué)家希維塞德發(fā)表了“論干擾”的文章，是研究電磁兼容技術(shù)的早期文獻(xiàn)。1889年，英國(guó)郵電部門研究了通信干擾的問(wèn)題，美國(guó)《電世界》雜志刊登了電磁感應(yīng)的文章。

20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路技術(shù)，使人類進(jìn)入信息時(shí)代，但電磁干擾問(wèn)題日趨嚴(yán)重，促進(jìn)了電磁兼容技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家相繼開展電磁兼容方面的研究，并在分析、預(yù)測(cè)、測(cè)量、設(shè)計(jì)等方面取得了一定成果。目前，電磁兼容已經(jīng)成為信息系統(tǒng)的重要指標(biāo)[4]。

3.2 電磁兼容技術(shù)的內(nèi)容

國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB72A-2002《電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語(yǔ)》中對(duì)電磁兼容(EMC, Electromagnetic Compatibility)的定義是[5]：設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能夠一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。包括兩方面的內(nèi)容：設(shè)備、分系統(tǒng)等在預(yù)定電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級(jí)；且不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)不可接受的電磁干擾。

電磁兼容技術(shù)的研究緊密圍繞電磁干擾三要素——干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備進(jìn)行。電磁兼容技術(shù)的內(nèi)容可概括為：研究電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和電磁干擾源的特性；研究電磁干擾是通過(guò)什么途徑傳播，以及如何切斷這些傳播通道；研究敏感設(shè)備對(duì)干擾產(chǎn)生什么響應(yīng)，以及如何增強(qiáng)其抗干擾能力。

3.3 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)可以分為四級(jí)，包括基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、通用標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)器類標(biāo)準(zhǔn)和專用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，世界上很多國(guó)家和組織都制定了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，用途較為廣泛的主要有國(guó)際電工委員會(huì)(IEC, International Electrotechnical Commission)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR, International Special Committee on Radio Interference)規(guī)范、歐盟設(shè)備和產(chǎn)品質(zhì)量與安全標(biāo)準(zhǔn)(CE, 法語(yǔ)Confomite Europeene)，以及我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)、美國(guó)的聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC, Federal Communications Commission)標(biāo)準(zhǔn)、我國(guó)的軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB)和美軍標(biāo)(MIL, Military Specifications)等[6]。

4.電磁兼容技術(shù)的應(yīng)用

電磁兼容技術(shù)主要包括電磁屏蔽、電磁吸收、濾波和系統(tǒng)接地等方面的應(yīng)用。

4.1 電磁屏蔽

電磁屏蔽是抑制電磁干擾的一種有效方法，利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥善帘误w限制電磁干擾。通過(guò)屏蔽措施，達(dá)到兩方面的目的：一方面可以使干擾源從屏蔽體一面耦合，從而抑制干擾源能量的泄漏；另一方面也可防止外來(lái)的干擾進(jìn)入某一區(qū)域。工程中常用的電磁屏蔽如下幾種[7]：

(1)靜電屏蔽。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，采用內(nèi)部存在空腔的導(dǎo)體，使其內(nèi)部任一點(diǎn)的電場(chǎng)為零，導(dǎo)體內(nèi)部沒有電荷，電荷只分布在其表面。

(2)磁場(chǎng)屏蔽。磁場(chǎng)屏蔽包括低頻磁場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽。對(duì)于低頻情況，可使用鐵、硅鋼片等磁導(dǎo)率高、磁阻小的鐵磁材料制成屏蔽罩，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽。而對(duì)于高頻磁場(chǎng)，屏蔽材料應(yīng)使用低電阻率的銅、鋁等金屬，利用在屏蔽體上形成的渦流反磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽。

(3)電纜屏蔽。為防止線纜向外發(fā)射干擾以及空間電磁場(chǎng)對(duì)線纜的影響，可以使用金屬材料制成屏蔽層包覆在線纜外，達(dá)到屏蔽的效果。常見的線纜屏蔽形式有：金屬屏蔽層、金屬編織網(wǎng)、箔帶包裹屏蔽等。另外，常見的屏蔽雙線電纜，采用雙線對(duì)絞平衡線，可以傳輸頻率高于10MHz的高頻信號(hào)。

4.2 電磁吸收

對(duì)于射頻，特別是微波輻射，也常利用吸收材料進(jìn)行微波吸收。它是根據(jù)匹配諧振原理研制而成，將微波能轉(zhuǎn)化為熱能。微波吸收的方案有兩個(gè)：一是僅用吸收材料貼附在罩體上將輻射電磁波能吸收；二是把吸收材料貼附在屏蔽材料罩體上，進(jìn)一步消減射頻電磁波的透射。吸波材料主要有以下幾種：

(1)鐵氧體系列吸波材料。吸收強(qiáng)，頻帶寬，如鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體、鋇鐵氧體等。

(2)微粉吸波材料。反射小，吸收高，如納米碳化硅纖維。

(3)多晶鐵磁性金屬纖維。重量輕、頻帶寬、斜入射性能好，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)纖維長(zhǎng)度、直徑及排列方式調(diào)節(jié)吸收體的電磁參數(shù)。

(4)電介質(zhì)陶瓷吸波材料。如鋯鈦酸鉛、BaTiO3，吸波效果好，但吸收帶寬小。

(5)導(dǎo)電高分子材料。可通過(guò)摻雜調(diào)節(jié)電導(dǎo)率來(lái)控制其吸波性能，且密度小。

4.3 濾波

電磁兼容設(shè)計(jì)中的濾波器主要有電源EMI濾波器和信號(hào)濾波器。

電源EMI濾波器放置在電子設(shè)備供電線路上，通常設(shè)計(jì)為低通濾波器。既可以保證設(shè)備中開關(guān)器件產(chǎn)生的高頻噪聲傳導(dǎo)至供電網(wǎng)絡(luò)，也可以將電網(wǎng)中的干擾噪聲濾波，起到保護(hù)設(shè)備的作用[8]。

信號(hào)濾波器的目的確保信號(hào)的不失真?zhèn)鬏敚鶕?jù)應(yīng)用情況可以分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。比如帶通濾波器可以用于在通信接收端，針對(duì)通信頻率設(shè)計(jì)，濾波除其他頻段的干擾。在一些敏感的高頻信號(hào)線路上，可以采用高能濾波器，濾除電源50Hz或400Hz的低頻噪聲。而在數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)，為防止高頻噪聲的干擾，可以使用低通濾波器。

4.4 系統(tǒng)接地

系統(tǒng)接地是系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)的重要手段，也是設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基本要求。系統(tǒng)接地包括安全接地和信號(hào)接地。

安全接地是將電氣電子設(shè)備的外殼通過(guò)低阻抗的導(dǎo)體與大地連接，保證人員及設(shè)備的安全。人體與機(jī)殼接觸時(shí)，等效于機(jī)殼與大地之間連接了人體電阻，且人體的電阻變化范圍很大。流經(jīng)人體的完全電流為50mA，而在系統(tǒng)安全接地的情況下，人體電阻與接地電阻并聯(lián)，流經(jīng)人體的電流會(huì)大大降低，滿足安全要求。人工接地體常用形式有豎直埋入地下的鋼管、角鐵和平放的圓鋼、扁鋼，還有環(huán)形、圓板型和方形的金屬導(dǎo)體。為減小接地電阻，常將幾個(gè)接地體連接起來(lái)構(gòu)成組合接地體。

信號(hào)接地也可稱為系統(tǒng)基準(zhǔn)接地，為信號(hào)電壓提供一個(gè)0電位的參考點(diǎn)。地線是信號(hào)的回流路徑，因而地線的兩端由于電流流過(guò)而產(chǎn)生電壓，導(dǎo)致地線的電位不等，這就是地線干擾的根本原因。在系統(tǒng)內(nèi)部，可以采用阻抗低的金屬板作為信號(hào)地平面，接地線也使用銅線等導(dǎo)線，滿足接地要求。設(shè)備的接地方式主要有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮接地四種。

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