基于接地、屏蔽、濾波等手段探究設備電磁兼容問題解決策略

白雪敏，謝 然，張進波，于 江，張鳳霞，周化鵬，孫久會

（中國人民解放軍31107部隊，江蘇 南京 210000）

0 引 言

設備、系統(tǒng)在同一個電磁環(huán)境下會共同執(zhí)行相應的功能并且實現(xiàn)共存的狀態(tài)[1]，即電子設備以及電子系統(tǒng)不會因為在相同的電磁環(huán)境下其他設備的電磁作用而引起性能降低或者失效，也不會造成相同電磁環(huán)境下其他電子設備以及電子系統(tǒng)由于電磁作用產(chǎn)生性能降低或者失效[2]。因此，本文將針對電子設備的電磁兼容問題提出解決方案。

1 電磁干擾的主要形式

電子系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境具有一定的復雜性。根據(jù)實際的使用情況，電磁干擾根據(jù)工作的頻率差異可以分為不同的種類與形式[3]。例如，一般電網(wǎng)中會出現(xiàn)諧波信號電壓波動、電網(wǎng)頻率變化、低頻感應電壓、電壓失衡以及電壓供電波動下降、中斷等，從而引發(fā)低頻傳導干擾、磁場以及電場的低頻輻射干擾。因為感應連續(xù)波電壓電流的震蕩瞬變和單向的瞬變會導致高頻傳導干擾、電磁場干擾以及磁場核電場造成的高頻輻射干擾，且材料具有絕緣性，因此會造成靜電放電導致干擾。

電子系統(tǒng)抗干擾能力分析過程中，一定要對系統(tǒng)特點以及使用環(huán)境展開分析。電子電路系統(tǒng)中通常存在以下幾種電磁干擾情況：存在電路回路出現(xiàn)公共阻抗耦合情況，造成電路互相干擾；干擾源和受干擾對象之間具備可以變化的電場，在電容耦合的情況下導致電容干擾；電壓產(chǎn)生干擾。空間電磁波在電場以及磁場上的強度發(fā)生變化，很大程度上會產(chǎn)生感應電勢引發(fā)傳導電流以及傳導電壓產(chǎn)生干擾。交變磁場的干擾源會導致電流產(chǎn)生變化，引發(fā)電感性元件出現(xiàn)感應電壓而造成電感干擾。

2 電磁干擾的傳播方式

電磁干擾傳播的路徑通常分為傳導的干擾方式和空間的干擾方式兩種形式，其中空間干擾又可以分為輻射耦合干擾和感應干擾[4]。

所有條件下的電磁干擾之所以會產(chǎn)生，勢必會存在干擾能量的傳輸以及傳輸?shù)穆窂交蛘咄ǖ馈Ｒ话闱闆r下認為，電磁干擾傳輸主要分為傳導傳輸?shù)男问胶涂臻g傳輸?shù)男问絻煞N形式。分析干擾對象的敏感器方面，干擾耦合又可以分成傳導耦合和輻射耦合兩種形式。

傳導傳輸一定是在干擾源和受干擾對象之間具備的完整電路連接。干擾信號會順著連接電路傳導至受干擾對象，從而產(chǎn)生一定的干擾作用。傳輸?shù)碾娐分饕蓪Ь€、電子設備導電元件、供電元件、公共阻抗、接地平板、電阻電感以及電容等元件組成。

輻射傳輸是借助介質(zhì)以電磁波的方式進行傳播，干擾產(chǎn)生的能量根據(jù)電磁場的規(guī)律擴散到周圍空間。通常情況下，輻射耦合分為以下3種形式：（1）A天線發(fā)射的電磁波在意外情況下被B天線所接收，被稱為天線間的耦合；（2）空間電磁場會順著導線產(chǎn)生感應，進而出現(xiàn)耦合情況，稱為電磁場與天線間的耦合；（3）兩個處于平行狀態(tài)的導線會產(chǎn)生高頻率的信號感應，稱為導線之間的感應耦合[5]。

具體的工作過程中，兩臺電子設備之間出現(xiàn)干擾，包括了很多方式的耦合。因為多種方式的耦合同時出現(xiàn)，耦合情況出現(xiàn)反復交叉的現(xiàn)象，加大了對電磁干擾的控制難度。

3 電磁兼容性以及設計原理

3.1 電磁的兼容性

電氣以及電子設備已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中必不可少的部分，在各行各業(yè)逐漸廣泛使用。此外，電子設備的聯(lián)接也逐漸復雜，功率的提升加上數(shù)量的上漲，促使企業(yè)和社會對電子設備的要求不斷提升。隨著頻帶的逐漸加寬，設備的靈敏度逐漸提升，電磁兼容性問題急需得到有效解決。電磁兼容主要指在電磁環(huán)境下所有的因素都不能夠?qū)﹄娮釉O備以及電子系統(tǒng)造成無法承受的電磁干擾作用，且電子設備以及電子系統(tǒng)能夠保持正常的工作狀態(tài)[6]。電磁兼容技術主要應用于通信、計算機、電子、加工生產(chǎn)以及軍工等方面，是正在不斷發(fā)展與進步的綜合類學科。電磁兼容的相關研究主要是在有限的空間、時間以及頻譜資源情況下，不同的電子設備以及電子系統(tǒng)能夠在相同電磁環(huán)境下共存，且不對其他設備造成任何影響。通過對電磁兼容的定義可知，電磁兼容的內(nèi)涵為設備對同電磁環(huán)境下其他電子設備不會造成無法承受的干擾，并且自身不會受到其他電子設備的干擾導致失效。電磁兼容性的研究十分廣泛，目前研究的重點是電磁干擾源自身的特點，同時電磁發(fā)生的程度、干擾原理、電磁干擾的解決辦法以及電磁干擾的特點等也取得了一定的研究成果。在電子設備本身抗干擾行性能上展開研究，對于實際應用也至關重要。電磁兼容性的相關研究主要包含了自然因素和人為因素等電磁干擾源的影響因素，如閃電、靜電等都屬于自然電磁干擾源。

3.2 抗電磁干擾設計的原理

產(chǎn)生電磁干擾需要滿足以下幾方面因素：一定要具備干擾源，否則無法對電子設備造成電磁干擾；具備傳播電磁干擾的路徑；電子設備能夠接收到干擾信號，同時對電子設備的正常運行造成一定影響。在電子設備受到干擾的情況下，采取技術手段能夠消除電磁干擾對電子設備造成的影響。

電子設備中高頻率干擾十分突出，因此需要采取手段控制電子設備發(fā)出的射頻能量，最大程度上降低對其他電子設備的干擾。為了能夠使電子設備不受到外界因素的干擾，要最大程度上控制進入電子設備的射頻能量。電磁干擾能夠通過輻射以及傳輸?shù)姆绞疆a(chǎn)生，一旦干擾源的能量能夠直接對控制線、信號線以及電源線造成輻射影響且進入電子設備，則能夠借助公共信號和控制電纜等耦合路徑對電子設備造成直接干擾，導致電子設備無法正常運轉(zhuǎn)。所以，需在設備端口以及敏感回路使用共模進行抗干擾，有效控制干擾造成的影響，降低輻射和傳輸?shù)哪芰浚M而提升電子設備的抗干擾能力。

4 電子設備電磁兼容問題解決策略

4.1 接 地

接地指整個電路系統(tǒng)中全部的單元電路都利用設備機殼與大地連接，使整個電子系統(tǒng)獲取共同的參考零電位，確保電路系統(tǒng)正常工作。接地可以很大程度上避免外界的電磁干擾源。電子設備機殼接地能夠使靜電感應下積累在機殼本身的電荷釋放到大地，否則電荷產(chǎn)生的電壓會導致電子設備內(nèi)部火花放電造成設備受損失靈，如圖1所示。此外，接地方式能夠有效防止電子設備因雷電出現(xiàn)電磁感應而受損[7]。工頻交流電源輸入電壓絕緣效果差，在與設備機殼連接時，需采用接地手段來保護工作人員，以免發(fā)生觸電事件。

接地主要包括單點接地、多點接地以及混合接地3種方式。單點接地是在一個線路中只有一個物理點能夠設置為接地點，其他需要接地的物理點需要連接到這一個點上。多點接地是在電路系統(tǒng)中所有接地點都能夠與最近的接地平面進行直接連接，使接地的引線長度控制在最小值。接地的平面可以選擇設備機殼底部，也可以選擇貫穿整個電路系統(tǒng)的接地總線。在相對較大的電路系統(tǒng)中，還能夠選擇電子設備的結(jié)構(gòu)框架進行接地。混合接地借助旁路電容將高頻接地點與接地平面連接。為了有效避免旁路電容和引線電感形成諧振，在選擇混合接地時需要格外注意。

圖1 電磁兼容接地原理圖

4.2 屏 蔽

屏蔽指對兩個空間區(qū)域之間實現(xiàn)金屬隔離來控制電場和磁場，能有效控制電磁波在區(qū)域之間產(chǎn)生感應和輻射。具體而言，就是采用屏蔽物質(zhì)將元件、電路、組合鍵以及電纜等整個電路系統(tǒng)的干擾源進行隔絕，避免干擾電磁場向其他區(qū)域擴散；使用屏蔽物質(zhì)將電路、電子設備以及電路系統(tǒng)進行隔絕，避免受到外界電磁場因素造成的干擾[8]。

由于屏蔽的物質(zhì)能夠?qū)υ醋詫Ь€、電纜、元件以及電路系統(tǒng)等外界的干擾電磁波以及內(nèi)部的電磁波進行能量的吸收、外放、反射（電磁波在屏蔽作用下產(chǎn)生反射情況）和抵消（電磁感應在屏蔽作用下產(chǎn)生反向電磁場，從而抵消部分電磁波干擾），因此屏蔽方式有降低干擾的作用。

4.3 濾 波

濾波器是由電阻、電感以及電容構(gòu)成的網(wǎng)絡，能夠減少電子設備不需要的電磁信號[9]，有效控制電磁干擾。濾波能夠有效降低傳導干擾的影響和傳導干擾導致的輻射干擾。濾波器通常作為前期不良設計的一種補救手段，在可靠性方面不及接地和屏蔽手段，且成本較高，需占據(jù)一定的空間。

濾波器能夠根據(jù)頻率分成低通、高通、帶通以及帶阻幾種類型。根據(jù)形式，濾波器則分成T型、π型、L型以及C型。下面以低通濾波器為例進行說明。低通濾波器是電磁兼容技術中最普遍的手段，構(gòu)成相對簡單。低通濾波器連接在電源和底線之間時，能夠降低共模干擾；低通濾波器連接在印制電路板的直流電源上時，能夠降低電源發(fā)出的噪音。低通濾波器接收頻率范圍較廣，應用廣泛且特性優(yōu)良，如圖2所示。由于電磁干擾的頻譜范圍較寬，濾波器的高頻特點無法通過元件的等效集中參數(shù)進行標識[10]，因此需要針對具體的電源線路選擇濾波器。通常情況下需進行多方面測試來尋找規(guī)律，才能夠驗證具體的使用效果。

圖2 低通濾波器

5 結(jié) 論

現(xiàn)階段科學技術水平不斷提升，在很多領域已經(jīng)取得了顯著成就，微電子技術也逐漸得到了提升與優(yōu)化，電子設備的更新?lián)Q代效率也逐漸提升，促使電磁兼容性的設計與研究成為一項重要工作。電磁兼容是一門相對復雜且具有交叉性的學科，設計和防護上受到了多方面因素的影響。因此，實際工作過程中，需根據(jù)相關工作原理進行積極探索與嘗試，從而找尋有效的解決辦法。