淺析電磁兼容技術及其實現措施

馮偉明 楊艷鋒

中國電子科技集團公司第三十四研究所 廣西 桂林 541004

引言

自20世紀中期開始，電子技術迅速興起并得到了高速發展。各種新型電子設備和新技術促進了人類社會的快速發展，同時社會信息的井噴式增長和信息實時價值的極大提高，也促進電子設備和新技術不斷向小型化和高速率等方向快速發展。為保證電子設備在復雜環境中長期穩定可靠的運行，電子設備的電磁干擾問題是眾多問題中必須解決的一個問題[1-2]。從應用行業分析，電子設備不僅應用于電器、電力電子、醫學等傳統行業，也廣泛應用于航空航天、通信、計算機等新興行業。從應用場景分析，電子設備不僅應用于人機交互密切的辦公環境，也應用于各類裝置云集、遍布各類大功率設備、電磁環境復雜的工業環境，還應用于需要防御雷電等危害的野外環境。為了保證電子設備在不同環境中穩定可靠的工作，需要考慮設備的電磁兼容性問題。

本文首先介紹了電磁兼容的概念；分析了電磁干擾對電子設備和人體健康帶來的危害；介紹了電磁兼容技術和電磁兼容三要素，并從電磁兼容三要素出發列舉了部分電磁兼容實現的主要措施。最后對典型工業環境中的電快速瞬態脈沖群干擾產生的機理、試驗方法和預防措施進行了淺析。

1 電磁兼容的概念

電磁兼容是指設備或系統在電磁環境中性能不降級的狀態。電磁兼容，一方面要求設備或系統內部沒有嚴重的干擾源，一方面要求設備或系統自身具有一定抗電磁干擾的能力。電磁兼容是一門新興的綜合性邊緣學科，它主要研究電磁波輻射、電磁干擾、雷擊、電磁屏蔽、電磁材料等方向[3-4]。

電磁兼容包括電磁干擾和電磁敏感度。電磁干擾是指電子設備自身工作過程中產生的電磁波，對外傳導輻射，從而對設備自身或系統其他部分的設備儀器等造成干擾。電磁敏感度是指設備受到電磁干擾的敏感程度，越敏感的設備，越容易受到干擾。從某種意義講，正是因為有了電磁干擾才會有電磁兼容，電磁敏感度達標才能實現電磁兼容。

1.1 電磁干擾

電磁干擾可以分為自然干擾和非自然干擾，其中自然干擾主要由各種自然現象所造成，而非自然干擾則是由于人類生產相關的活動產生的。

電磁干擾會通過空間輻射或者線纜傳導的形式，對一定空間環境內的電子設備或有電氣線路連接的同一系統內的電子設備造成干擾，對所有設備造成干擾，具有高電壓、較強輻射和大能量特點的干擾，會對暴露在該環境中的人身健康造成危害。

實驗室環境下對設備電磁干擾的測試主要包括：輻射發射、傳導發射、諧波和閃爍。

1.2 電磁敏感度

電磁敏感度是指設備或系統受到電磁干擾時，設備功能和性能發生變化的程度，它是檢驗設備或系統抗干擾能力強弱的。考核設備和系統電磁敏感度指標的試驗和測試主要包括：靜電、瞬態脈沖干擾、電壓跌落、傳導抗擾、浪涌雷擊和工頻磁場抗擾度等。工業環境常見的干擾有

1.3 電磁干擾對電子設備和人身健康的危害

人類周圍布滿了各種各樣的電子設備，每個人都不可避免地暴露在各種電磁輻射中。當電磁告干擾的強度超過人體所能承受的限度時，就會導致健康風險。電磁輻射能量通過對人體組織器官的作用而產生傷害，而靜電和雷擊等會直接造成人身危害[5]。

自然干擾對電子設備和人身健康的危害主要包括：大氣層的天電噪聲和地球外層空間的宇宙噪聲對高頻信號的干擾、沉積靜電對電子設備和人身健康可能造成一定損害和危害，以及雷電等對電子設備和人身健康可能造成較大損害和危害。

非自然干擾對電子設備和人身健康的危害主要是指：電力、電子等設備工作時對外輻射傳導的電磁干擾等，可能對自身或者周邊環境內的電子設備和人身健康造成一定危害或者永久的損害等。

2 電磁兼容技術

2.1 電磁兼容技術的內容

電磁兼容技術主要是實現某一環境中設備、系統、配套設施和人的一種兼容共存，將該環境中每一個組成部分看成一個因素，環境中某一因素的正常運轉不會導致其他因素出現不被期望的狀態，環境中偶爾存在或長期存在的、無法避免和消除的不利影響，不會導致整個環境中任何一個因素出現停工或者損壞。

電磁兼容技術的研究緊密圍繞電磁干擾三要素——干擾源、耦合途徑和敏感設備進行。電磁兼容技術的研究內容可概括為：電磁干擾產生的機理和電磁干擾源的特性，以及如何從機理和源頭上減弱甚至消除防干擾；電磁干擾的傳播途徑，以及如何在這些傳播途徑上減弱干擾甚至切斷這些傳播通道；研究敏感設備對干擾產生的響應，以及如何增強其抗干擾的能力。

2.2 電磁兼容三要素

2.2.1 電磁干擾源。任何形式的自然或者電能裝置所發射的電磁能量，能使共享同一環境的人或者其他生物受到傷害，或使其他設備、分系統或系統發生電磁危害，導致性能降低或失效，即稱為電磁干擾源。表征電磁騷擾源的特性主要有：規定帶寬下的發射電平、頻譜寬度、波形、出險率、輻射騷擾的極化特性、輻射騷擾的方向特性等。

2.2.2 耦合途徑。耦合途徑即傳輸電磁騷擾的通路或媒介。電磁干擾耦合的途徑主要包括傳導耦合、共阻抗耦合、電感應耦合、磁感應耦合和輻射耦合[6]。

2.2.2.1 傳導耦合。導線經過有干擾的環境，即拾取干擾信號并經導線傳導到電路而造成對電路的干擾，稱為傳導耦合，或者叫直接耦合。在音頻降和低頻的時候，由于電源線、接地導體、電纜的屏蔽層呈現低阻抗，電流注入這些導體時容易傳播，當噪聲傳導到其他敏感電路時，就能產生干擾。在高頻的時候，導體的電感和電容將不容忽視，感抗隨著頻率的增加而增加，容抗隨著頻率的增加而減小。

2.2.2.2 共阻抗耦合。當兩個電路的電流經過一個公共阻抗時，一個電路的電流在該共用阻抗上形成的電壓會影響另一個電路。

2.2.2.3 電感應耦合。干擾電路的端口電壓會導致干擾回路中的電荷分布不均勻，分布不均勻的電荷產生的電場會部分經過其他電路，當電場發生變化時，其他電路的單元回路中就會形成感應電流，當感應電流較大時就會影響其他電路的正常工作。

2.2.2.4 磁感應耦合。干擾回路中電流產生的磁通會部分經過其他電路，當磁通變化時，會在其他電路中形成感應電壓，當感應電壓較大時就會影響其他電路的正常工作。

2.2.2.5 輻射耦合。輻射源向自由空間傳播電磁波，感應電路的兩根導線會像天線一樣接收電磁波，形成干擾耦合。干擾源距離敏感電路較近時，如果輻射源有低壓大電流流過，則磁場起主要作用；如果輻射源有高壓小電流流過，則電場起主要作用。

2.2.3 敏感設備。敏感設備是指當受到電磁干擾源所發射的電磁能量的作用時，會受到傷害的人或其他生物，以機會出現電磁危害，導致性能降低或失效的器件、設備、分系統或系統等。許多器件、設備、分系統或系統可以既是電磁干擾源又是敏感設備。

2.3 電磁兼容實現措施

從電磁兼容三要素出發，為實現電磁兼容技術，主要有如下的處理措施。①針對傳導耦合，有效措施是阻止導線的感應噪聲，采用適當的屏蔽將導線隔離，或者在騷擾進入導線之前，用濾波的方法將其減弱到可接受水平或消除。②針對共阻抗耦合，有效措施是優化電路設計，改善電路的瞬態特性，增大電路的感抗，條件允許的時候，直接進行電路隔離。③針對電感應耦合，有效措施是減小敏感電路的阻抗，改變導線本身的屏蔽性或對敏感電路進行隔離。④針對磁感應耦合，有效措施是通過屏蔽、垂直走線或者增大距離的方法，盡量減少兩導線之間的互感。⑤針對輻射耦合，有效措施是保證敏感電路或設備良好的屏蔽和有效的接地，可以采用金屬機箱和多點接地的方式來降低干擾。

3 電快速瞬態脈沖群抗擾度試驗

電快速瞬態脈沖群抗擾度試驗也屬于電磁兼容性試驗中的一項測試。對于工作在典型工業環境中的電子設備，設備的供電電源端口、信號、控制和接地端口都可能會受到電快速瞬變脈沖群的干擾。GB/T 17626涉及電氣和電子設備對重復性電快速瞬變脈沖群的抗擾度要求和試驗方法。

3.1 干擾產生的機理

典型工業環境中沒有對電源端口進行特殊的防護，在切換瞬態過程時會產生瞬變騷擾，特別是切斷大功率感性負載、電源控制繼電器觸點的彈跳，都會產生電快速瞬態脈沖群。

電快速瞬態脈沖群產生的機理為：對于感性負載，進行切換前電感中儲存有一定的能量，切斷后電感中的能量會以瞬變的形式進行釋放；電源控制繼電器觸點的彈跳會產生高頻的開關操作，同樣會產生電快速瞬態脈沖群，觸點切換的速度和切換后開路情況下觸點的耐壓能力等會影響瞬變電壓的幅度。

3.2 試驗方法

按照如圖1所示的電快速瞬態脈沖群抗擾度試驗框圖，連接受試設備和測試儀器等，進行電快速瞬態脈沖群抗擾度試驗。

圖1 電快速瞬態脈沖群抗擾度試驗框圖

耦合方法：使用規定尺寸和特性的耦合夾，在與受試設備線路沒有任何電源連接情況下，以共模形式將騷擾信號耦合到受測試設備的線路上。

耦合網絡：用于將能量從一個線路傳送到另一個線路的電路。

去耦網絡：用于防止施加到受試設備上的電快速瞬變電壓影響其他不被試驗的儀器、設備和系統等。

3.3 預防措施

由于電快速瞬變會由電容耦合感應來傳遞，將供電線纜和信號傳輸線纜進行良好的屏蔽和接地，可以有效預防電快速瞬變。電快速瞬變干擾會被屏蔽層阻隔而不會對屏蔽層內的電源和信號造成干擾，同時良好的接地可以將干擾傳輸到大地，有效消除干擾。

4 結束語

目前，針對電磁兼容技術的研究越來越多，例如，針對干擾源的相關研究、基于干擾耦合途徑的研究，以及針對敏感設備電磁防護的研究等，各研究方向普遍針對電磁兼容技術中的某一點進行了研究分析以及相對應的整改和預防措施，要保證小型化和更高頻率電子產品在高度集中和電磁干擾復雜的環境中穩定運行，該領域仍存在很大的研究和發展空間。