EMI/EMC知识讲座（三）电磁兼容三要素

电磁骚扰源

任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降低或失效，即称为电磁骚扰源。

一、电磁骚扰源的特性

1. 规定带宽条件下的发射电平

2. 频谱宽度

按照电磁骚扰能量的频率分布特性,可以确定其频谱宽度。连续波骚扰中,交流声骚扰的频谱宽度最窄, 而脉冲骚扰中,单位脉冲函数的频谱宽度最宽。

3. 波形
       电磁骚扰有各种不同的波形。波形是决定电磁骚扰频宽度的一个重要因素。

4. 出现率

电磁骚扰场强或功率随时间的分布与电磁骚扰的出现率有关. 按电磁骚扰的出现率可分为周期性骚扰、非周期性骚扰和随机骚扰三种类型。

5. 辐射骚扰的极化特性
       极化特性指在空间给定点上,骚扰场强矢量的方向随时间变化的特性,取决于天线的极化特性。当骚扰源天线和敏感设备天线 极化特性相同时,辐射骚扰在敏感设备输入端产生的感应电压最强。

6. 辐射骚扰的方向特性
       骚扰源朝空间各个方向辐射电磁骚扰,或敏感设备接收来自各个方向的电磁骚扰的能力是不同的,描述这种辐射能力或接收能力的参数称为方向特性。

7. 天线有效面积
       这是表征敏感设备接收骚扰场强能力的参数, 显然,天线有效面积越大,敏感设备接收电磁骚扰的能力也越强。

二、电磁骚扰源的分类

按电磁骚扰源分类，可分为自然骚扰源人为骚扰源和瞬态骚扰源三类。

1.自然骚扰源
       自然骚扰源以其不可控制为特点,自然骚扰源根据其不同的起因和物理性质可分为电子噪声、天电噪声、地球外噪声以及沉积静电等其它自然噪声共四类。
      它们所产生的电磁骚扰,其统计特性变化很大, 有时呈频谱平坦的高斯分布,有时又呈现偶尔发生的脉冲骚扰。

这类骚扰是一种客观存在,只有掌握其分布及变化规律,才能提供电磁环境电平。

(1).电子噪声源
      电子噪声主要来自设备内部的元器件,是决定接收机噪声系 数的重要因素,常见的电子噪声源包括热噪声、散弹噪声、 分配噪声、1/f噪声和天线噪声等。
      (2).天电噪声
      天电噪声是大气层中发生的各种自然现象,包括雷电等,所产生的无线电噪声能引起电磁骚扰,是30MHz以下占优势的自然骚扰源,对无线电通信影响很大。
       (3).地球外噪声
       即来自地球外层空间的噪声, 主要噪声源包括太阳、天空背景辐射和分布在银河系的宇宙源。
       (4).沉积静电等其它自然噪声
       由飞行器放出的静电所造成的电磁骚扰称为沉积静电, 是一个重要的自然骚扰源, 它引起的电磁骚扰会直接影响整个飞行器的效能和安全。飞行器表面静电荷累积和由此引起的电晕放电和流光放电所产生的骚扰, 其频谱分布在几赫至吉赫的范围内, 严重影响高频、甚高频和超高频段的无线电通信和导航。大自然中还存在一些其它自然噪声，也应引起注意。

2.人为骚扰源

人为骚扰源以其可知并且可控为特点,人为骚扰可分为无线电骚扰和非无线电骚扰两大类。
       (1)连续波骚扰源
       连续波骚扰源产生的电磁骚扰主要是纯的或窄带信号 
       调制的正弦波,以及高重复频率的周期性信号。

这种骚扰源有以下几种:
       a. 发射机：所产生的电磁骚扰包括有意发射信号、谐波发射信号以及乱真发射信号。
       b. 本机振荡器：接收机本振所产生的基波和谐波可经过电源线传导,然后从机壳或天线直接辐射。
       c. 交流声: 是由进入系统的周期性低频信号所引起的连接波骚扰。

3.瞬态骚扰源
       工业、科学和医用设备(ISM),车辆、机动船和火花点火发动机装置, 家用电器、便携式电动工具和类似电器、荧光灯和照明装置,以及信息技术设备是主要的瞬态骚扰源。

(1)开关转换动作
       带触点的开关设备断开时,在开关两触点之间的距离由零过渡到断开的瞬间,将产生火花放电而形成骚扰。由于电流迅速从一定值减小到零,di/dt很大,在带有电感线圈的开关设备中会产生幅值很高的瞬时电压脉冲。

(2)在各种电机中，含有整流子和电刷的旋转电机所产生的骚扰最大。

(3)点火装置
       车辆、船舶等采用的内燃机驱动设备内,装有火花点火装置。当所储存的电荷通过火花塞进行火花放电时,放电电流的峰值约200安,放电时间在微秒以内,峰值电压高达10千伏以上。
       (4)高压输电线
       输电线所产生的辐射骚扰有两种类型;间隙击穿和电晕放电。

4. 非线性现象

几乎所有电磁骚扰都与非线性有关。
        (1) 非线性失真
        (2) 开关瞬态
        (3）调制
        (4) 互调

(2).按电磁骚扰源的性质分类,可分为脉冲骚扰源和平滑骚扰源两类。

(3).按电磁骚扰源的作用时间分类,   可分为连续骚扰源、间歇骚扰源和瞬变骚扰源。
        • 连续骚扰源是长期起作用的电磁骚扰源;
        • 间歇骚扰源是短期起作用的电磁骚扰源;
        • 瞬变骚扰源为作用时间很短,而且为非周期性的电磁骚扰源。

(4).按电磁骚扰源的功能性和非功能性可以分为功能性骚扰源和非功能性骚扰源。

功能性骚扰源是指某系统正常工作的同时，又直接构成对其它系统的骚扰。如:无线电台、工业、科学、医疗设备等产生的骚扰。

非功能性骚扰源指某系统正常工作时的“副产品”。如大功率开关、继电器等产生的骚扰。
       (5).按电磁骚扰源传播的途径

可以分为辐射骚扰源和传导骚扰源，或两者的组合。

三、耦合途径

即传输电磁骚扰的通路或媒介。

1.传导耦合
       传导是骚扰源与敏感设备之间的主要骚扰耦合途径之一。

传导骚扰可以通过电源线、信号线、互连线、接地导体等进行耦合。

在音频和低频时,由于电源线、接地导体、电缆的屏蔽层等呈现低阻抗，故电流注入这些导体时易于传播。当噪声传导到其他敏感电路时,就可能产生骚扰作用。

• 在高频时,导体的电感和电容将不可忽略。

此时电抗值将随频率而变化；

感抗随频率增加而增加,容抗随频率增加而减小。

• 在无线电频率范围内,长电缆上的骚扰传播,应按传输线特性来考虑,而不能按集总电路元件来考虑。

解决传导耦合的办法是防止导线感应噪声即是采用适当的屏蔽和将导线分离,或者在骚扰进入敏感电路之前,用滤波方法从导线上除去噪声。

2. 共阻抗耦合

3. 感应耦合

感应耦合是导体之间以及某些部件(例如变压器、继电器、电感器等）。它可分为电感应耦合和磁感应耦合两种。

1).电感应(容性)耦合

源电路上的电压可产生电力线,它与敏感电路相互作用后，就出现电感应（容性）耦合。感应电压是源电压、频率、 导体几何形状和电路阻抗的函数。

2).磁感应（感性）耦合
      当变化的电流产生磁通时，使源电路与另一电路（敏感电路）链环，结果出现磁感应（感性）耦合。

感应电流是原电流、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。

当电流在电路1中流动时，在电路2中产生磁通，使电路1和2之间存在互感M12:

3).辐射耦合
      辐射电磁场是骚扰耦合的另一种方式,辐射电场或磁场。

短单极天线(小于λ/4) 小环天线。

对于辐射耦合，近场与远场的概念是十分重要的。根据麦克斯韦方程，短单极天线的辐射场可写为：

四、敏感设备（Victim)

指当受到电磁骚扰源所发射的电磁量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降低或失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁骚扰源又是敏感设备。

为了实现电磁兼容，必须从上面三个基本要素出发，运用技术和组织两方面措施。

所谓技术措施，就是从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有效的 技术手段，抑制骚扰源、消除或减弱骚扰的耦合、降低敏感设备对骚扰的响应或增加电磁敏感性电平；

为了对人为骚扰进行限制，并验证所采用的技术措施的有效性，还必须采取组织措施，制定和遵循一套完整的标准和规范，进行合理的频谱分配，控制与管理频谱的使用，依据频率、工作时间、天线方向性等规定工作方式，分析电磁环境并选择布置地域，进行电磁兼容性管理等。