電磁干擾的危害與電磁兼容技術

吉林省遼源市第五中學 田 雨 唐生亮 于海英

電磁干擾的危害與電磁兼容技術

吉林省遼源市第五中學 田 雨 唐生亮 于海英

隨著電子設備的廣泛應用，電磁干擾問題逐漸得到關注。本文分析了電磁干擾可能對電子設備的影響和對人的身體健康構成的威脅，并簡單介紹了電磁兼容的發展過程、主要研究內容和應用方向。

電磁干擾；電磁兼容技術；電磁兼容標準；電磁屏蔽；濾波

1.引言

自上世紀中期開始，電子技術迅速興起并得到了高速發展。在各種新型電子設備不斷給人類社會帶來改變的同時，也帶來了很多新興的社會問題和環境問題，而電子設備的電磁干擾問題就是眾多問題中的一個。現在，電子設備不僅應用于電器、電力電子、醫學等傳統行業，更廣泛應用于航空航天、通信、計算機等新興行業。隨著集成電路的高速迭代，電子技術也向高頻、高能量密度的方向發展，更使電磁環境更加惡劣[1]。

本文首先分析了電磁干擾對電子設備和人體健康帶來危害的嚴重性；回顧了電磁兼容技術的興起與發展以及電磁兼容標準的制訂；并分別從電磁屏蔽、電磁吸收、濾波和接地幾個方面，簡單介紹了電磁兼容技術。

2.電磁干擾的危害

目前，各種各樣的電子設備已經融入現代生活的各個領域，成為人們生活不可侵害的一部分。但與此同時，電磁干擾的問題也日益突出，影響著電子設備的穩定工作，甚至是人們的身心健康[2]。

2.1 電磁干擾對電子設備的危害

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象所造成，而人為干擾則是由于人工裝置所產生。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備(如雷達、電視、通信設備等)在工作時，產生的電磁能量對其他設備造成影響；非功能性干擾指電子設備在實現自身特定功能時，伴隨發出的副作用而形成的電磁干擾，比如開關導通或關斷過程中產生的放電電弧、汽車點火時產生的電火花等。

以上所分析的電磁干擾，會以輻射電磁干擾或傳導電磁干擾的形式，對空間的電子設備或處于同一回路的電子設備造成干擾，影響其他設備的穩定工作，甚至引起災難性后果。比如，在醫用電子領域，從短波到微波的各種電療設備、外科用高頻手術刀等，在工作時電磁能量的對外發射，會產生空間輻射干擾，影響其他設備的可靠運行。又如，在飛機機艙內使用手機、筆記本電腦等電子設備時，產生的電磁干擾噪聲也會通過空間輻射，影響飛機上大量的傳感器的工作，如果引發飛機的導航等系統的故障，甚至會導致空難的發生。

2.2 電磁干擾對人體健康的危害

人類正在被各種電子設備所包圍，并暴露于電磁輻射之中。當電磁輻射強度超過人體所能承受的限度時就構成了電磁輻射污染，甚至導致健康風險問題[3]。電磁輻射能量通過對人體組織器官的作用而產生傷害，其主要表現包括熱效應和非熱效應兩個方面。

熱效應是指在電磁輻射的強度較大(＞10cm/cm2)時，使身體或器官的溫度升高。電磁輻射對細胞加熱，會使人體的血液流通加快，引起發熱，產生生理或神經反應等。另外研究表明，射線能透過深度與電磁干擾的頻率有關，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。

非熱效應是在電磁輻射的強度低于10cm/cm2的環境中長期作用所引起的。非熱效應的機理目前還有待進一步研究，但其對人體的危害確實存在。在一定頻率和強度的電磁場中，人的血液特性會發生微波變化，另外染色體結構也會出現變異。國外醫學研究表明，高壓輸電線路所產生的電磁場會對人身體產生危害，住在高壓輸電線附近的居民，血液和神經系統會受不同程度的損傷，甚至一些人受此影響而死亡。

3.電磁兼容技術

3.1 電磁兼容技術的發展

1833年，法拉第發現電磁感應定律；1864年麥克斯韋建立了著名的“麥克斯韋方程組”，并預言電磁波的存在；1888年赫茲通過實驗證明了電磁波的存在。電磁干擾現象最早出現的記錄是19世紀時發現的“單線電報間的串擾”。1881年，英國著名科學家希維塞德發表了“論干擾”的文章，是研究電磁兼容技術的早期文獻。1889年，英國郵電部門研究了通信干擾的問題，美國《電世界》雜志刊登了電磁感應的文章。

20世紀60年代，出現了大規模集成電路技術，使人類進入信息時代，但電磁干擾問題日趨嚴重，促進了電磁兼容技術的發展。進入20世紀80年代以來，美國、德國、英國、法國等國家相繼開展電磁兼容方面的研究，并在分析、預測、測量、設計等方面取得了一定成果。目前，電磁兼容已經成為信息系統的重要指標[4]。

3.2 電磁兼容技術的內容

國家軍用標準GJB72A-2002《電磁干擾和電磁兼容性術語》中對電磁兼容(EMC, Electromagnetic Compatibility)的定義是[5]：設備、分系統、系統在共同的電磁環境中能夠一起執行各自功能的共存狀態。包括兩方面的內容：設備、分系統等在預定電磁環境中運行時，不因電磁干擾而受損或產生不可接受的降級；且不會給環境帶來不可接受的電磁干擾。

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。電磁兼容技術的內容可概括為：研究電磁干擾的產生機理和電磁干擾源的特性；研究電磁干擾是通過什么途徑傳播，以及如何切斷這些傳播通道；研究敏感設備對干擾產生什么響應，以及如何增強其抗干擾能力。

3.3 電磁兼容標準

電磁兼容標準可以分為四級，包括基礎標準、通用標準、產器類標準和專用產品標準。隨著電子技術的發展，世界上很多國家和組織都制定了電磁兼容標準和規范，用途較為廣泛的主要有國際電工委員會(IEC, International Electrotechnical Commission)標準、國際無線電干擾特別委員會(CISPR, International Special Committee on Radio Interference)規范、歐盟設備和產品質量與安全標準(CE, 法語Confomite Europeene)，以及我國的國家標準(GB)、美國的聯邦通信委員會(FCC, Federal Communications Commission)標準、我國的軍用標準(GJB)和美軍標(MIL, Military Specifications)等[6]。

4.電磁兼容技術的應用

電磁兼容技術主要包括電磁屏蔽、電磁吸收、濾波和系統接地等方面的應用。

4.1 電磁屏蔽

電磁屏蔽是抑制電磁干擾的一種有效方法，利用導電或導磁材料制成屏蔽體限制電磁干擾。通過屏蔽措施，達到兩方面的目的：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的干擾進入某一區域。工程中常用的電磁屏蔽如下幾種[7]：

(1)靜電屏蔽。根據電磁場理論，采用內部存在空腔的導體，使其內部任一點的電場為零，導體內部沒有電荷，電荷只分布在其表面。

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

(3)電纜屏蔽。為防止線纜向外發射干擾以及空間電磁場對線纜的影響，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、箔帶包裹屏蔽等。另外，常見的屏蔽雙線電纜，采用雙線對絞平衡線，可以傳輸頻率高于10MHz的高頻信號。

4.2 電磁吸收

對于射頻，特別是微波輻射，也常利用吸收材料進行微波吸收。它是根據匹配諧振原理研制而成，將微波能轉化為熱能。微波吸收的方案有兩個：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，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，還可以通過調節纖維長度、直徑及排列方式調節吸收體的電磁參數。

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

(5)導電高分子材料。可通過摻雜調節電導率來控制其吸波性能，且密度小。

4.3 濾波

電磁兼容設計中的濾波器主要有電源EMI濾波器和信號濾波器。

電源EMI濾波器放置在電子設備供電線路上，通常設計為低通濾波器。既可以保證設備中開關器件產生的高頻噪聲傳導至供電網絡，也可以將電網中的干擾噪聲濾波，起到保護設備的作用[8]。

信號濾波器的目的確保信號的不失真傳輸，根據應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，針對通信頻率設計，濾波除其他頻段的干擾。在一些敏感的高頻信號線路上，可以采用高能濾波器，濾除電源50Hz或400Hz的低頻噪聲。而在數字電路設計時，為防止高頻噪聲的干擾，可以使用低通濾波器。

4.4 系統接地

系統接地是系統電磁兼容設計的重要手段，也是設備或整個系統穩定工作的基本要求。系統接地包括安全接地和信號接地。

安全接地是將電氣電子設備的外殼通過低阻抗的導體與大地連接，保證人員及設備的安全。人體與機殼接觸時，等效于機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。流經人體的完全電流為50mA，而在系統安全接地的情況下，人體電阻與接地電阻并聯，流經人體的電流會大大降低，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，還有環形、圓板型和方形的金屬導體。為減小接地電阻，常將幾個接地體連接起來構成組合接地體。

信號接地也可稱為系統基準接地，為信號電壓提供一個0電位的參考點。地線是信號的回流路徑，因而地線的兩端由于電流流過而產生電壓，導致地線的電位不等，這就是地線干擾的根本原因。在系統內部，可以采用阻抗低的金屬板作為信號地平面，接地線也使用銅線等導線，滿足接地要求。設備的接地方式主要有單點接地、多點接地、混合接地和懸浮接地四種。

[1]劉文魁,龐東.電磁輻射的污染及防護與治理[M].科學出版社,2003.

[2]劉尚合,劉衛東.電磁兼容與電磁防護相關研究進展[J].高電壓技術,2014,40(6):1605-1613.

[3]曲敏,畢卓悅,唐雨萌等.生物電磁技術應用及其相關健康風險評估對策[J].高電壓技術,2015,41(8):2625-2634.

[4]D Dhankhar.A backend system for accurate and directional measurements of radiated EMI[J].Journal of Spacecraft Technology,2013,24(2):34-40.

[5]王慶斌.電磁干擾與電磁兼容技術[M].機械工業出版社,2005.

[6]G A Jackson, International EMC cooperation: past, present and future [J].IEEE International Symp.EMC,1986:1-3.

[7]鄧云.復雜屏蔽體的耦合特性研究[D].西北工業大學,2006.

[8]H C Yen,C S Moo.Integrated design of EMI and passive filters for power electronic converters with PFC circuit[J].IEEE ISIE 2001.Pusan,Korea,2001:1055-1059.