電磁兼容性原理技術(shù)及試驗(yàn)分析研究

郭成功，汪文兵，霍智偉，楊國(guó)威，武軍，王路興

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741018）

隨著人類文明和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們?cè)谏a(chǎn)和生活中所使用的電子設(shè)備日益增加，同時(shí)，軍事技術(shù)、工業(yè)、民用設(shè)備和成套系統(tǒng)的電子化和自動(dòng)化水平也在不斷提高。這些設(shè)備在工作時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一些有用或無用的電磁能量，而這些能量恰恰可能會(huì)影響到其他信息設(shè)備的正常工作，從而形成電磁干擾，所以電磁干擾（EMI）、電磁抗擾度（EMS）和電磁兼容性（EMC）的問題日益突出［1］。所謂電磁干擾是指一切與有用信號(hào)無關(guān)且不希望有的或會(huì)導(dǎo)致電氣及電子設(shè)備產(chǎn)生不良影響的電磁發(fā)射。電磁抗擾度是指電氣及電子設(shè)備在正常工作時(shí)，對(duì)于鄰近電氣及電子設(shè)備發(fā)出的電磁干擾自身所具備的抗干擾能力。電磁兼容性對(duì)于現(xiàn)代人們并不陌生，在日常生活中我們經(jīng)常能夠遇到，但如何做好預(yù)防和有效解決卻是一個(gè)極為復(fù)雜的問題，所以從理論和實(shí)踐兩方面加強(qiáng)對(duì)電磁兼容性的認(rèn)識(shí)和研究就顯得非常迫切。

1 電磁兼容性的發(fā)展

隨著工業(yè)、民用電氣、軍工業(yè)的蓬勃發(fā)展，電磁兼容性問題越來越被重視。上世紀(jì)30年代，國(guó)際上就成立了相關(guān)組織，如無線電干擾特別委員會(huì)等，開始研究電磁兼容性問題。上世紀(jì)50年代，隨著大功率無線電裝置及遠(yuǎn)程打擊導(dǎo)彈武器等的投入使用，電磁輻射對(duì)設(shè)備使用的危害就日益暴露了出來，電磁兼容性問題的迫切性在世界上得到更進(jìn)一步的重視。上世紀(jì)60年代以后，歐洲一些國(guó)家全面深入開展電磁兼容性測(cè)試儀器設(shè)備及技術(shù)的研究，并制定了一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。上世紀(jì)70年代后，先進(jìn)國(guó)家通過前期經(jīng)驗(yàn)的積累和分析研究，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行了修改完善。

就我國(guó)而言，對(duì)電磁兼容性問題的關(guān)注也是來源于軍事。在我國(guó)海軍發(fā)展起步階段，艦船由于電子設(shè)備及整體設(shè)計(jì)時(shí)并沒有提出電磁兼容性要求，導(dǎo)致投用的艦船設(shè)備間相互干擾，使其通信、導(dǎo)航能力等大幅度下降，從而引起了廣泛重視，并隨后籌建了國(guó)內(nèi)第一個(gè)電磁兼容性實(shí)驗(yàn)研究室［2］。后來國(guó)內(nèi)電子及電氣設(shè)備研究單位和設(shè)計(jì)制作單位都紛紛配備了電磁兼容性設(shè)計(jì)人員。截止目前，我國(guó)已制定了一整套完整的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范，涉及軍標(biāo)、國(guó)標(biāo)、民標(biāo)，相關(guān)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室以及生產(chǎn)設(shè)計(jì)單位都具備了較為全面的電磁兼容性方面的解決能力，電磁兼容性問題正在逐步得到完善和解決。

2 電磁兼容性的原理

所謂電磁兼容性，即設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容性（EMC）包括兩個(gè)方面的要求：

第一，設(shè)備在正常運(yùn)行條件下對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾不能超過一定限值（EMI）［3］。

第二，設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度（EMS）。

電磁干擾的三個(gè)要素分別為干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備。根據(jù)傳播途徑的不同,可把傳播方式分為線路傳導(dǎo)和空間輻射。傳導(dǎo)是指經(jīng)過金屬路線的傳輸，而輻射則是空間的傳播。傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射可以用來描述發(fā)射器的特性，傳導(dǎo)抗擾度和輻射抗擾度可以用來描述接收器的特性。信號(hào)傳播路徑示意圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)傳播路徑示意圖

傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)抗擾度的強(qiáng)弱是用電壓和電流表示的，其單位為V、dBV、dBμV和A、dBA、dBμA。輻射發(fā)射和輻射抗擾度的強(qiáng)弱是用場(chǎng)強(qiáng)表示的，其單位有V/m、dBV/m、dBμV/m等。干擾源的分類如圖2所示。

圖2 干擾源的分類

3 電磁干擾的抑制

實(shí)現(xiàn)電磁兼容性是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)任務(wù)，目前，比較有效的方式主要包括以下兩個(gè)方面：

第一，在設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就注意選用一些干擾較小的元件、部件和電路，并合理布線以確保元件、部件的電磁兼容性。

第二，采用接地、屏蔽、濾波等技術(shù)，降低或抑制產(chǎn)生的干擾，從傳播路徑上阻礙干擾信號(hào)的傳遞［4］。

上述提到的接地、屏蔽、濾波是有效抑制電磁干擾的三大技術(shù)。雖然它們每一項(xiàng)技術(shù)在電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上都有著各自的特點(diǎn)，但它們之間也是相輔相成的，例如，良好的接地能有效降低設(shè)備對(duì)屏蔽的要求，設(shè)備屏蔽做得好也可以降低設(shè)備對(duì)濾波的要求［3］。

所謂的“地”一般指的是電路或系統(tǒng)的參考零電位，不一定為實(shí)際的大地。接地一般是指電路或系統(tǒng)與“地”之間建立低阻值的通路。一般采用的接地方式有浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。接地要求如下：接地平面應(yīng)為零電位；理想的接地平面應(yīng)為零電阻的實(shí)體，電流在平面流過時(shí)不會(huì)產(chǎn)生壓降，也就是說各個(gè)接地點(diǎn)之間沒有電位差，亦或是這個(gè)電位差可以忽略不計(jì)；良好的接地平面與布線間有比較大的分布電容，而引線電感又很小，能夠吸收信號(hào)，從而使設(shè)備穩(wěn)定工作，一般選用非磁性的金屬薄板；良好的接地能夠降低回路騷擾電壓的產(chǎn)生，減少其他信號(hào)通過地線的耦合干擾。

屏蔽是一種利用屏蔽體來阻擋或減小電磁傳播，使其內(nèi)外兩側(cè)空間進(jìn)行電磁性隔離的技術(shù)。屏蔽首先會(huì)反射一部分干擾，進(jìn)入屏蔽體內(nèi)部的能量（沒有被反射的），在內(nèi)部向前傳播時(shí)能量會(huì)被屏蔽材料衰減（吸收）。在屏蔽體內(nèi)尚未減掉的剩余能量，會(huì)在屏蔽層內(nèi)反復(fù)反射。不同的材料屏蔽效果也不一樣，如銅、鋁這種導(dǎo)體制成的屏蔽體，對(duì)電磁波具有很好的反射消耗，適合做電屏蔽。而某些特殊合金磁性材料，對(duì)磁場(chǎng)波有很大吸收消耗，適合做磁屏蔽。但無論是什么屏蔽體，最后均由屏蔽體的屏蔽效能來評(píng)價(jià)。屏蔽效能定義為空間某點(diǎn)上未加屏蔽時(shí)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度和加了屏蔽后該點(diǎn)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值，表達(dá)式如下：

上式中：SEH為磁場(chǎng)屏蔽效能，單位為分貝（dB）；H1為無屏蔽室時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為微安每米（μA/m）；H2為屏蔽室內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為微安每米（μA/m）。

非線性計(jì)算公式如下：

上式中：SEE為電場(chǎng)屏蔽效能，單位為分貝（dB）；E1為無屏蔽室時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為微伏每米（dBμV/m）；E2為屏蔽室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為微伏每米（dBμV/m）。

濾波是指利用某些電子元件的特性，將無用的信號(hào)過濾或者吸收。通常人們把能夠?qū)崿F(xiàn)濾波功能的電路或器件稱之為濾波器。濾波器是分布參數(shù)的電阻、電感和電容構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)允許某些頻率通過，而對(duì)其他頻率的成分加以抑制。但對(duì)于某些設(shè)備，可能遇見某些不常見的瞬時(shí)高壓脈沖，需要特定的器件來進(jìn)行高壓的泄放，如主回路上的避雷器或者控制回路的壓敏電阻等，才能確保設(shè)備在希望的預(yù)期條件下可靠工作。

4 試驗(yàn)分析研究

試驗(yàn)從最終的考核目標(biāo)上來講，可以分為改造型試驗(yàn)和認(rèn)定型試驗(yàn)。改造型試驗(yàn)就是產(chǎn)品經(jīng)過生產(chǎn)方研發(fā)后通過試驗(yàn)的方式來對(duì)該類產(chǎn)品所修改的內(nèi)容進(jìn)行一個(gè)相應(yīng)考核，并通過試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象對(duì)產(chǎn)品的改造再進(jìn)行一個(gè)完善調(diào)整。而認(rèn)定型試驗(yàn)則是對(duì)已研制成型的產(chǎn)品就其性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行一個(gè)認(rèn)定,進(jìn)而為產(chǎn)品在實(shí)際使用前就其性能提供驗(yàn)收依據(jù)。

電磁兼容性試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)涉及軍用標(biāo)準(zhǔn)［5］、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［6-7］、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、電力標(biāo)準(zhǔn)等，不同產(chǎn)品依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)所涉及的檢測(cè)項(xiàng)目也分很多類型。同一試驗(yàn)項(xiàng)目依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，其現(xiàn)場(chǎng)布局、試驗(yàn)參數(shù)等也會(huì)有不同要求。常見的電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目有發(fā)射試驗(yàn)、輻射抗擾度、傳導(dǎo)抗擾度、電快速脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、阻尼振蕩抗擾度、磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)等項(xiàng)目。

本文就以電快速脈沖群抗擾度［8］試驗(yàn)來舉例說明。試驗(yàn)主要考核電子設(shè)備對(duì)來自切換瞬態(tài)過程中（切斷感性負(fù)載、繼電器觸點(diǎn)彈跳等）的各種類型瞬變騷擾抵抗能力。電快速瞬變脈沖群具有脈沖電壓幅值高、上升時(shí)間短、能量相對(duì)較低、重復(fù)率高等特點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)選擇試驗(yàn)端口和電壓等級(jí)，并設(shè)置脈沖輸出頻率、脈沖群持續(xù)時(shí)間及施加時(shí)間。

電路未設(shè)計(jì)高頻干擾濾波處理，在試驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)各類型的性能降低，如：屏幕出現(xiàn)閃爍，指示燈出現(xiàn)閃爍，有些接觸器頻繁動(dòng)作，數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)斷續(xù)傳輸、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤甚至出現(xiàn)元器件的損壞等。對(duì)于有些產(chǎn)品的性能降低是允許的，試驗(yàn)結(jié)果為通過。但對(duì)產(chǎn)品的某些重要性能是不允許降低的，重要性能的降低會(huì)增加設(shè)備出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的可能性。

針對(duì)上述出現(xiàn)的性能降低，主要通過以下方式來進(jìn)行解決：通過添加濾波元器件，如增加磁珠，通過磁珠的感抗阻礙高頻信號(hào)的傳輸，最后通過發(fā)熱來泄放；增加光耦，可以將無用的干擾全部過濾；通過給某些容易干擾的線路增加屏蔽，保證傳輸信號(hào)的可靠性；通過增加接地，減小回路面積，有效降低輻射的電磁信號(hào)。通過以上的合理整改搭配，就能夠確保電子化產(chǎn)品在電磁兼容環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，從而有效降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了電磁兼容性的原理，從發(fā)展背景到技術(shù)要點(diǎn)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析到試驗(yàn)過程，對(duì)重點(diǎn)試驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的舉例分析。隨著全球電氣裝備業(yè)的不斷發(fā)展和自動(dòng)化智能化水平的不斷提高，電磁兼容性的設(shè)計(jì)要求也在不斷升級(jí)，各實(shí)驗(yàn)室針對(duì)電磁兼容性試驗(yàn)的能力和試驗(yàn)覆蓋面也在不斷擴(kuò)充完善。解決好電磁兼容性技術(shù)問題、更好服務(wù)于客戶、更好服務(wù)于行業(yè)發(fā)展，將是未來各實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的主導(dǎo)方向。