电磁兼容性

电磁兼容性 中国3C认证标志： CE认证标志(欧共体)：

第一章序言 第二章电磁干扰第三章电磁敏感性第四章电磁兼容第五章电磁兼容测量第六章抗干扰技术第七章电磁兼容设计（简介）第八章通信系统的电磁兼容第九章计算机系统的电磁兼容第十章雷电及防雷技术

第一章序言 1－1 电磁能的广泛应用随着科学技术的发展，越来越多的电子、电气设备进入了我们生活和生产的各个领域. 1－2 电磁辐射的危害电磁能的广泛应用一方面推动了社会的进步，丰富了人类的物质文化生活,同时也使空间各种频率的电磁辐射越来越强，对人类造成了危害：①、干扰广播、电视、通信信号的接收；②、干扰电子仪器、设备的正常工作，可能造成信息失误、控制失灵等事故； ③、可能引燃一些易燃易爆物质，引起爆炸和火灾；④、较强的电磁辐射对人体的健康有很大的影响。

例1：美国研制B1轰炸机时电子设备之间的电磁干扰 。 B1轰炸机的机头上装有大量的电子设备*,分离试验时这些设备都符合技术标准，把这些设备装上机头再测试，许多设备的性能大幅度下降。经过专家们大量的试验和分析，发现是由于这些设备之间相互的电磁干扰造成的。例2：民兵Ⅰ导弹的飞行故障。1962年，民兵Ⅰ导弹进行实弹飞行试验时，前两次都失败了，故障现象相似，都是在第Ⅰ级发动机关机前炸毁了，一个高度为7.6km，另一个为21.8km，炸毁前，用于制导的计算机都受到了脉冲干扰。经过分析和试验，发现故障是由于导弹飞行到一定高度时，在相互绝缘的弹头和弹体之间发生了静电放电，使导弹提前爆炸。

例3：英国谢菲尔德号导弹驱逐舰的惨剧 英阿马岛战争中* ，英国谢菲尔德号导弹驱逐舰上的雷达和通信系统互相干扰，为了确保通信不受干扰而暂时关闭了本舰雷达，导致没有及时发现来袭的飞鱼导弹，造成舰毁人亡的后果。例4：广州白云机场的导航系统受到严重的干扰。2002年1月20日，广州白云机场由于附近无线寻呼台发射机群信号的干扰（互调、带外辐射），迫使导航系统关闭通信扇面，导致大量的飞机在空中盘旋等待，使九十多架航班延误，6000多旅客滞留机场。类似事件我国已发生多起。

例5：电磁辐射对人体的影响1、生物体对电磁辐射能量的吸收①、电离辐射和非电离辐射 电磁辐射的量子能量 w＝hf ，其中h＝ 6.62× 10-34J·S 是普朗克常数，f是频率（Hz） f＞3×1015Hz 量子的能量可以使原子和分子电离――电离辐射，例如X射线辐射、γ射线辐射。f＜3×1015Hz量子的能量不能使原子和分子电离――非电离辐射。电磁干扰和电磁污染属于非电离辐射。美国航空无线电委员会（RTCA）也曾在一份文件中提到，一位旅客在飞机上使用调频收音机使飞机导航系统的指示偏离10°以上。

②、比吸收率（SAR）specific energy absorption rate定义：生物体单位时间内、单位质量吸收的电磁辐射能量（W/kg）p ：功率密度，即单位时间、单位体积内的电磁辐射能量，ρ：生物体的密度， σ：电导率E ：生物体内的电场强度振幅生物体吸收辐射场能量，引起体温（或局部体温）升高。

③、谐振吸收 当辐射频率与生物体（或某些器官，例如眼睛、大脑……）的固有频率谐振时，吸收最强。人体固有谐振频率的范围大约为30M～3000M Hz*，一般成年人的谐振吸收频率约为400 MHz。3、电磁辐射对人体的影响目前，一般认为电磁辐射对人体的影响包括三个方面：

①、热效应 辐射功能密度S＞10mW/cm2（E＞110V/m），人体吸收的辐射能转化为热量，超过人体体温调节能力时，会引起人体（或局部组织）体温明显升高, 或引起生理功能紊乱(人的体温每升高一度,基础代谢增加约5~14%，组织中的氧的需求量增加50~100%）。热效应首先损伤人体上对热比较敏感的器官，例如眼睛、大脑等。例如：眼睛的晶状体含有较多的水分，能够吸收较多的微波能量，但血管又较少，不易带走过量的热。在微波照射下，可能眼的表层组织角膜还没有出现伤害，而晶状体已出现水肿。在大强度、长时间作用下会造成晶状体混浊,严重的将导致白内障(＞100mW/ cm2）。 S＜10mW/cm2，不会引起体温明显的升高，但可能使体内局部小范围内出现显著的能量吸收(谐振吸收)，引起生理功能的障碍。

②、非热效应S＜1mW/cm2（E＜61.4 V/m），长时间照射也不会引起体温明显的升高，但会出现烦躁、头晕、疲劳、食欲不振、失眠、记忆力减退、脱发、白血球升高、植物神经功能紊乱、脑电图和心电图的变化等症状*。这些一般称为电磁辐射的非热效应，这些症状在脱离辐射源后一般是可以逐渐恢复的。③、三致作用（致癌、致畸、致突变作用）这是电磁辐射的远期效应，在国内外已经引起了重视，但尚无一致的意见。一些研究者的实验表明：长时间的电磁辐射可能诱发癌症，也可能引起染色体的畸变，具有致畸、致突变作用。

④、决定电磁辐射对生物体影响程度的几个因素a、场强：场强越大，影响越大。b、频率：在谐振吸收频率处，影响最大。一般是频率升 高，影响增大，微波段影响最大。c、作用时间：电磁辐射对生物体的影响具有积累作用，作用时间越长，影响越大。d、与辐射源的距离：对于偶极子天线，在天线近区E∝1/r3，在天线远区E∝1/r，辐射场强随距离的增大迅速衰减，影响减小。e、环境温度和湿度：温度高、湿度大，生物体不易散热；脉冲波比连续波的影响大。g、与人体状况的不同而有所差异，人身体条件以及性别、年龄不同，电磁辐射对机体的影响也不相同。

⑤、电磁辐射防护限值 国家标准《电磁辐射防护规定》（GB 8702－88）中规定的公众辐射限值为：公众辐射限值是指在一天24小时内，电磁辐射场量在任意连续6分钟内的平均值应符合表中的要求，全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.02W/kg。

1－3 电磁兼容性概述1、电磁兼容的定义 采用一定的技术手段，使同一电磁环境中的各种电子、电气设备都能正常工作，并且不干扰其他设备的正常工作，这就是电磁兼容（英文：Electromagnetic Compatibility，缩写为EMC)。在国家标准GB/T4365-1995中对电磁兼容严格的定义是：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

IEC(国际电工委员会)定义： 电气、电子设备在给定的电磁环境中，向外界环境不发射过大的电磁噪声，同时又能抵抗外界电磁噪声。

电磁兼容（EMC)：ElectromagneticCompatibility电磁干扰（EMI)：ElectromagneticInterference电磁敏感性（EMS〕：ElectromagneticSusceptibility电磁兼容（EMC)：ElectromagneticCompatibility电磁干扰（EMI)：ElectromagneticInterference电磁敏感性（EMS〕：ElectromagneticSusceptibility

产品EMC标志：通过EMC测试，得到EMC认证 典型EMC认证: • 欧盟：EMC指令— 89/336/EEC(1996) 􀂃 电气电子产品必须满足相关EMC标准，一旦发现产品不满足标准，将采取一切措施使其在市场上消失。 • 美国：FCC 􀂃 任一不满足FCC行政和技术要求（包括未能取得 FCC的认证或检定）的电磁辐射体都不得工作，也不能投放市场。 • 中国：CCC制度 ( China Compulsory Certification) 􀂃 自2003年5月1日起，未获得强制性产品认证证书和未施加中国强制性认证标志的部分产品不得出厂、进口和销售。2002年5月1日开始受理这些产品的认证申请。

主要EMC组织 • 欧盟 • 欧洲电工标准化委员会， CENELEC — 1973 • 欧洲电信标准协会ETSI • 美国 • 美国国家标准委员会（ANSI） • 中国 • 全国无线电干扰标准化技术委员会，1983 • 全国电磁兼容标准化联合工作组，1996 • IEC —国际电工委员会，日内瓦，1906

2、电磁兼容研究涉及的领域 电磁兼容性学科研究的对象不仅限于各种电子、电气设备，而且包括各种电磁环境(自然电磁干扰、核电磁脉冲、静电放电、人为电磁辐射等）对人体的生态效应，信息处理设备因电磁泄漏造成的泄密等*。电磁兼容性涉及的领域十分广泛，通信、广播电视、科学仪器、信息设备、航空、航天、机车、舰船、电力、军工、医疗设备、计算机、家用电器等领域中都存在电磁干扰和电磁兼容性问题。电磁兼容性学科涉及的理论基础包括电磁场理论、天线与电波传播、电路理论、通信技术、材料科学、生物医学等等，所以电磁兼容性学科是一门实用性很强的综合性的前沿学科。

电磁兼容与投资效益 为了实现仪器设备之间的电磁兼容，国家针对各种电子、电器产品已经颁布了一系列强制性的电磁兼容执行标准。电磁兼容技术贯穿于电子、电器产品设计、制造、检验、销售的全过程。图1－1是表示产品投资效益的曲线，可以看出：电磁兼容问题解决得越早，投资效益越高。如果在产品的立项、设计阶段就解决了电磁兼容技术，电磁兼容措施的有效性最高，产品的成本最低。如果产品已经成批的制造出来了，才发现不符合国家的电磁兼容标准，再采取补救措施，产品的成本就会大大提高。

图1－1

电磁兼容性学科研究的主要内容 ⑴ 干扰源。⑵ 干扰信号的特性。⑶ 干扰信号的传播。⑷ 被干扰设备（接收器）的研究。⑸ 电磁兼容测量技术的研究。⑹ 电磁兼容性分析和预测。⑺ 抗干扰技术的研究。⑻ 电磁兼容性设计。⑼ 信息设备电磁泄漏及防护技术。⑽ 电磁脉冲及其防护。⑾ 电磁兼容标准和规范的研究。

课程的学习目的 • 􀂋 较完整的了解电磁兼容标准和测试技术 • 􀂋 掌握接地、屏蔽、滤波等关键技术 • 􀂋 理解典型电磁干扰现象的机理 • 􀂋 提高产品电磁兼容设计的技能 • 􀂋 为电磁兼容技术的深造打下良好基础

第二章电磁干扰 2—1 电磁干扰概述2－1－1 定义：任何可能引起装置、设备或系统性能降低的电磁现象。（国标GB/T4365-1995）2－1－2 电磁干扰的分类一、按场的性质分类电场干扰、磁场干扰、电磁辐射干扰二、按传播途径分类传导干扰：通过电路耦合的干扰。（例如导线传输、电容耦合、电感耦合。）辐射干扰：通过空间传输的干扰。

例：图2－1 例：图2－1

三、按干扰的来源分类 1、自然干扰 ①、雷电干扰：雷电放电时，电场强度达到104V/cm以上，闪电通道中的电流平均可达几万安培，最大可达20万安培以上，放电时间在ms～s数量级，一次闪电释放的能量就有几万千焦耳，干扰信号的频率主要在10～100kHz，最高也可以达到100MHz以上。②、宇宙干扰：来自太阳和其他星系的电磁噪声，干扰信号的频率：几十M～几十GHz。例如太阳黑子活动造成的无线电干扰，可造成通信中断。

2、人为干扰人为干扰是指在人类的生活、交通、生产、科学研究、军事等项活动中产生的电磁干扰。四、按信号的功能分类功能性干扰：设备正常工作时产生的信号对其它设备的干扰(广播、电视、通信发射设备，雷达)。非功能性干扰：无用的电磁泄漏产生的干扰五、按干扰的特性分类频率：射频干扰（低频、高频、微波）工频干扰（50Hz）静态场干扰（静电场、恒定磁场）。波形：连续波干扰、脉冲波干扰。带宽：宽带干扰、窄带干扰。

周期性：有规则干扰：周期性干扰信号 非周期性干扰信号随机干扰2—1—3 产生电磁干扰的三个要素①、电磁干扰源。②、对此类干扰敏感的仪器设备（即被干扰体）。③、干扰信号耦合的通道（传播途径：传导、辐射）。

2—1—4 系统内部的干扰与系统之间的干扰 ①、系统内部的干扰：系统内一部分电路对另一部分电路的干扰。例1 汽车内发动机点火系统对车内通信系统的干扰。例2 电路板上振荡电路对其它单元电路的干扰。②、系统之间的干扰：一个系统对另一个系统的干扰例1 计算机对收音机的干扰。例2 高压输电线路对通信线路的干扰。

2—2 电磁干扰源 2—2—1 常见的电磁干扰源干扰信号，是一个广泛的概念。任何有用的信号和无用的信号都可能成为干扰信号。无用的信号，例如设备的电磁泄漏就可能对其它设备造成干扰。对一个设备有用的信号（例如广播、电视信号）进入到其它设备中就可能成为干扰信号。各种电气设备都可能出现电磁泄漏，出现接触不良或火花放电。所以,任何一个电气设备都可能成为一个干扰源。

干扰源的进一步细分:1、按使用功能分类①、广播、电视、通信发射设备，雷达（是利用电磁波 传递信息的，希望信号越强越好，对其它的设备造成了干扰）。②、工业、科学、医疗设备(ISM设备)：例如：高频、微波加热设备，高频、微波医疗设备，电动机、电动工具，电焊机，电气化铁路，汽车点火系统，计算机及外设，电子仪器，家用电器等。在利用电磁能时伴有电磁辐射的泄漏。③、公用电源：高压输电线路，继电器，各种开关产生的干扰可以沿公用电源传播，公用电源上还有来自线路上其它设备的传导干扰。

④、瞬变干扰源：弧光放电 例如：电焊机、大负荷开关等；电晕放电例如：高压输电系统等；火花放电例如：汽车点火器，电动机（电刷），电车，电气化铁路等；气体放电例如：荧光灯等；静电放电(ESD)；核电磁脉冲。

辐射场 类型电磁干扰源射频电磁场广播、电视、通信、雷达发射设备，ISM设备，高压输电线路、电气化铁路产生的射频干扰等。工频电磁场高压输电线路、电气化铁路静电场造纸、制革、化纤、橡胶、塑料及粉体材料的生产、加工、运输等工艺过程中由于摩擦、分离产生的静电；在液体、气体的灌注、喷射等过程中产生的静电。恒定磁场工业电解、磁性材料等行业中产生的磁场。 2、按辐射频率分类表2－13、按传输方式分类：传导干扰源、辐射干扰源常见的电磁干扰源如表2－2所示。

2－2－2 传导干扰源 传导干扰是指通过导体（例如导线），或通过电容性器件、电感性器件耦合而传播的干扰，可分为功能性干扰源和非功能性干扰源。一、功能性传导干扰源：系统中某一设备正常工作时对其它设备产生干扰。例如：各种振荡器、信号发生器等功能性干扰源具有确定的频率

二、非功能性传导干扰源：由于接触不良，放电现象或 电流的突然变化产生干扰。1、接触不良：电流时断时续（也是一种电流突变)，产生感应电动势，形成干扰信号，( 接触噪声）2、放电现象：放电脉冲产生频谱很宽的电磁噪声。3、电流突变：形成冲击电流（例如,电动机起动电流是额定电流的4～7倍)产生干扰电压：e＝L·di／dt4、各种振荡器、信号发生器各次谐波信号泄漏。例：各种转换器和电气开关、电动机、电感性器件、荧光灯、机动车火系统、共用电源等。非功能性干扰信号的频谱一般很宽

来自公用电源的传导干扰：①、使用同一电源的各设备的电磁噪声可通过电源线互 相传送*。②、电力线的天线效应，可接受空间的辐射干扰，沿电力线传播形成传导干扰。 ③、电力线上的放电噪声：例如：高压线上的电晕放电、电力线上由于接触不良引起的火花放电、线路上开关设备的电弧放电等，可以通过电力线形成传导干扰。 ④、电源系统中的异常电压：例如：雷击电压、线路上电流突变引起的干扰电压、某些设备产生的异常电压等可以通过电力线形成传导干扰。

2－2－3 辐射干扰源 辐射干扰是指以电磁波的形式通过空间传播的干扰一、功能性辐射干扰源各种振荡器、信号发生器、广播、电视、通信、雷达发射设备等。二、非功能性辐射干扰源（设备的电磁泄漏，各种放电辐射）例如：ISM设备的电磁泄漏，高压输电线路的电晕放电和火花放电、电气化铁路的火花放电和弧光放电、机动车辆的点火系统、家用电器、荧光灯、气体放电管、静电放电、自然噪声（大气干扰，宇宙噪声）等。振荡器、信号发生器、广播、高次谐波的输出，功率电视、通信、雷达发射设备产生的各次谐波。

1、设备的电磁泄漏 图2－3①、透过外壳向外辐射，单层机壳屏蔽效果一般为20~ 60dB，比较强的辐射源产生的电磁辐射可以透过机壳发生电磁泄漏。

②、通过机壳上的缝隙、孔洞向外辐射 例如面板上的表头、刻度盘、各种调节轴孔，散热口……③、通过连接电缆辐射、电源线发生辐射泄漏（天线效应） 2、放电辐射①、电晕放电高压设备 (例如高压输电线)表面附近场强很大（电位梯度大）引起空气电离而发生的放电现象，随空气湿度的增大而增强。电晕放电的脉冲密度大，幅值较低，干扰信号的低频分量多（一般在10MHz以下）。

②、火花放电和弧光放电 线路上（例如高压输电线路、电气化铁路等）由于接触不良会出现火花放电，电动机的电刷和整流子之间滑动接触处会出现火花放电，电机动车点火也是利用火花放电。开关设备断开时，或其它电气接点断开时（例如：电气机车、电车的导电弓架脱线等）会发生弧光放电。弧光放电一般出现在火花放电之后，火花放电和弧光放电的脉冲重复频率低，幅值大，干扰信号中高频分量多。

③、辉光放电 主要出现在放电管中(如荧光灯)，辉光放电产生于低气压状态，也称为真空放电④、静电放电在造纸、制革、化纤、橡胶、塑料及粉体材料的生产、加工、运输等工艺过程中由于摩擦、分离会产生静电，在液体、气体的灌注、喷射等过程中会产生的静电，飞机上由于气流摩擦会产生静电。由于感应也会产生静电。静电电压可达几千～十几万伏，会引起电晕放电或火花放电。静电放电除了产生干扰信号以外，还会使人受到电击，在有易燃易爆物体时（如汽油、粉尘等），会引起爆炸和火灾。

静电放电可能造成电子元器件的击穿和损坏。如果一个元件的两个针脚之间的电压超过元件介质的击穿强度，就会对元件造成损坏，这是MOS器件出现故障最主要的原因。另一种故障是静电放电脉冲的能量可以产生局部发热，使半导体局部熔断损坏。即使静电产生的电压低于介质的击穿电压，也会发生这种故障。人体有感觉的静电放电电压为3000V～5000V，然而元件发生损坏时的电压仅为几百伏。手拿乙烯塑料袋装入器件时静电电压可达7000 V 。

2－2－4 反射干扰一、空间反射波干扰 以电视信号的接收为例：接收机的天线除了接收到电视发射天线的直射波外，还可以接收到经附近一些高大的建筑物反射的反射波。直接波和反射波的传播路径不同,所以相位不同(e－jβ r），对声音信号的影响不大，对图像信号和数字信号会造成干扰，例如电视屏幕上出现重影，引起反射波干扰的除高大建筑物外，还有大型广告牌，电车、汽车等。二、线路上的反射干扰线路上由于阻抗不匹配也会引起反射。

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