电磁兼容的基础知识

一、电磁兼容的定义

     电磁兼容一词源于英语Electromagnetic Compatibility,简称EMC。

     国标《电磁兼容术语》中定义为：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枸成不能承受的电磁骚扰的能力。

    军标《电磁干扰与电磁兼容性名词术语》中定义为：设备在共同的电磁环境中能一起执行各自的功能的共存状态。即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射导致或遭受不允许的降级。

    电磁环境是由空间时间和频谱三要素组成的。

二、电磁兼容的研究领域

• 骚扰源特性。包括电磁骚扰的产生机理，频域与时域的特性，表征其特性的参数，抑制其发射强度的方法等。
• 敏感设备的抗干扰性能。被干扰的设备或可能受电磁骚扰影响的设备称为敏感设备，在系统分析中称为骚扰接收器。
• 电磁骚扰的传播特性。即严究电磁骚扰如何从骚扰源传播到敏感设备上去，包括辐射与传导。电磁骚扰的传播特性的特点在于源的非理想化以及宽的频率范围。
• 电磁兼容测量。包扩测量设备、测量方法、数据处理方法、测量结果的评价等。由于电磁兼容的复杂性，理论的结果和实际相距较远，使得电磁兼容测量尤为重要。为了各国测量结果之间的可比性，必须详细规定测量仪器的各方面指标。
• 系统内与系统间的电磁兼容性。如欲解决电磁兼容问题，分别严究源、传播以及被干扰对象是不够的。在一个系统内与系统间，干扰源可能同时是敏感设备；传播的途径往往是多通道的；干扰源与敏感设备不只一个等。这就需要对系统内的或系统间的电磁兼容问题进行分析和预测。由于系统间的电磁兼容的复杂性，不可能要求分析系统内与系统间的问题达到非常高的精度，但预测误差过大又失去了实际意义。

三、电磁干扰的危害。

• 干扰电视的收看、广播收音机的收听。
• 数字系统与数据传输过程中数据的丢失。
• 在设备分系统或系统级正常工作的破环。
• 医疗电子设备的工作失常。
• 自动化微处理器控制系统的工作失控。
• 导航系统的工作失常。
• 起爆装置的无意爆炸。
• 工业过程控制功能的失效。

    除上以外强电场还会对生物体造成影响，一般可以分为热效应与非热效应。对于热效应，随着射频入射功率密度的逐渐增加，可以出现血流加快、血液分布较少部位的局部体温升高、酶活性降低、蛋百质变性、心率改变甚至体温调节能力受抑制、局部组织受损直至死亡等。而对于非热效应，其影响就广泛的多。包括对中枢神经系统、血液免疫系统、心血管系统、生殖系统与胚胎发育的影响等。这些影响不仅反应在个体级、器官级而且影响到细胞级。

四、电磁兼容中常用的名词术语

• 电磁发射-------从源向外发出电磁能的现象。它与通信工程中的“发射”含意不尽相同。电磁兼容中“发射”既包括传导发射又包括辐射发射，这种发射常常是无意的，并不存在有意制做的发射部分。而通信中的“发射”主要指辐射发射，这种发射常常是有意的，一般由无线发射台产生并精心制做发射部件。
• 性能降低---------装置、设备或系统的工作性能与正常性能的非期望偏离。这种非期望偏离（指向坏的方向偏离）并不意味着一定会被使用者觉察，但也应视为性能降低。
• 电磁骚扰---------简称EMI。任何可能引起设备、装置或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。它可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。
• 电磁干扰---------电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。它与电磁骚扰的区别是：电磁骚扰仅仅是电磁现象，它可能引起降级或损害，但不一定形成后果。而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。
• 电磁噪声---------一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。电磁现象包括所有频率范围。
• 电磁环境---------存在于给定场所的所有电磁现象的总和。“给定场所”即“空间”，“所有电磁现象”包括了全部“时间”和全部“频率”。
• 无用信号---------可能损害有用信号接收的信号。
• 干扰信号---------损害有用信号接收的信号。
• 抗扰度-----------装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力。
• 电磁敏感性----------electromagnetic susceptibility,简称EMS。在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。它与抗扰度反应的都是装置、设备或系统的抗干扰能力，军标称敏感性，民用称抗扰度。
• 时变量的电平---------用规定方式在规定时间间隔内求得的诸如功率或场参数等时变量的平均值或加权值。电平可以用对数（分贝）来表示。
• 骚扰限值（允许值）----------对应于规定测量方法的最大电磁骚扰允许电平。限定是人为制定的一个电平，在规定限制时一定需要规定测量方法。
• 干扰限值（允许值）------------电磁骚扰使装置、设备或系统最大允许的性能降低。干扰限值是性能降低的指标，而不是电磁现象的指标。
• 电磁兼容电平-----------预期加在工作于指定条件的装置、设备或系统上规定的最大电磁骚扰电平。实际上电磁兼容电平并非绝对最大值，而可能以小概率超出。
• 骚扰源的发射电平---------用规定的方法测得的由特定装置、设备或系统发射的某给定电磁骚扰电平。“某给定电磁骚扰电平”指的是某种电磁现场的量，例如功率、电压、场强、频率。
• 骚扰源的发射限值----------规定电磁骚扰源的最大发射电平。它是人为规定的，而不是骚扰源本身的特性。
• 发射裕量---------装置、设备或系统的电磁兼容电平与发射限值之间的差值。
• 抗扰度电平---------将某给定的电磁骚扰施加于某一装置、设备或系统而其仍能正常工作并保持所需性能等级时的最大骚扰电平。也就是说，超过此电平，该装置、设备或系统就会出现性能降低。而敏感性电平，是指刚刚开始出现性能降低的电平。由此可见抗扰度电平和敏感性电平是同一个数值。
• 抗扰度限值---------规定的最小抗扰度电平。“限值”是人为规定的，而“电平”是装置、设备或系统本身的特性。
• 抗扰度裕量---------装置、设备或系统的抗扰度限值与电磁兼容电平之间的差值。
• 电磁兼容裕量--------装置、设备或系统的抗扰度限值与骚扰源的发射限值之间的差值。
• 骚扰抑制----------削弱或消除电磁骚扰的措施。骚扰抑制是加于电磁发射器（源）上的措施。
• 干扰抑制-----------削弱或消除电磁干扰的措施。干扰抑制是加于敏感设备（被干扰对象）上的措施。
• 骚扰度---------在所关注的环境中与特定电磁现象相对应的骚扰电平范围内所规定的量化强度，其作用是使构成电磁环境的现象量化。
• 电磁兼容位置---------由电磁特性划分的位置或场所。
• 位置类别----------与使用的电气和电子设备的类型和密度有关的（包括安装条件和外部影响方面）具有共性的位置的集合。位置类别的划分是以该位置的主要电磁特性为基础的，而不以其地理或结构方面的特性为基础的。

五、测量单位

• 功率：单位为瓦（W），即焦尔/秒。为了表示宽的量程范围，常引用两个相同量比值的常用对数，以“贝尔”为单位。对于功率则为：P贝尔=lgP2/P1
  为了方便，采用贝尔的1/10，即分贝为单位：PdB=10 lgP2/P1,它仅为两个量的比值，是无量纲的。随着dB表示式中参考量的单位不同，dB在形式上也可以带有某种量纲。
• 电压
• 电流
• 功率密度：有时用空间的功率密度S表示电磁场强度，尤其在微波波段，因为在微波波段测量功率比测量电压容易，而且也具有实际意义。功率密度的基本单位为W/m2
• 磁场强度

六、电磁骚扰源

• 自然骚扰源
  
  包括来自银河系、太阳系、大气层、热噪声等。热噪声是指处于一定热力学状态下的导体中所出现的无规则电起伏，它是由导体中自由电子的无规则运动引起的。热噪声电压的平均值为0，而其瞬时值理论上可达无穷大（只是概率为0）。所以热噪声的平均值和瞬时值
• 人为骚扰源
  
  包括工科医（射频）设备；高压电力系统；电牵引系统；内燃机车电火系统；声音和电视广播接收机；家用电器、电动工具与电气照明；信息技术设备；静电放电；电力电子系统；核电磁脉冲；通信、广播、定位等大功率无线电发射设备等等。

七、电磁骚扰的传播

• 电磁噪声的频谱
• 骚扰源与接受器的耦合
• 传导耦合（互传导耦合、导线间的感性与容性耦合）
• 辐射耦合的近场与远场
• 近场耦合，也称为感应场耦合。即源与敏感设备之间的距离小于骚扰信号波长的1/6的情况。包括磁场耦合和电场耦合。
• 远场耦合：在远场区，电波传播的特点是磁场和电场同时存在。而不象近场区，以磁场为主或以电场为主。

八、电磁兼容测试方法和仪器

    电磁兼容测试按其目地可分为诊断测试和达标测试。

    诊断测试的目地是调查产生电磁兼容问题的原因，确定产生噪声和被干扰的具体部位，从而为采取抑制措施作准备。

    达标测试是跟据有关电磁兼容标准规定的方法对设备进行测试，评估其是否达到标准提出的要求。产品在进入市场前必须进行达标测试。

    电磁兼容达标测试包括电磁骚扰（EMI）发射测试和设备的抗扰度（EMS）测试。EMI测试是测量设备向外发射的骚扰量，EMS测试是给设备外加各种骚扰，测试设备的抗干扰能力。

1、电磁骚扰（EMI）发射测试，包括辐射发射（RE）和传导发射（CE）。

  1．1辐射发射（RE）是测量受试设备（EUT）通过空间传播的骚扰辐射场强，标准要求在开阔场地上进行。测试天线和受试设备（EUT）之间距离标准规定为3、10m或30m。测试天线接收到噪声后由同轴电缆送至骚扰测量仪进行测量，测量频率一般为30---1000MHZ。

*骚扰测量仪实际上是一台外差式选频电压表。骚扰波形通常是由很多频率组成的，骚扰测量仪可用来测量这些频率的电压幅值。骚扰信号的读数等于正弦信号的有效值。由于很多骚扰都是脉冲性的，所以骚扰测量仪应该可以测量脉冲信号，这是与一般电压表的不同之处。骚扰测量仪可以进行准峰值、峰值、平均值测量。骚扰测量仪目前市场上有两种基本类型，一种是测量接收机类型，例如德国R/S的ESS、ESCS30。另一种是频谱分析仪类型，例如美国HP8542E、HP8645A。

*天线用来接收骚扰电磁场，把场强变成电压，骚扰测量仪测量的是转变后的电压值。

   1．2骚扰的传导发射是受试设备（EUT）通过电源线或信号线向外发射的骚扰。按其性质可分为连续骚扰电压测量、骚扰功率测量、断续骚扰咯呖声测量、谐波电流测量、电压波动和闪烁测量。

   *连续骚扰电压测量，主要测量受试设备（EUT）沿着电源线向电网发射的骚扰电压，测量频率为0。15---30MHZ，一般在屏蔽室内进行。测量时需要在电网和EUT之间插入一个人工电源网络（AMN）。AMN实际上是个双向低通滤波器，其作用是隔离电网和EUT，使测到的电压仅是EUT发射的，不会有电网的骚扰混入。另一作用是为测量提供一个稳定的阻抗，因为电网的阻抗是不确定的，阻抗不一样EUT的骚扰电压值是不同的。所以要规定一个通一的阻抗，通常为50欧姆。

   *连续骚扰功率测量，当测量频率升高到30MHZ以上时，人工电源网络（AMN）内的电感、电容器分布参数影响加大，使其不能起到良好的隔离和滤波作用；再则，这时高频骚扰实际上是沿着电源线向外辐射，所以应采用功率吸收钳进行测量。测量虽然在电源线上进行，但实际上是辐射测量。

   *断续骚扰咯呖声测量，在自动程序控制的机械和其它电气控制或操作的设备中，开关操作会产生断续骚扰，它产生的危害不仅与幅度大小有关，还和它的持续时间、间隔时间、发生次数有关，这种断续骚扰一般用喀呖声来描述。

   *谐波电流测量，主要测量EUT工作时注入到电网中的谐波。

   *电压波动和闪烁测量，主要测量EUT引起的电网电压的变化。电压变化产生的干扰影响不仅仅取决于电压变化的幅度，还取决于它发生的频度。电压波动反应了突然的较大的电压变化程度，而闪烁则反应了一段时间内连续的电压变化情况。

  2、设备的抗扰度测试，设备的抗扰度测试又称为设备的敏感度测试（EMS），目地是测试设备承受各种电磁骚扰的能力。

    2．1辐射电磁场抗扰度实验，该实验可评估EUT对来自空间的辐射电磁场的抗扰度。

    2．2由射频场感应的传导骚扰抗扰度实验，空间的射频电磁场会在设备的连接电缆（电源线、信号线、控制线、地线）中感应出骚扰电压或电流，作用到设备的敏感部分。该实验用于测试设备对此类传导骚扰的抗扰度。

    2．3静电放电抗扰度实验，该实验可评估EUT在遭受静电放电（ESD）时的抗扰度。静电放电有两种形式，接触放电和空气放电。

    2．4电快速瞬变脉冲群抗扰度实验，评估EUT对来自操作瞬态过程（如断开电感性负荷、继电器接点弹调等）中所产生的瞬态脉冲群（EFT）的抗扰度。

    2．5浪涌（冲击）抗扰度实验，评估EUT对大能量的浪涌（冲击）骚扰的抗扰度。

    2．6振铃波浪涌抗扰度实验，浪涌在低压传输线上传输时会产生振荡，本实验评估EUT对这种振铃波的抗扰度。

    2．7电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度实验。

    2．8工频磁场抗扰度实验，测试EUT对工频50HZ交流磁场的抗扰度，这对带有CRT显示器的设备尤为重要。实验电流发生器给感应线圈提供工频电流，感应线圈形成较均匀的磁场，把该磁场加于EUT上。

    2．9脉冲磁场抗扰度实验，脉冲磁场由雷击建筑物或电力网中故障暂态电流所引起。脉冲电流发生器感应线圈提供脉冲电流，在线圈内部产生脉冲磁场。

九、电磁兼容实验场地

    电磁兼容的各个测试项目都要求有特定的测试场地。其中以辐射发射和辐射抗扰度测试对场地的要求最为严格。由于30---1000MHZ高频电磁场的发射与接收完全是以空间直射波与地面反射波在接受点相互叠加的理论为基础的。场地不理想，必然带来较大的测试误差。

    1、开阔实验场：它是一个平坦的、空旷的、电导率均匀良好的、无任何反射物的椭圆形实验场地。在众多电磁兼容性标准中，对电子设备辐射感扰的测试及对开阔实验场的校验，均在3m法、10m法、30m法情况下进行。椭圆形开阔实验场尺寸的大小与所要满足的实验有关。用于场强的试验场，推荐用金属材料建造。开阔实验场宜选址电磁环境干净、本底电平低的地方建造，以免周围环境中的电磁干扰给EMC实验带来影响和危害。实验场应设有转台及天线升降杆，便于全方位的辐射发射及天线升降测试。此外还应有单独的接地系统和避雷系统。通常是单点接地。地线系统和避雷系统应是隔开的。

    理想的开阔实验场是在自由空间内放置一个平直的、无限延伸的金属导电平面形成的半自由空间。

    开阔实验场地建成后，必需进行归一化场地衰减的测试，并在以后的长期使用过程中还要进行定期检测，确认含设备在内的场地高频特性的适用性。

    测试归一化场地衰减（NSA）的方法有两种：一种是离散频率法，即使用调谐偶极子天线，针对所需频率调整其长度进行测量的方法。另一种是扫描频率法，用宽带天线进行扫频测量。

    2、屏蔽室：为了使工作间内的电磁场不泄漏到外部或外部电磁场不透入到工作间内，此种专门设计的能对射频电磁能量起衰减作用的封闭室称为屏蔽室。屏蔽室是一个用金属材料制成的大型六面体房间。

    按功能分为两类：一类是有源屏蔽（也叫主动屏蔽）特点是场源和泄漏源在屏蔽室内。另一类是无源屏蔽（也叫被动屏蔽）特点是场源和泄漏源在屏蔽室外。

    屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。屏蔽体则是为阻止或减少电磁能量传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层。屏蔽体的屏蔽性能以屏蔽效能来进行考量。

    从安全角度考虑，屏蔽室都应接地。

    3、电波暗室：又称电波消声室或电波无反射室。它有两种结构形式：电磁屏蔽半波暗室和微波电波暗室。电磁屏蔽半波暗室主要模拟开阔实验场，微波电波暗室模拟自由空间传播环境，而且可以不带屏蔽。

    4、横电磁波室

十、国内外电磁兼容产品的认证

    产品质量认证是依据产品标准和相应技术要求，经认证机构确认并通过颁发认证证书和认证标志来证明某一产品符合相应标准和相应技术要求的活动。

    1、欧共体电磁兼容指令目的是：保证在欧共体内部建立一个无内部边界的区域，在此区域内可以保证商品、人员、劳务以及资金自由流通；不致由于某些成员国对设备的骚扰电平及抗扰度电平做了特别规定而导致在成员国之间存在不相同的保护电平而造成欧共体内部的贸易壁垒；为了保护无线电通信器件、设备与系统、电信网络以及电网系统免受电磁骚扰。

    *CE标记是欧共体为了协调各成员国对工业产品的不同安全规范，而决定以CE标记作为确认产品是否达到协调后的基本安全要求。如果产品符合有关指令的要求，即表示该产品可在欧共体范围内流通。

   2、中国的电磁兼容产品认证是根据国家的有关法律、法规和规章进行的。

我国开展电磁兼容产品认证的必要性：

• EMC实验的国际化
• 产品出口的迫切需要
• 保护我国市场
• 改善我国的电磁环境