环境管理_电磁环境污染途径

1 第3章电磁环境及电磁污染途径 电磁骚扰源的分类 按频谱宽度 窄带骚扰源和宽带骚扰源 按作用时间 瞬态波骚扰和连续波骚扰 一般 自然电磁骚扰源和人为电磁骚扰源 2 第3章电磁环境及电磁污染途径 3 1自然电磁环境根据电磁波产生的机理不同 一般将电磁干扰划分为自然电磁干扰和人为电磁干扰两种 非人为因素产生的电磁波 构成了电磁环境的一部分 把这部分电磁波所形成的电磁环境称为自然电磁环境 在自然电磁环境中 静电 雷电和自然辐射是3种最重要的电磁干扰 3 自然电磁骚扰源 来源于大气层的噪声和地球外层空间的宇宙噪声 包括宇宙干扰 大气干扰 热噪声和沉积静电干扰等 宇宙干扰来自太阳系 银河系的电磁骚扰 包括太阳 月亮 恒星 行星和星系发出的太空背景噪声 无线电磁噪声等 一般在2 50MHz的频率范围内干扰明显 受干扰对象主要是卫星通信和广播信号以及航天飞机等 大气干扰主要是雷电 频谱在30MHz以内 对无线电通信的干扰较大 此外 沙暴 雨雾等自然想象也可以产生电磁噪声 热噪声是由于热力状态变化引起导体无规则的电起伏 沉积静电噪声指飞行器高速接触大气中的尘埃 雨点 雪花 冰雹时产生的电荷积累 引起火花放电 电晕放电等 影响通信和导航 4 5 频谱的使用与管理 频谱是一个有限的自然资源 频谱分配必须以频谱利用的有效性和合理性为基础 既要充分有效地利用频谱资源 又要保证相互之间不存在电磁干扰 即满足电磁兼容性 频谱管理就是为了实现电磁频谱的有效管理 保护和合理利用等 确保各类无线电业务的有效进行 包括了无线电频谱资源的频率划分 指配和控制 6 频谱管理 全世界分为三个区域 一区包括欧洲 非洲和原苏联的亚洲部分 小亚细亚和阿拉伯半岛 二区包括北美洲和南美洲含夏威夷 三区包括澳大利亚和亚洲 俄罗斯的亚洲部分除外 国际电信联盟 ITU 规定了各个频段的用途 各个国家根据国际电信公约和国际无线电规则设立国家级的频谱管理机构 为本国分配和管理电磁频谱 在我国则由全国无线电管理委员会负责频谱的分配 协调和管理 7 频谱管理 人类目前利用的电磁频谱大约在0Hz 3000GHz 并向更高的频段发展 应用最多的仍然在中频300 3000kHz 高频3 30MHz 甚高频30 300MHz 超高频300 3000MHz 特高频3 30GHz 通信 电视 广播 导航 雷达 测控均在此频段范围内 8 频谱分配 9 频谱分配 10 电磁骚扰的耦合途径 按耦合机理 11 3 1 1静电静电的形成如下图所示 绕原子A的原子核旋转的电子 在外力的作用下 离开原来的原子A而侵入其他的原子B A原子因缺少电子数而呈带正电现象 称为阳离子 B原子因增加电子数而呈带负电现象 称为阴离子 当外力持续作用时 阳离子和阴离子的分布会变得越来越不均匀 对外将表现为带电现象 12 当两个不同的物体相互接触时 就会使得一个物体失去一些电子 如电子转移到另一个物体 而带正电 另一个得到一些剩余电子的物体则带负电 若在分离的过程中电荷难以中和 电荷就会积累使物体带上静电 13 潮湿的空气也是正负电荷中和的路径 人体是良好的静电载体 能够通过摩擦起电充电到几千伏 通过人的活动 这些不受欢迎的静电荷就会被带到一些敏感区域晃来晃去 这些大量的静电一旦找到合适的放电路径 就会产生放电现象 14 15 静电的放电与人体放电模型当人体接近导电物体时 最坏的情况是接触到一个金属物体 例如仪器外壳 集成电路的管脚等 如果空气气隙上的电位梯度足够高 电荷会以火花的形式转移到那个物体上 下图给出了人体静电放电的等效电路 16 图中 CR 人体和大地之间的电容 RR 人体的电阻 17 LR 人体的电感 CS 人手臂与大地之间的电容 Co1 人手臂与金属体之间的电容 RS 人手臂放电路径的电阻 LS 人手臂放电路径的电感 Co2 人手 手指与金属体之间的电容 CJ 金属体与大地之间的电容 RJ 金属体的接地电阻 LJ 金属体的接地电感 18 人体静电放电的过程受很多因素影响 具体的放电过程也因各种分布参数的不同而不同 典型的人体静电放电电流波形如下图所示 19 在这个波形中 低频成分转移的电荷比高频成分多 但是高频成分会产生更强的场 对电路的危害也最为明显 由实验得出的各个参数的范围如下 Tr 上升时间 200ps 100nsTs 尖峰宽度 0 5ns 10 sTt 持续长度 100ns 2ms静电放电过程的不同不仅表现在电流波形在时间特性上差异很大 而且幅度也会在1A 200A范围内变化 20 正是由于不同条件下静电放电的特性差异很大 所以电子设备对静电放电的响应很难预测 所幸的是 我们可以用统计的方法来处理这个问题 一定要记住的一个事实是 静电放电时产生的能量很大 频率很高 有时高达5GHz 21 静电的危害静电场的强度取决于充电物体上的电荷数量和与它的电荷量不同的物体之间的距离 人体上的最高电压应该是20kV左右 如果一个元件的两个针脚或更多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 另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔点 1415 时所引起的 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 22 器件受到静电放电的影响后 也可能不立即出现功能性的损坏 这些受到潜在损坏的元件通常被称为 跛脚 一旦加以使用 将会对以后发生的静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性 整体的性能表现为电子设备的性能越来越差 直至完全损坏 相对于自然界的静电来说 电子器件是非常娇贵的 正是基于这一因素 是否采取了防静电措施是衡量电子器件质量好坏的一个非常重要的指标 23 设备漏电 尤其是不会对人造成触电伤害的微弱漏电虽然不属于静电放电现象 但其性能却与静电放电类似 所以一般将设备漏电也纳入静电防护体系中来考虑 静电放电 ESD 及电气过载 EOS 对电子元器件造成损害的主要机理有 热二次击穿 金属镀层熔融 介质击穿 气弧放电 表面击穿和体击穿等 24 3 1 2雷电雷电的形成人们通常把发生闪电的云称为雷雨云 其实有几种云都与闪电有关 如层积云 雨层云 积云和积雨云 最重要的是积雨云 一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云 积雨云形成过程中 在大气电场 温差起电效应和破碎起电效应的同时作用下 正负电荷分别在云的不同部位积聚 当电荷积聚到一定程度 就会在云与云之间或云与地之间发生放电 也就是人们平常所说的雷电 25 当云层放电时 由于云中的电流很强 通道上的空气瞬间被烧得灼热 温度高达6000 20000 所以发出耀眼的强光 这就是闪电 而闪道上的高温会使空气急剧膨胀 同时也会使水滴汽化膨胀 从而产生冲击波 这种强烈的冲击波活动形成了雷声 26 雷击通常有3种形式 直击雷 感应雷和球形雷 直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象 感应雷是当直击雷发生以后 云层带电迅速消失 地面某些范围由于散流电阻大 出现局部高电压 或在直击雷放电过程中 强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应 发生高电压而发生闪击现象的二次雷 球形雷比较多见于山区 其登堂入室的报道常见于报端 27 28 雷电的破坏作用雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾难 雷电具有以下几个特点 冲击电流非常大 其电流高达几万至几十万安培 持续时间短 一般雷击分为3个阶段 即先导放电 主放电和余光放电 整个过程一般不会超过60 s 雷电流变化梯度大 有的可达10KA s 冲击电压高 强大的电流产生交变磁场 其感应电压可高达上亿伏 雷电危害可分成直击雷 感应雷和浪涌3种 29 在雷暴活动区域内 雷云直接通过人体 建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象 称为直接雷击 感应雷的破坏也称为二次破坏 雷电流变化梯度很大 会产生强大的交变磁场 使得周围的金属构件产生感应电流 这种电流可能向周围物体放电 如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸 而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性 30 感应雷主要有两种 静电感应雷和电磁感应雷 静电感应雷 带有大量负电荷的雷云所产生的电场E将会在架空明线上感生出被电场束缚的正电荷 当雷云对地放电或对云间放电时 云层中的负电荷在一瞬间消失了 严格说是大大减弱 于是在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚 在电势能的作用下 这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击 从而对电器设备产生不同程度的影响 31 电磁感应雷 雷击发生在供电线路附近 或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场 此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上 由于避雷针的存在 建筑物上落雷机会反倒增加 内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了 对用电设备造成极大危害 最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的 而是由于雷击发生时在电源和通信线路中感应的电流浪涌引起的 浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入电脑设备 我们就这两方面分别介绍如下 32 1 电源浪涌电源浪涌并不仅源于雷击 当电力系统出现短路故障 投切大负荷时都会产生电源浪涌 电网绵延千里 不论是雷击还是线路浪涌发生的几率都很高 当距离几百公里的远方发生了雷击时 雷击浪涌通过电网光速传输 经过变电站等衰减 到你的电脑时可能仍然有上千伏 这个高压持续很短 只有几十到几百个微秒 或者不足以烧毁电脑 但是对于电脑内部的半导体元件却有很大的损害 33 34 2 信号系统浪涌信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击 电磁干扰 无线电干扰和静电干扰 金属物体 如电话线 受到这些干扰信号的影响 会使传输中的数据产生误码 影响传输的准确性和传输速率 排除这些干扰将会改善网络的传输状况 35 常见防雷产品现代防雷产品种类繁多 大致可分为4大类 1 接闪器避雷针是最早的接闪器 也是目前世界上公认的最成熟的防直击雷装置 避雷带 避雷网 避雷线是避雷针的变形 其接闪原理是一致的 36 常见防雷产品现代防雷产品种类繁多 大致可分为4大类 2 低压电源避雷器信息产业部的分析统计表明 通信站80 的雷击事故是由雷电波侵入电源线造成的 因此 低压交流避雷器发展非常迅速 而以MOV材料为主的避雷器在市场上占有统治地位 37 3 通信线路避雷器通信线路避雷器的技术要求较高 因为除了满足防雷技术要求外 还须保证传输指标要求 加上与通信线路相连的设备耐压很低 对防雷器件的残压要求严格 因此在选择防雷器件时较困难 4 接地装置接地是防雷的基础 标准规定的接地方法是采用金属型材铺设水平或垂直地极 在腐蚀强烈的地区可以采用镀锌和加大金属型材的截面积的方法抗腐蚀 也可以采用非金属导体做地极 如石墨地极和硅酸盐水泥地极 更合理的方法是利用现代建筑的基础钢筋做地极 有事半功倍之效 38 接地网 39 3 1 3自然辐射自然辐射干扰源的种类非常多 主要有电子噪声 大地表面磁场 大地磁层 大地表面的电场 大地内部的电场 大气中的电流电场 闪电和雷暴的电场 太阳无线电辐射和银河系无线电辐射等 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 l f噪声和天线噪声等 热噪声具有极宽的频谱 能量随温度而变化 温度越低 噪声越小 40 在地球表面存在着地磁场 它是一种自然场 只要拿一枚小小的磁针就能观察到它的存在 根据观测已知 地磁场的场强分布基本上是轴对称的 磁轴和地轴不重合 它们之间偏移一个角度 称为磁偏角 在海拔高度500km处存在着大气电离层 由此人们可以设想地球和这个电离层组成一个巨大的球形电容器 大气中的电荷在电场作用下沿电场方向移动 形成一个恒定的电流流入大地 从而把正电荷输送到大地上 对整个地球来说可产生1 5kA数量级的电流 因此地球很像一个巨大的发电机 41 宇宙噪声主要来自太阳辐射和银河系无线电辐射 太阳辐射可分为热辐射和非热辐射两类 热辐射频谱从十几兆赫到30GHz 在太阳黑子剧烈活动期的辐射强度比静止期大60dB 银河系无线电辐射频率在150MHz 200MHz频段内 因此宇宙噪声在20MHz 500MHz频率范围内影响相当明显 由太阳飞出的带电粒子的辐射 不管是对地球上受太阳光照亮的半球 还是对黑暗的半球 即不管是在白天还是在黑夜 都能引起磁场的变化 由太阳飞出的带电粒子引起磁场的改变就是地球上的磁暴 42 3 2人工电磁干扰3 2 1辐射干扰源辐射干扰是指以电磁波形式传播的干扰 这类干扰的能量是由干扰源辐射出来 通过介质 包括自由空间 以电磁波的特性和规律传播的 构成辐射干扰源有两个条件 一个是有产生电磁波的源泉 另一个是能把这个电磁波能量辐射出去 43 电磁辐射场区一般分为远区场和近区场 以场源为中心 在一个波长范围内的区域 通常称为近区场 也可称为感应场 半径为一个波长之外的空间范围称为远区场 又称为辐射场 通常 对于一个固定的可以产生一定强度的电磁辐射源来说 近区场辐射的电磁场强度较大 所以 我们应该格外注意对电磁辐射近区场的防护 常见的信息辐射干扰源有发送设备 本地振荡器 非线性器件和核爆脉冲等 44 发送设备 发送设备通过发送天线辐射出去 有时通过编织屏蔽层和通风管道辐射出去 通过连接电缆向外辐射 本地振荡器 在多数设备中 主要的发射源是印制电路板 PCB 上电路 时钟 视频和数据驱动器 及其他振荡器 中流动的电流 设备功能非线性产生的辐射 所谓设备功能非线性所产生的辐射干扰 指的是电路中器件工作在非线性状态时所产生的干扰 45 核电磁脉冲辐射核电磁脉冲辐射是能量很大的一种特殊的辐射干扰源 爆炸核武器时 核辐射与周围环境相互作用 使带电粒子强烈运动 由此产生核电磁脉冲 电弧辐射当开关 继电器触点开启和闭合时 触点间会产生电弧 特别是在驱动电感负载时 这种现象更为明显 46 47 3 2 2传导干扰源传导干扰指通过导体传播的干扰 传导干扰与辐射干扰的界限并不是非常明显 除频率非常低的干扰信号外 许多干扰信号的传播可以通过导体和空间混合传输 在某些场合 干扰信号先以传导的形式 通过导体将能量转移到新的空间 再向空中辐射 而在另一些场合 干扰信号先在空中传播 在其传播的过程中遇到导体 就会在导体中感应出干扰信号 变成传导干扰 沿导体继续传播 48 1 传导干扰源传导干扰源按带不带信息可以分为信息传导干扰源与电磁噪声传导干扰源两类 信息传导干扰源指的是带有信息的无用信号对电子设备产生的干扰 电磁噪声传导干扰源指的是不带任何信息的电磁噪声对电子设备的干扰 下页表是常见的信息传导干扰源及产生这种干扰的原因 49 表3 8是常见的电磁噪声传导干扰源及产生这种干扰的原因 下表是常见的电磁噪声传导干扰源及产生这种干扰的原因 50 51 2 传导干扰源的频谱任何种类的干扰都与干扰源的功率 频率有关 下表是常见传导干扰源的干扰频谱 测量表明 传导频谱由最低可测的频率到1GHz以上的频谱 通常情况下 传导干扰的频率最高为几十兆赫以下 这是因为当频率升高时 由于导体损耗以及布线电感和分布电容的作用 使传导电流大大衰减 52 目前 对电子设备影响最大的传导干扰要数通过供电线路传导的干扰 这些干扰源通过电网可以将干扰信号传播到非常广的范围 53 3 3电磁干扰三要素理论和实验的研究表明 不管复杂系统还是简单装置 任何一个电磁干扰的发生必须具备3个基本条件 首先应该具有干扰源 其次有传播干扰能量的途径 或通道 第三还必须有敏感器件 在电磁兼容性理论中把被干扰对象统称为敏感设备 或敏感器 因此干扰源 干扰传播途径 或传输通道 和敏感设备称为电磁干扰的三要素 下页图为电磁干扰三要素的示意图 54 关于电磁干扰的传播途径一般分成两种方式 即传导耦合方式和辐射耦合方式 敏感设备是被干扰对象的总称 它可以是一个很小的元件或者一个电路板组件 也可以是一个单独的用电设备 甚至可以是一个大系统 55 3 3 1敏感设备的敏感度度量由于敏感设备是以不同电路原理 不同结构和不同元器件构成的具体用电设备 它们受同一电磁干扰作用的响应程度差别很大 通常用敏感度来描述敏感设备对电磁干扰响应的程度 敏感度越高 表示对干扰作用响应的可能性越大 也可以说表明该设备抗电磁干扰的能力越差 不同敏感设备的敏感度值需要根据具体情况加以分析和实际测定 56 模拟电路系统敏感度分析对于模拟电路系统 敏感度表示为式中 Sv为以电压表示的模拟电路敏感度 Nv为热噪声电压 B为电路的频带宽度 K为与干扰有关的比例系数 模拟电路的敏感度经常用分贝 dB 表示SdBV 其计算公式如下 57 其中 GdBV是用分贝表示的设备灵敏度 一般灵敏度值比较小 多为毫伏级或微伏级数值 数字电路系统敏感度分析对于数字电路系统 敏感度表示为 式中 Sd为数字电路敏感度 B为电路的频带宽度 Ndl为数字电路的最小触发电平 58 一般数字电路的最小触发电平Ndl远比模拟电路的噪声电平要大得多 因此数字电路比模拟电路的敏感度值要小得多 说明数字电路有较强的抗干扰能力 数字电路的敏感度也常以分贝 dB 表示 上式写为 电子设备的敏感度可以在很大范围内变化 大致的数量概念在80dB 230dB之间为多数 59 一般将80dB 230dB的敏感度分成7类 小于80dB为极不敏感类 80dB 110dB为较不敏感类 110dB 140dB为稍敏感类 140dB l70dB为中等敏感类 170dB 200dB为敏感类 200dB 230dB为非常敏感类 大于230dB为极敏感类 60 3 3 2传播干扰能量的途径在实际中 存在两类传播干扰能量的途径 系统内部耦合和设备间的外部耦合 无论是系统内部耦合还是设备间的外部耦合 均存在以下几种耦合方式 干扰源就是通过这些能量耦合方式将干扰施加于敏感设备 61 直接耦合方式电导性耦合最普遍的方式是干扰信号经过导线直接传导到被干扰电路中而造成对电路的干扰 这些导线可以是设备之间的信号连线 电路之间的连接导线 如地线和电源线 以及供电电源与负载之间的供电线等 这些导线在传递有用信号能量的同时 也将干扰信号传递给对方 下图为直接耦合的示意图 62 其中 Rs为干扰源的内阻 Us为干扰源信号的干扰电压 Rz为连接导线的等效电阻 该电阻随着干扰信号的频谱的改变而改变 RL为敏感部件的等效负载电阻 该电阻也随着干扰信号的频谱的改变而改变 63 Rz和RL随着干扰信号的频谱的改变而改变的主要原因是 当干扰信号的频率升高时 导线的趋肤效应将越来越明显 导线的等效横截面积越来越小 等效的交流电阻也越来越大 64 漏电耦合方式漏电耦合是电阻性耦合方式 当相邻的元件或导线间的绝缘电阻降低时 有些电信号便通过这个降低了的绝缘电阻耦合到逻辑元件的输入端而形成干扰 漏电耦合传导干扰能量的情形与直接耦合方式的基本相同 两者不同之处是 直接耦合方式是由导线传递能量 在传递干扰信号的能量的同时 还传递有用信号的能量 而漏电耦合方式是由漏电阻传递能量 并不传递有用信号 其危害性比直接耦合方式更具隐蔽性 65 公共阻抗耦合方式公共阻抗耦合是噪声源和信号源具有公共阻抗时的传导耦合 公共阻抗随元件配置和实际器件的具体情况而定 只要其中某一电路的电流发生变化 便会使其他电路的供电电压发生变化 形成公共阻抗耦合 公共耦合一般发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时 一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路 如下图所示 常见的公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗两种 下图是公共地线的连线的内阻而产生的耦合 66 为了防止公共阻抗耦合 应使耦合阻抗趋近于零 通过耦合阻抗上的干扰电流和产生的干扰电压将消失 此时 有效回路与干扰