电磁兼容原理考试复习提纲

1、 基本概念a) 电磁兼容(EMC, Electromagnetic Capability)：器件、设备或系统在所处电磁环境中良好运行，并且不对其所在环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。简言之，EMC涵盖了EMI和EMS两方面。为实现系统内设备互不干扰、兼容运行，既要控制骚扰源的电磁发射，又要提高受骚扰对象的抗扰度。b) EMI：电磁骚扰(Electromagnetic Disturbance)与电磁干扰(EMI, Electromagnetic Inference)电磁骚扰是指任何可能引起器件、设备或系统性能降低的电磁现象，电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介本身的变化；电磁干扰强调的是电磁骚扰现象所造成的后果。平时统称为电磁干扰EMI。c) 抗扰度(Immunity)与电磁敏感度(EMS, Electromagnetic Susceptibility)抗扰度是指存在电磁骚扰的情况下，器件、设备或系统性能不降低条件下的正常运行能力；敏感度衡量的是电子设备或分系统对电磁环境所呈现的不希望有的响应程度。敏感度阈值越小，抗扰度越差。平时多用电磁敏感度EMS一说。d) EMC=EMS+EMIe) EMP(Electromagnetic Pulse)：电磁脉冲，一种突发的、宽带电磁辐射的高强度脉冲。f) ESD(Electro Static Discharge)：静电放电，由静电荷的分离造成，可能导致中介空气的击穿，进而产生强电弧。电弧电流进入灵敏电子电路会造成数据不纯甚至永久破坏。g) EFT(Electrical Fast Transient)：电快速瞬变脉冲群抗扰度，脉冲群有特定的持续时间，脉冲群中的单个脉冲有特定的重复周期、电压幅值，上升时间，脉宽。h) 电磁干扰的三要素（以及近场，远场）：电磁干扰源、耦合途径(传输通道)、敏感设备(感受器)i) 常见的骚扰源：i. 自然骚扰源：1. 地球上各处雷雨、闪电产生的天电噪声2. 太阳黑子爆炸和活动产生的噪声3. 银河系的宇宙噪声ii. 人为骚扰源：1. 各种无线电发射机2. 工业、科学和医用(I. S. M.)射频设备；3. 架空输电线、高压设备和电力牵引系统4. 机动车辆和内燃机5. 电动机、家用电器、照明器具及类似设备；6. 信息技术设备；7. 静电放电和电磁脉冲等。j) 屏蔽效能：SEdB=10lg(p0/p1)、SEdB=20lg(E0/E1) 、SEdB=20lg(H0/H1)，入射到屏蔽层的电(磁)场幅度与穿透屏蔽层传输的电(磁)场幅度之比。k) 插入损耗：IL=10lgP0/P1=20lgU0/U =20lgI0/I1。指发射机与接收机之间，插入电缆或元件产生的信号损耗，通常指衰减。插入损耗以接收信号电平的对应分贝(dB)来表示。l) 射频阻抗：在直流情况下，电流在导体截面上均匀分布，导体的横截面积就是它的几何截面积。但对于射频电流，由于集肤效应，导体的有效载流面积将远小于导体的几何截面积，即导体的射频电阻高于直流电阻。m) 转移阻抗：装有衬垫的两连接面之间的电位差与流经衬垫表面电流的比值。n) 地阻抗干扰：在具体电子设备内，任何地线既有电阻又有电抗，有电流通过时地线上必然产生压降地阻抗干扰。地环路干扰：地线还可能与其他线路(信号线、电源线等)形成环路，一旦交变磁场与此环路交连，就会在地线中产生感应电势地环路干扰。o) 搭接效能：搭接效能是被搭接对象在采用搭接条前后所检测到的外界感应电压之比值。一般而言，随着频率的升高，搭接效能将下降。p) 差模干扰：产生在信号线与返回线之间，由其它设备产生。差模干扰的电压和电流在各个线路中不同；有用信号均为差模；共模干扰：产生在地线与信号线和返回线之间，输电线拾取辐射噪声。共模干扰的电压和电流在各个线路中相对“地”均相同（幅值和相位）q) 感性耦合/容性耦合：两个网络之间通过场相互作用被称做耦合，耦合又可以分为容性耦合和感性耦合，所谓容性耦合是指通过电场把信号传递过去，感性耦合是指通过磁场把信号传递过去。但容性耦合更多的是指两电路之间通过分布电容的信号耦合，感性耦合更多的是指通过感性器件的漏磁而发生的信号耦合。r) 峰值检波：峰值检波器检测到的是IF中信号包络的最大电平，并显示一个具有相同峰值的正弦波的RMS值。准峰值检波：准峰值检波的输出结果与脉冲的重复频率有关，当脉冲重复频率提高一倍时，准峰值检波输出也随之上升，其上升规律与干扰对听觉的危害程度相一致。平均值检波的最大特点是检波器的充放电时间常数相同，致使检波的直流输出基本上正比于检波器前各级信号包络的平均值。从平均值检波器得到的脉冲响应读数较之实际值小得多，一般不用于脉冲干扰测量。对于宽带噪声，均方根检波器的输出正比于带宽的平方根，这是测量背景噪声采用均方根检波器的主要原因之一。s) 3m法：电磁辐射测试中受试设备EUT(Equipment Under Test)与测试天线的距离为3米。t) 主模和高次模：（波导部分的内容） 电子设备结构设计原理P2773cm矩形波导几种模式的截止波长在矩形波导中，TE10模的截止波长最长（即截止频率最低），它是矩形波导的主模。其余依次为TE20、TE01及TM11等，统称高次模。波导内部的不均匀性可能引起波型的变换，产生高次模。任何高次模的出现都将加大主模的衰减并影响其正常传输。u) 天线系数：天线系数是描述天线接收特性的，是测量天线表面的入射电场与天线终端接收到的电压的比值。 v) 截止频率：（波导部分）：电子设备结构设计原理P276每种既定的波导都有最低可传输频率，低于此频率的电磁波就不能再在波导内传输，该频率称为截止频率fc，fc只与波导的横截面尺寸及波导内介质的特性有关。2、 电磁兼容标准体系：a) 框架：基础标准 通用标准(A工业 B居民、商业、轻工业) 产品类标准 产品标准b) 国际电工委员会IEC国际无线电干扰特别委员会(CISPR, International Special Committee on Radio Interference) 第77技术委员会(TC77)，即电磁兼容技术委员会c) (IEC/CISPR)初衷为有利于国际贸易，促进国际上无线电干扰在下列几方面的一致意见：i. 保护无线电接收装置，免受电磁干扰源的干扰；ii. 干扰测量设备与方法；iii. 干扰源所产生的干扰的限值；iv. 声音与电视广播接收机装置的抗扰度以及(与IEC各TC有联系的)测量这些抗扰度方法的规定；v. 如果CISPR所批准的标准与IEC的其他技术委员会以及国际标准化组织 (International Organization for Standardization-ISO)的技术委员会所批准的标准产生重复时，则应就除接收机以外的装置的发射和抗扰度要求与这些技术委员会进行磋商；vi. 安全规程对于电气设备干扰抑制的影响。vii. CISPR当前6个分委员会的名称：SCA SCB SCD SCF SCH SCId) TC77的工作范围i. 0 400GHz 全部频率范围的抗扰度及相关事项；ii. 低频(9 kHz)范围内的发射，包括基础标准及通用标准，例如谐波和电压波动；iii. 配合CISPR：高频(9 kHz)范围内的发射，例如电网信号及CISPR不包括的电磁骚扰现象。e) 我国：i. “全国无线电干扰标准化技术委员会”，对口CISPR工作。下设AG等7个分会，分别对应于当时的CISPR相应分会，另设S分会：无线系统与非无线系统间的电磁兼容性。ii. “全国电磁兼容标准化技术委员会”，对应TC77的工作。iii. “电磁兼容标准协调小组”，负责上述两组织间的协调工作。3、 电磁兼容常用单位：dBm：=dBmW=dBuV：=dBuV/m：=dBuA/m：=及相关单位的转换：4、 传输线（计算）a) 特性阻抗：特性阻抗Zc物理意义：当传输线上出现脉冲电压V时，相应的脉冲电流为IV/ Zc。Zc的大小取决于传输线所填充的介质和传输线的横向尺寸，与传输线的长度无关。对于无限长的均匀无损耗传输线，或者说对于无反射传输线（行波），特性阻抗就是传输线上任意一点的电压和电流之比。b) 反射系数：U(x)与U(x)之比称为电压反射系数，记作。对于均匀无耗传输线，线上各点电压反射系数的模（大小）是相同的，其差别只是各点反射系数的相角不同。ZL，+1，表示开路传输线在终端产生同相全反射；ZL0，-1，表示短路传输线在终端产生反相全反射；ZL=Zc，表示匹配传输线在终端不存在反射。(U+(x)与U(x)分别表示传输线上任意一点位置处的入射波电压和反射波电压)c) 电压驻波比(VSWR,Voltage Standing Wave Ratio)：VSWR=|Umax |/| Umin |, ，回波损耗：RL-20log |d) 传输线有三种工作状态：行波，纯驻波，行驻波。传输线上只有入射波，没有反射波，波在传播的过程中只有相位的变化，而无幅度的变化，称为行波。e) 驻波幅度最大处称波腹，幅度最小处称波节。电压驻波的波腹与波节之间在空间相距l/4。电流驻波的波腹与电压驻波的波节重合。电流驻波瞬时值的时间相位与电压驻波瞬时值相位相差p/2。f) 输入阻抗：传输线任意位置上电压的复振幅与电流的复振幅之比，称为输入阻抗，也就是从该位置向负载看去的等效阻抗，输入阻抗用Zin表示。传输线可以起到阻抗变换的作用！g) 阻抗匹配：为了使信号源的输出功率最大，信号源内阻应与传输线始端的输入阻抗共扼匹配；为了使负载吸收全部入射功率，负载阻抗应等于传输线特性阻抗。若信号源内阻和负载阻抗均等于传输线特性阻抗，则负载吸收的功率最大。此时无反射波，即阻抗匹配。h) 计算：输入阻抗的模具有最大值，且为纯阻性，为电压腹点；输入阻抗的模具有最小值，且为纯阻性，为电压节点。5、 电磁场（计算）a) 波阻抗：横向电场和横向磁场之比称为媒质的波阻抗h。在真空（空气）中，远场h=(0/0)1/2=377。b) 平面电磁波：传播方向上的电场和磁场分量恒等于0，称为横电磁波，即TEM波；电场与磁场相互垂直，且都垂直于传播方向；电场和磁场在时间上同相。c) 极化：空间固定点上电场矢量随时间的变化方式称为波的极化。线极化、圆极化、椭圆极化、水平极化（平行于地面）和垂直极化（垂直于地面）。d) 反射：i. 均匀平面电磁波垂直入射到介质表面，理想传输线：反射系数=(h2-h1)/( h2+h1)。ii. 均匀平面电磁波垂直入射到理想导体表面：=-1，透射系数T=1+=0。iii. 若媒质2的厚度为半波长，只要h1 =h3，即无反射。若媒质2的厚度为1/4波长，可进行阻抗变换。e) 衰减（趋肤效应、趋肤深度）：i. 趋肤效应：在高频情况，电磁波进入良导体后急剧衰减，电磁波只能存在于良导体表面的一个薄层内。ii. 趋肤深度：电磁波每传播一个趋肤深度，衰减为原来的1/e，即衰减8.68dB。iii. 衰减率：(s/)*8.68dB (s为物体厚度)6、 天线的基础知识a) 电偶极子：电偶极子又称为基本电振子或电流元，是指无限小的线性电流单元，即其长度远小于工作波长l，线上电流的振幅和相位处处相同（均匀分布）。任何实际天线上的电流不可能均匀分布，但实际的线天线都可以分解为许多个电流元。高电压且小电流b) 磁偶极子：磁偶极子又称为磁流元，是指长度远小于波长振子，上面有均匀分布的磁流。磁偶极子本身不存在，但对于周长远小于波长的小电流环和无限大的薄金属板上开的长度远小于波长的窄缝都近似具有磁流元的特性。大电流及低电压c) 近场：存在于距电磁辐射源(例如发射天线)一个波长范围内的电磁场，即rl/(2p) 。在近场区，两种偶极子的波阻抗在量值上不同，电偶极子是容性耦合的高阻抗场，磁偶极子是感性耦合的低阻抗场，并且波阻抗与距离有关。在远场区，自由空间的波阻抗是一常数377W，与场源的特性和距离无关。7、 屏蔽（计算）a) 低频时反射损耗是主要机理，高频时吸收损耗是主要机理b) 电屏蔽：从场的观点看，是减小两个回路(或两个元件、组件)间电场感应的影响。从电路的观点看，是减小干扰源和感受器之间分布电容的作用。电屏蔽只要保证良好接地即满足电屏蔽要求，无需进行特殊考虑。(近场、低频)c) 磁屏蔽：使用高磁导率材料分流磁通量(近场、低频)涡流的屏蔽作用很小，依靠高磁导率材料的磁旁路作用。高导磁率材料：易饱和；低磁导率：屏效不够；屏蔽时用低磁导率材料+高磁导率材料d) 电磁屏蔽：屏蔽的机理：反射+吸收+多次反射；屏蔽效能：SE(dB)R(dB)A(dB)+B(dB)R = (Zs+Zw)2/(4ZsZw)e) 空腔谐振：在实际工程中，有时会遇到在个别频率点上屏蔽效能很小，甚至为负值。i, j, k0, 1, 2（i, j, k最多只能一个为0）谐振模式的阶次越高，其频率间隔越小。f) 波导通风窗：为了能达到预期的屏蔽效能，又确保通风良好，用多个小孔代替大孔；把金属网覆盖在大面积的通风孔洞上，能显著地提高屏蔽效能采用波导通风窗。波导通风窗对于低频磁场的屏蔽效能并不理想，100MHz以下不推荐使用，波导管内不允许穿过金属物体。设计截止波导通风管时 ，一般取fc=510f ,依据fc确定波导管的孔径：矩形波导管：宽边边长a(m)=150/fc(MHz)；圆形波导：内径d(m)=176/fc(MHz)；六角形波导：外接圆直径w(m)=150/fc(MHz)截止波导管的长度l，一般要求la，l3D，或l3w波导通风窗对于低频磁场的屏蔽效能并不理想，100MHzg) 电磁屏蔽的设计指标：屏蔽效能的期望值，总体指标的分配有30dB与70dB准则。骚扰电平与敏感度门限电平之差小于30dB时，设计阶段可不必专门进行屏蔽设计。两者之差超过70dB，单靠屏蔽很难保证两者兼容，即使能达到指标，设备成本将急剧增加。请注意：大部分结构辅助材料：双层屏蔽电缆、射频同轴连接器、夹网屏蔽玻璃、穿孔金属板、各种导电衬垫，甚至包括与屏蔽措施配套使用的电源干扰抑制滤波器等，对干扰所提供的实际抑制效能大致都不超过6070dB。h) 电磁屏蔽设计的要点：屏蔽结构中，任何情况下都应使缝隙长度远小于所要抑制的电磁波波长，一般应小于/100波长，至少不大于/20波长；改善接缝处的电接触，除去接缝配合表面上的润滑油、机油、油漆、灰尘、氧化层及其他不导电的薄层，并且可以涂上导电涂料和填隙料；使用导电衬垫。i) 电磁屏蔽效能测试：窗口法：IEEE 299-2006；适用频率范围：30MHz1.5GHz；厚度：不大于/100、同轴法：ASTM D43958、 接地和搭接a) 单点接地和多点接地的选择准则：对低频电子设备，最常用的是单点接地方式，串联式单点接地因各单元共用一条线，易引起共地阻抗干扰。并联式单点接地，在低频时可有效地避免各单元间的地阻抗干扰，但是需要多根地线且只适用于低频，在高频时，相邻地线之间的耦合会增强，易造成各单元间的相互干扰，另外地线的总数大大增加，导致设备的重量和体积增大，成本提高。对高频电子设备，最常用的是多点接地方式，即各接地点就近接地。低频和高频应具体情况具体分析。高频设计时为使接地阻抗最小，减少射频电流返回路径的阻抗，应让走线尽量短，使引线电感最小化。b) 地环路干扰的抑制措施：就得减小地环路面积，最好在线路布局时避免构成地环路（例如：双绞线）c) 地阻抗干扰的抑制措施：i. 减小地线阻抗和电源馈线阻抗随着频率升高，由于集肤效应，导体的有效载流面积将远小于导体的几何截面积，即导体的射频电阻高于直流电阻；高频时，电感分量Lg起主导作用。为了减小导体的射频电阻和电感，采用宽/厚比值大的扁铜带制作地线。信号地线连接点之间的直流搭接电阻2m，安全地线的接地电阻20MW,与机壳之间的绝缘电阻100M不同种类的地线连接时，应进行高频去耦iv. 阻隔地环路。变压器耦合，变压器抑制地环路干扰的频率范围为：0f1/(2RLC)；纵向扼流圈传输信号，只有当工作频率高到一定程度，纵向扼流圈两个绕组之间的磁耦合才足以迫使信号返回电流流回次级绕组。a.它既能传输交流信号，又可传输直流信号；b.扼流圈对地线中高频干扰的抑制能力强； c.扼流圈可有效地抑制线路中所传输的高频信号对其他电路单元的干扰。9、 滤波a) EMI滤波器的特点：i. 期望的工作频带宽 ii. 端接阻抗的变化范围大 iii. 关心的是对外界干扰信号的抑制能力 iv. 加载电流影响插入损耗 v. 插入损耗难以进行精确的分析和计算！b) 使用的注意事项：i. 直流滤波器不能用于交流电源线；ii. 样本上给出的插入损耗是在50条件下测得的；iii. 实际滤波器是带阻滤波器，因为电容器引线有电感和电阻，电感线圈上有分布电容和电阻；高频时必须注意这些效应；iv. 另外，高频时器件之间的耦合也会造成插入损耗下降；1.考虑影响因素EMI滤波器的容性电流，对于实验室配置的EMI滤波器，应注意无功功率的影响。利用电感进行功率因数校正。端接阻抗对滤波器的影响。接地对滤波器性能的影响。2.注意直流滤波器不能用于交流电源线； 实际滤波器是带阻滤波器，因为电容器引线有电感和电阻，电感线圈上有分布电容和电阻；高频时必须注意这些效应；另外，高频时器件之间的耦合也会造成插入损耗下降；3.使用串联电感接低阻抗源，并联电容接高阻抗源；串联电感面向低阻抗负载，并联电容面向高阻抗负载；使滤波器和对应的端口阻抗在低频匹配，并补偿源和负载在宽频带内的阻抗变化。4.安装电源线滤波器应安装在设备或屏蔽壳体的电源入口处，并予以屏蔽；焊接在同一插座上的每根导线都必须进行滤波，否则会破坏滤波器滤波的有效性；滤波器的输入和输出引线之间应予以屏蔽，并尽量远离，更不得往返交叉；滤波器的外壳必须接地！c) 滤波器插入损耗的测试方法：i. 空载50系统测试法ii. 空载0.1/100 和100/ 0.1系统测试法iii. 加载50系统测试法iv. 加载电流探头测试法10、 试验a) 接收机的关键技术指标：分辨带宽、检波方式。i. 分辨率带宽（RBW）反映了滤波器区分两个相同幅度、不同频率的信号的能力。通常是指3dB带宽，但EMI接收机是6dB带宽。ii. 所有检波器的功能（即：峰值、准峰值、平均值和RMS值）都是所有检波器的输出采用能产生相同知识的正弦波（已调