电磁兼容概述

1、 电 磁 干 扰 与 电磁兼容技术 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 11 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，例如： 1、通信：电话、电报、传真、无线通信（ 移动通 信）、微波通信、光纤通信、卫星通信* 2、广播电视:中波广播、短波广播、调频广播、电 视广播、数字广播 * 3、家用电器：各种家用电器都要利用电磁能量，例 如：电磁炉、

2、微波炉 、遥控玩具 4、生物医学：灭菌(食品、流动票券、饲料)、诊断(CT、 x射线、磁共振、超声）、理疗（高频、微波）、手术 （激光手术刀、微波手术刀） 5、工业应用：电解（电解铝、生产电石）、电镀、加热 或烘干（微波或红外）、高频炉、电炉（炼钢）、灭 虫（木材、卷烟)、遥控、遥测、遥感 6、农业应用：灭虫（种子）、育苗、磁化水 7、电磁检测：防盗*、探测文物、无损检测、测厚、测湿、 测温、测速 8、雷达：导航（航空、航海）、气象预报、交通管制 9、军事应用：雷达、电子对抗（电子干扰、反 干扰）、激光武器、电磁武器 10、射电天文学：天文观测 这些设备在正常运行的同时也向外辐射电磁 能量，可

3、能对其他设备产生不良的影响，甚至造 成严重的危害，这就是电磁干扰。据统计，全世 界空间电磁能量平均每年增长714。 在有限 的空间和有限的频率资源条件下，由于各种电子、 电气设备的数量与日俱增，使用的密集程度越来 越大，电磁干扰的严重性就越来越突出。 12 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： 、干扰广播、电视、通信信号的接收； 、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； 、可能引燃一些易燃易爆物质* ，引起爆炸和 火灾； 、较强的电磁辐射对人体的健康有很大的影

4、 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：民兵导弹的飞行故障 。 1962年，民兵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

5、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。 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

6、示偏离10以上。 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 、电离辐射和非电离辐射 电磁辐射的量子能量 whf ，其中h 6.62 10-34JS 是普朗克常数，f是频率（Hz） f31015Hz 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、射线辐射。 f31015Hz 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。 、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， ：生物

7、体的密度， ：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。 2 pE SAR 、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30M3000M 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： 、热效应 辐射功能密度S10mW/cm2（E110V/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

8、谢增加约514%，组织中的氧的需求量增加50100%）。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、男性生 殖器等。 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）。 S10mW/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。 、非热效应 S1mW/cm2（E61.4 V/m），长时间照射也不会 引起体温明显的升高

9、，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。 、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*。 、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

10、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 E1/r3，在天线远区E1/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。 、电磁辐射防护限值 国家标准电磁辐射防护规定（GB 870288）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

11、。 13 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。 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

12、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。下表是参加全国电磁兼容学术会议的学术团 体： 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。 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 11是

13、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11 电磁兼容性学科研究的内容主要包括：电磁兼容性学科研究的内容主要包括： 干扰源。 干扰信号的特性。 干扰信号的传播。 被干扰设备（接收器）的研究。 电磁兼容测量技术的研究。 电磁兼容性分析和预测。 抗干扰技术的研究。 电磁兼容性设计。 信息设备电磁泄漏及防护技术。 电磁脉冲及其防护。 电磁兼容标准和规范的研究。 郑

14、州大学信息工程学院自1986年以来 一直从事电磁环境和电磁兼容的研究，承 担和完成国家自然科学基金项目一项、国 家环保局项目一项、河南省和省教委科技 攻关项目和自然科学基础研究项目多项。 在环境电磁场的测量、理论计算和预测(包 括建立数学模型、编制计算程序和应用软 件等), 电磁兼容的理论分析、计算、 测量 和应用技术等方面都有比较深入的研究， 已经形成一个很有特色的研究方向。 第二章 电磁干扰 21 电磁干扰概述 22 电磁干扰源 23 干扰信号的特性 24 干扰信号的传播 21 电磁干扰概述 211 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）

15、 212 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21 三、按干扰的来源分类 1、自然干扰 图22 、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mss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10100kHz，最高也可以达到100MHz以上。 、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

16、如太阳黑子活动 造成的无线电干扰，可造成通信中断。 图22 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，在221节中有 较为详细的介绍。 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，例如。 非功能性干扰：无用的电磁泄漏产生的干扰， 例如 。 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 213 产生电磁干扰的三个要素 、电

17、磁干扰源。 、对此类干扰敏感的仪器设备（被干扰体）。 、干扰信号耦合的通道（传播途径：传导、辐 射）。 214 系统内部的干扰与系统之间的干扰 、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。 、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。 22 电磁干扰源 221 常见的电磁干扰源 干扰信号，是一个广泛的概念。一般来说， 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

18、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。 一、自然干扰源：雷电、宇宙干扰。 二、人为干扰源。 1、按使用功能分类 、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）。 、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。 、公用电

19、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。 、瞬变干扰源： 弧光放电 例如：电焊机、大负荷开关； 电晕放电 例如：高压输电系统； 火花放电 例如：汽车点火器，电动机（电 刷），电车，电气化铁路； 气体放电 例如：荧光灯； 静电放电； 核电磁脉冲。 2、按辐射频率分类 表21 3、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22所示。 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

20、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。 表22 传导干扰源产生干扰的原因 干扰的类型 信号发生器、功率放 大器、振荡器 基波、各次谐波信号泄漏传导、辐射 脉冲信号发生器脉冲含有丰富的谐波，频谱很宽。传导、辐射 继电器，各种开关 电流突变；接触电火花放电、弧光 放电。 传导、辐射 电动机、电动工具 启动电流约是额定电流的47倍， 形成冲击电流；电刷和整流子之间 滑动接触引起火花放电。 传导、辐射 荧光灯、 气体放电管 点燃时电击穿瞬间产生射频噪声

21、； 点燃后辉光放电。 传导、辐射 计算机及外设 时钟振荡器、开关电源、数字电路 器件、高速数据线、频率变换器等 都是高频干扰源。 传导、辐射 传导干扰源产生干扰的原因 干扰的类型 数字电路器件 工作于开、关状态，电压突变， 含有丰富的高次谐波。 传导 变压器、电感性 器件 磁场泄漏；通、断转换时产生 前沿很陡的瞬变电压。 传导、辐射 电子仪器含有振荡器等辐射源。传导、辐射 家用电器含有电动机、振荡器等辐射源。传导、辐射 公用电源 交流声；来自线路上其它设备 的传导干扰 传导 辐射干扰源产生干扰的原因 干扰的类型 广播、电视、通信、 雷达发射设备 基波、各次谐波、各种交调干扰辐射 高压输电线路电

22、晕放电、火花放电辐射 电气化铁路 滑动节点脱线产生火花放电、弧光 放电 辐射 电焊机弧光放电传导、辐射 高频、微波加热设备高频、微波辐射辐射 高频、微波医疗设备高频、微波辐射辐射 磁疗设备磁场泄漏辐射 汽车点火系统火花放电辐射 核电磁脉冲E105V/m，H260Am传导、辐射 静电放电 火花放电，击穿电子器件，引起爆 炸和火灾 辐射 222 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 功能性干扰源具有确定

23、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47倍)产生干扰电压： eLdidt 4、 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 下面分析一下来自公用电源的传导干扰： 、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*。 、电

24、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。 、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。 、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。 223 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

25、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， 各种交调干扰也属于非功能性辐射干扰。 1、设备的电磁泄漏 图23 、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。 、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 、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 、电晕放电 高压设备 (例

26、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）。 、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。 介绍一个试验： a、用两个曲率比较 大的电

27、极，相隔 一间隙，加一电 压，当电压逐渐 升高时，电极尖 端部分附近场强 很大，出现电晕 放电，然后出现 火花放电和弧光放电。 图24 b、若两电极曲率很小，电极附近场强较小，不 出现电晕放电，直接形成火花放电和弧光放 电。 、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 、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。MOS器件的氧化层越薄，元件对静电放电的 敏感性也越大。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。一个 典型的例子是，NPN