第2章电磁兼容基本原理

1、 第第2章章 电磁兼容基本原理电磁兼容基本原理2.1 电磁兼容的基本概念电磁兼容的基本概念2.2 电磁骚扰源电磁骚扰源2.3 电磁骚扰的传播电磁骚扰的传播2.4 保证电磁兼容性的方法保证电磁兼容性的方法 2.1 电磁兼容的基本概念电磁兼容的基本概念2.1.1 有关电磁兼容的定义有关电磁兼容的定义2) 美国电气电子工程师协会(IEEE)的定义：一个装置能在其所处的电磁环境中满意地工作同时又不向该环境及同一环境中的其他装置排放超过允许范围的电磁扰动。1) 国家标准GB/T 4365-1995电磁术语的定义：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。 电磁

2、兼容性(Electromagnetic CompatibilityEMC) 3) 国际电工技术委员会(IEC)的定义：电磁兼容是设备的一种能力。它在其电磁环境中能完成它的功能，而不至于在其环境中产生不允许的干扰。 电磁兼容(学)：有关电磁兼容性研究和应用的学科 。学科的内容十分广泛，几乎包括现代各个行业、部门 ，涉及多学科理论，是一门综合性的边缘学科。 电磁骚扰(E1ectromagnetic Disturbance)：可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命、无生命物质产生损害作用的电磁现象。 电磁干扰(E1ectromagnetic InterferenceEMI)：由电磁骚扰引起的设备

3、、系统或传播通道的性能下降 。 电磁骚扰和电磁干扰比较：两个词语过去经常混用，但两者之间有明显的区别前者是指电磁能量的发射过程，后者则强调电磁骚扰造成的结果。 性能降级(Degradation of Performance)：装置、设备或系统的工作性能与正常性能的非期望偏差 。 抗扰性(Immunity of Disturbance)：装置、设备或系统面临电磁骚扰而不降低运行性能的能力。 电磁敏感性(E1ectromagnetic SusceptibilityEMS)：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。 电磁敏感性与抗扰性比较：同一性能的正反两个不同说法，敏感性高

4、意味着抗扰性能低。 电磁兼容裕量(EMC Margin)：装置、设备或系统的抗扰性限值与骚扰源的发射限值之间的差值。 有关发射电平、抗扰性电平、限额值和兼容性电平等之间的关系 2.1.2 电磁干扰三要素电磁干扰三要素 电磁兼容就是研究电磁干扰（E1ectromagnetic InterferenceEMI）问题。 电路受干扰的程度可用下式描述： /IWCS 电磁干扰三要素：式中，S为电路受干扰的程度；W为骚扰源的强度；C为骚扰源通过某种途径到达被干扰处的耦合因素；I为被干扰电路的抗干扰性能。 2.2 电磁骚扰源电磁骚扰源2.2.1 电磁骚扰的一般分类电磁骚扰的一般分类1) 从来源分：自然骚扰和

5、人为骚扰。 2) 从骚扰属性分 ：功能性骚扰和非功能性骚扰。 3) 从耦合方式分 ：传导骚扰和辐射骚扰 。4) 从频谱宽度分 ：宽带骚扰和窄带骚扰 。5) 从频率范围分 ： 甚低频骚扰(30Hz以下)、 工频与音频骚扰(50Hz及其谐波)、 载频骚扰(10kHz一300kHz)、 射频及视频骚扰(300kHz一300MHz)、 微波骚扰(300MHz一100GHz)。 2.2.2 自然骚扰源自然骚扰源 由于大自然现象所造成的各种骚扰源。包括： (1)雷电 (2)太阳噪声 (3)物质本身固有的噪声 。 可分为3种：热噪声、散粒噪声及接触噪声。2.2.3 人为骚扰源人为骚扰源 常见的产生骚扰的设备

6、有： (1) 无线电通信设备(2) 工业、科学、医疗设备 (3) 电力系统 (4) 点火系统 无论是自然的或人为的电磁骚扰源，按其构成威胁的程度均可分为4类：雷电、强电磁脉冲、静电放电和开关操作，其电压、电流和时域特性见表2-1。(5) 家用电器、电动工具及电气照明 (6) 信息技术设备(7) 静电放电 表2.1电磁干扰电压、电流和时域的特性注：a 是直接造成的最坏瞬变状态，b是间接的瞬变状态。瞬变的来源电压电流上升时间延续时间雷电 a b500kV/m6kV/m200kA3kA1.5s10A10s20s150s1s静电放电 a b40kV15kV80A10A15ns10ns100ns开关动作

7、 a b2500V600V200A500A10s40s10s 2.2.4 时域和频域时域和频域 在时域中，信号表示为其量值随时间变化的函数。它比较符合人们的观察习惯，可用示波器显示信号波形。 在频域中，信号表示为其幅值、相位随频率变化的函数。电磁兼容标准的限值是在频域中规定的，可用频谱分析仪测量信号频谱。 时域信号和频域信号可以相互转换：时域频域：傅里叶变换-j -de )()(ttfAt-jde )(21)(Atft频域时域：傅里叶反变换 周期性的梯形波：频率分量：100)cos(2)(nnntncctxTtnTtnTnTnTAcrrn/)/sin(/)/sin( 信号频谱： 适当延长梯形波

8、的上升时间和下降时间，则该信号的高频谐波分量可大为减小 2.3 电磁骚扰的传播电磁骚扰的传播将传播方式按耦合机理分类： 2.3.1 电流流通路径电流流通路径 什么是电流？电荷的移动形成电流（传导电流IC）；电场的变化也形成电流（位移电流ID）。 如何掌握电流流通路径？任何电流都要返回其源；电流总是沿着最小阻抗路径走。 哪是最小阻抗路径？路径21kHz时：10kHz时：路径1 电流返回路径走哪里？ 2.3.2 传导耦合传导耦合 若两个电路共用一段电路，其中一个电路中有骚扰电流流过时，在该段公共电路（阻抗）上产生的骚扰电压就会影响到另一个电路，产生传导耦合或公共阻抗耦合。 电路1在电路2的负载ZL

9、2上产生干扰电压)(2211212LSLSLCSLZZZZZZUU 公共地阻抗耦合 公共电源阻抗耦合 连接导线的模型 半径为a、长度为l的圆柱导体：直流电阻2alRDC交流电阻22falalRAC 无限大空间中，两根半径a、长l、间距d（ld）的平行圆柱导体构成的连接回路： 回路电感 adlL2harccos0导体间的电容 adlC2harccos0adlLln0adlCln0da时 矩形回路的电感awwahhhwhwwwwhhhwhwhL22lnlnln2222222220 为减小传导耦合的影响，应采取如下措施：尽量减少与骚扰源回路的公共部分；采取滤波措施。 2.3.3 磁场耦合磁场耦合 当

10、骚扰源为低电压、大电流时，它对周围电路的影响，主要表现为磁场耦合干扰。一般的磁场耦合是指骚扰源产生的骚扰磁场与被干扰回路存在磁通交链，从而在被干扰回路中感应电动势。 回路固定不变，磁通密度按正弦规律变化时 SNtuSBdddcosjSBUN 一个长5cm、宽3cm的矩形回路处于f=150kHz、H=2A/m的磁场中，且磁场垂直于回路平面，则回路中的感应电压为3.55mV 被干扰电路中的负载上的干扰电压)/(j22212LSLLZZZIMU 磁场耦合不需要直接的电连接，当骚扰信号的频率高（电流随时间变化快），被干扰电路回路面积大（互感大），被干扰电路的负载阻抗远大于其源阻抗时，磁场耦合严重。 为

11、减小磁场耦合的影响，应采取如下措施：降低骚扰电流的频率；减小回路之间的互感；减小被干扰回路的负载阻抗。 为减小互感，可减小回路面积；增大回路间的距离；避免回路面平行布置；采取屏蔽措施。 2.3.4 电场耦合电场耦合 当骚扰源为高电压、小电流时，它对周围导体、电路的影响，主要表现为电场耦合干扰。 骚扰源通过电容耦合作用于被干扰电路 在导线2上产生的干扰电压为通常情况下 则 12222212222212)()(j1)(jUZZZZCCZZZZCULSLSGLSLSNSGLSGLUCZZCZU1111111j|j|)(12122222GLSLSCCZZZZ2222112jLSLSNZZZZUCU 通

12、过电容耦合产生的干扰电压与骚扰源的频率、骚扰电压、骚扰电路与被干扰电路之间的耦合电容、被干扰电路的源阻抗和负载阻抗的并联值成正比。 为减小电场耦合的影响，应：减小骚扰电压；降低骚扰电压的频率；减小被干扰回路中源阻抗和负载阻抗的并联值；减小电路之间的耦合电容；采取屏蔽措施。 2.3.5 辐射耦合辐射耦合1.电磁辐射的概念 当远离场源时，空间中的电磁场并不取决于同一时刻的场源特性，它类似于水中的波纹，即使当前时刻的场源已经消失，但前一时刻它释放出的电磁能量仍然单独存在于空间电磁场中，并以电磁波的形式按一定的速度在空间传播，这种现象称为电磁辐射。 2.辐射场强sin4jcos2sin423030rl

13、IHrlIErlIEr电偶极子近场：远场：rrerlIHerlIEjj02sin4jsin4j 磁偶极子近场：远场：sin4jcos2sin42033rSIErSIHrSIHrrrerSIEerSIHj03j2sin4jsin4j 实际的辐射体：分解，叠加。niinirirniiHHEEEE111niinirirniiEEHHHH111 电路产生的辐射 U为信号源，R为负载电阻，l和h分别为矩形回路的长和宽，且l、h。 负载电阻很小时LRUrhlEj4|03max负载电阻很大时rhlrZhlE44|2002max 一对平行载流导线产生的辐射电场DMCMDMCMIIIIII212/ )(2/ )

14、(2121IIIIIICMDM 差模电流产生的最大电场rdlfIEDMDM214max|10316. 1|共模电流产生的最大电场rl fIECMCM|10257. 1|6max 为减小共模电流辐射，应减小电流值，缩短导线长度。 为减小差模电流辐射，应当减小电流值，减少回路面积。 3.波阻抗 空间中某点的电场强度与磁场强度的比值称为波阻抗，即 HEZ 在远场区HEZ远在空气中377000ZZ远在近场区对于电偶极子 0002j1ZrZrHEZ近对于磁偶极子 0002jZrZrHEZ近 波阻抗随场点到场源距离的变化 要解决辐射耦合问题，就需要正确识别和处理好无意间形成的与辐射发射和辐射接收有关的发射

15、天线和接收天线。4.辐射耦合方式 辐射耦合是指电磁骚扰在空间中以电磁波的形式传播，耦合至被干扰电路 常见的典型的天线结构双极天线 单极天线 回路天线 缝隙天线 为减小辐射，应当避免形成有效的天线结构，或将天线的两部分短接起来； 对于回路天线，应当减小回路的面积，或使其部分回路的作用相互抵消； 对于缝隙天线，应当减小缝隙的最大尺寸（一般要小于/20），或采用波导结构以减少低于其截止频率的辐射。 空间辐射电磁波对电路的干扰：有的是通过接收天线感应进入接收电路，多数是通过线缆感应，然后沿导线进入接收电路，还有的是通过电路回路感应形成干扰。 2.4 保证电磁兼容性的方法保证电磁兼容性的方法 在产品设计开发的不同阶段，可采取的技术手段及付出的代价是不同的。 设计初期，EMC设计成本很少，可采取的措施很多；越到后期，可采取的手段越少，付出的代价也越高。为此，应当在新产品设计阶段就首先进行电磁兼容设计。 在产品电磁兼容设计时，要注意以下几方面：跟据使用环境获取对系统的电磁兼容性要求；在方案论证初期就提出产品的电磁兼容性指标；把电磁兼容性设计融入产品的功能设计中，而不是采取事后的补救措施；通过试验、测量确认系统已达到电磁兼容性要求；对产品进行跟踪调查，保证其寿命期内的电磁兼容问题。 电磁