辐射骚扰检测

1、Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用1电磁兼容技术与应用朱朱 斌斌E-mail: 电子信息工程学院电子信息工程学院2014-2015 秋秋Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用2项目项目3 辐射骚扰检测辐射骚扰检测 目标：目标： 掌握电磁兼容辐射骚扰检测技术的基本内容和概念；掌握电磁兼容辐射骚扰检测技术的基本内容和概念； 了解相关的国际标准、国家标准及其要求；了解相关的国际标准、国家标准及其要求； 掌握辐射骚扰干扰测试的方法和原理；掌握辐射骚扰干扰测试的方法和原理； 熟悉针对具体样

2、品进行辐射骚扰检测的步骤与判定方熟悉针对具体样品进行辐射骚扰检测的步骤与判定方 法。法。Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用3重点：重点： 电磁兼容辐射骚扰检测技术的基本内容和概念电磁兼容辐射骚扰检测技术的基本内容和概念; 辐射骚扰干扰测试的方法和原理；辐射骚扰干扰测试的方法和原理； 辐射骚扰检测的步骤与判定方法。辐射骚扰检测的步骤与判定方法。 难点：难点： 辐射骚扰干扰测试的基本内容和概念。辐射骚扰干扰测试的基本内容和概念。项目项目3 辐射骚扰检测辐射骚扰检测 Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电

3、磁兼容检测技术与应用4 一般来讲，辐射骚扰波及的范围广，传播的一般来讲，辐射骚扰波及的范围广，传播的 距离远。距离远。 虽然辐射骚扰能量较小，但是往往对敏感度高虽然辐射骚扰能量较小，但是往往对敏感度高 的二次设备产生不可忽视的骚扰，的二次设备产生不可忽视的骚扰， 辐射都和传导、耦合相伴而生，加强骚扰作用。辐射都和传导、耦合相伴而生，加强骚扰作用。Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用52.1 辐射骚扰的基础内容辐射骚扰的基础内容辐射骚扰的传播辐射骚扰的传播A、辐射骚扰的发射、辐射骚扰的发射 天线辐射：广播、电视、通信、雷达，用天线辐射。天

4、线辐射：广播、电视、通信、雷达，用天线辐射。 等效天线辐射：导线、传输电缆中通过高频电流，等效天线辐射：导线、传输电缆中通过高频电流， 就有天线辐射效应。就有天线辐射效应。 设备的电磁泄漏：例如设备的电磁泄漏：例如ISMISM设备机壳的缝隙、孔径。设备机壳的缝隙、孔径。 放电辐射：电晕放电、火花放电、弧光放电、辉光放电辐射：电晕放电、火花放电、弧光放电、辉光 放电、静电放电。放电、静电放电。Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用62.1 辐射骚扰的基础内容辐射骚扰的基础内容B、辐射骚扰的接收、辐射骚扰的接收 天线接收。天线接收。 等效天线

5、接收：各种导线、电缆、机壳都等效天线接收：各种导线、电缆、机壳都 有天线效应，可以接受辐射骚扰信号。有天线效应，可以接受辐射骚扰信号。 接收能力与骚扰信号的特性有关：接收能力与骚扰信号的特性有关：水平放置的天线，可以接收水平极化波骚扰信号水平放置的天线，可以接收水平极化波骚扰信号;垂直放置的天线，可以接收垂直极化波骚扰信号。垂直放置的天线，可以接收垂直极化波骚扰信号。Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用72.1 辐射骚扰的基础内容辐射骚扰的基础内容C、近区场的耦合（、近区场的耦合（r 2) 辐射源的近区是感应场，骚扰信号的传播没辐射源的

6、近区是感应场，骚扰信号的传播没有滞后效应有滞后效应, 近区骚扰场在被骚扰设备的等效天近区骚扰场在被骚扰设备的等效天线（导线、电缆、机壳）上产生感应电动势。线（导线、电缆、机壳）上产生感应电动势。D、远区辐射场的传播、远区辐射场的传播 辐射源的远区是辐射场，骚扰信号以电磁波辐射源的远区是辐射场，骚扰信号以电磁波的形式传播，传播的途径有：地面波传播、天波的形式传播，传播的途径有：地面波传播、天波传播、视距传播、反射传播和绕射传播等。传播、视距传播、反射传播和绕射传播等。Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用82.1 辐射骚扰的基础内容辐射骚扰

7、的基础内容1 1、辐射骚扰的物理模型、辐射骚扰的物理模型干扰源：向自由空间传播电磁波，其电场强度干扰源：向自由空间传播电磁波，其电场强度 为为E E （小电流，高电压）（小电流，高电压） ，磁场强度，磁场强度 为为H H（大电流，低电压）。（大电流，低电压）。干扰对象：两根导线似天线，接收电场和磁场。干扰对象：两根导线似天线，接收电场和磁场。 Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用92 2、高阻抗场与低阻抗场、高阻抗场与低阻抗场远远 场场 区：波阻抗。区：波阻抗。干扰对象：两根导线似天线，接收电场和磁场。干扰对象：两根导线似天线，接收电场

8、和磁场。 导线的连接形式多样。导线的连接形式多样。 2.1 辐射骚扰的基础内容辐射骚扰的基础内容120Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用103 3、减小辐射干扰的措施、减小辐射干扰的措施（1 1）辐射屏蔽；）辐射屏蔽； （2 2）极化隔离）极化隔离极化正交；极化正交；（3 3）距离隔离）距离隔离近场区，场强与距离是反比近场区，场强与距离是反比 关系；关系；（4 4）涂吸收涂层。）涂吸收涂层。2.1 辐射骚扰的基础内容辐射骚扰的基础内容Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用112.

9、1 辐射骚扰的基础内容辐射骚扰的基础内容4 4、高频辐射骚扰类型、高频辐射骚扰类型（1 1）单元偶极子产生的电磁场辐射）单元偶极子产生的电磁场辐射 为了阐明电磁辐射的基本规律，首先研究单元偶极子为了阐明电磁辐射的基本规律，首先研究单元偶极子产生的电磁场。产生的电磁场。 所谓单元偶极子是指一段载交流导线。尺寸远小于它所谓单元偶极子是指一段载交流导线。尺寸远小于它产生的电磁波的波长。产生的电磁波的波长。 Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用12图图5-1 单元偶极子的电场和磁场相量图单元偶极子的电场和磁场相量图Yangtze Normal

10、University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用13如果把单元偶极子的中心作为直角坐标系的原如果把单元偶极子的中心作为直角坐标系的原点，且点，且 沿沿Z轴方向放置，如图轴方向放置，如图5-1所示。当偶所示。当偶极子上流过极子上流过I 时，在距离为时，在距离为r处的电磁场强度相处的电磁场强度相量按以下公式计算量按以下公式计算: sin)11(4rKjerKjrlIKjHsin)(111420rKjerKrKjZrlIKjEYangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用14产生的是由Hcos)11(220rKjrerKjrZlIE上电

11、荷直接产生的是由lErEYangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用152)1(1sin4|rKrlIKH420)1()1(1sin4|rKrKZrlIKE202)1(1cos2|rKZrlIErYangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用16单元偶极子向外辐射的总功率为单元偶极子向外辐射的总功率为: 电磁波在传播过程中会受到大地的影响。在地电磁波在传播过程中会受到大地的影响。在地面的电场强度可按下公式计算面的电场强度可按下公式计算: 式中式中 是大地导电率。是大地导电率。 20)(3lIZPm

12、r)mV/m(60EEeYangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用17结论结论: 1.2.衰减很快。和增加，所以随成反比与和成反比；与很小），近区场（EHrrEErHrr;32起作用和区场中主要是衰减变慢，远和增加，所以随成反比与成反比；与和很大），远区场（EHEHrrErEHrr;2Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用18结论结论: 3. 辐射总功率辐射总功率 与与 成反比，与成反比，与 成正比，成正比，所以只有高频才能辐射出足够大的能量，这就所以只有高频才能辐射出足够大的能量，这就

13、是为什么骚扰源中只有高频分量才会考虑辐射是为什么骚扰源中只有高频分量才会考虑辐射骚扰的原因。骚扰的原因。 4. 地面场强地面场强 在很大程度上决定于大地的导电在很大程度上决定于大地的导电率率 。随。随 增加，增加， 减小。所以，电缆靠近减小。所以，电缆靠近地面受骚扰小。地面受骚扰小。 rP22feEeEYangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用194 4、高频辐射骚扰类型、高频辐射骚扰类型（2 2）直流换流站产生的辐射骚扰）直流换流站产生的辐射骚扰直流换流站中的换流阀起着交流和直流相互转换的直流换流站中的换流阀起着交流和直流相互转换的作用。作

14、用。在可控硅整流器导通瞬间，由于电流和电压的突变在可控硅整流器导通瞬间，由于电流和电压的突变, ,在回路中产生高频振荡，以电磁波的形式向外辐射在回路中产生高频振荡，以电磁波的形式向外辐射能量；能量；这种现象不仅骚扰无线电接收设备，而且骚扰换流这种现象不仅骚扰无线电接收设备，而且骚扰换流站内的敏感设备，如载波通信系统、计算机系统等站内的敏感设备，如载波通信系统、计算机系统等, ,是直流高压系统中的重要骚扰源。是直流高压系统中的重要骚扰源。 Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用20现场实测表明，换流站产生的辐射骚扰具有很宽的频率现场实测表明

15、，换流站产生的辐射骚扰具有很宽的频率范围。其值可从几十千赫直到上百兆赫。范围。其值可从几十千赫直到上百兆赫。 为了减少对外界的骚扰，通常换流站的阀厅都设有十分为了减少对外界的骚扰，通常换流站的阀厅都设有十分良好的电磁屏蔽。良好的电磁屏蔽。但是，高频电流可以经过穿墙套管传到户外母线，然后但是，高频电流可以经过穿墙套管传到户外母线，然后进入电气设备以及输电线路，并通过它们向周围空间辐进入电气设备以及输电线路，并通过它们向周围空间辐射电磁波。射电磁波。 电磁波沿输电线路传播时衰减较小，可以传播相当远的电磁波沿输电线路传播时衰减较小，可以传播相当远的距离。距离。根据现场实测，在距离换流站根据现场实测，

16、在距离换流站20多公里的直流输电线路多公里的直流输电线路下面下面100kHz的骚扰场强约为的骚扰场强约为80dB。 Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用214 4、高频辐射骚扰类型、高频辐射骚扰类型（3 3）变电所开关操作产生的辐射骚扰）变电所开关操作产生的辐射骚扰 变电所隔离开关切合空载母线会产生高频振荡。变电所隔离开关切合空载母线会产生高频振荡。这种高频振荡除了通过传导、耦合方式直接骚扰二次这种高频振荡除了通过传导、耦合方式直接骚扰二次系统以外，当频率足够高时还会发射电磁波，形成辐系统以外，当频率足够高时还会发射电磁波，形成辐射骚扰

17、。射骚扰。在在345kV及及500kV变电所大量的实测结果表明，辐射骚变电所大量的实测结果表明，辐射骚扰的频率在扰的频率在0.5100MHz的范围内。的范围内。Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用22在频率为在频率为20MHz附近的辐射电磁场强度最大。附近的辐射电磁场强度最大。辐射电场强度的幅值为辐射电场强度的幅值为15kV/m；磁场强度的幅值为磁场强度的幅值为15A/m。脉冲持续时间由几纳秒至脉冲持续时间由几纳秒至1毫秒；上升前沿为几纳秒至毫秒；上升前沿为几纳秒至1微秒。微秒。Yangtze Normal University电磁兼容

18、检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用234 4、高频辐射骚扰类型、高频辐射骚扰类型（4 4）核电磁脉冲的辐射骚扰）核电磁脉冲的辐射骚扰核爆炸产生的巨大破坏力是人所共知的。核爆炸产生的巨大破坏力是人所共知的。 当地面或低空核爆炸时，强大的冲击波当地面或低空核爆炸时，强大的冲击波(气流气流)和热效应和热效应的破坏作用居主导地位；的破坏作用居主导地位； 在电离层以外在电离层以外(数百公里数百公里)高空核爆炸所产生的电磁脉冲高空核爆炸所产生的电磁脉冲对电力系统则是很大的威胁。对电力系统则是很大的威胁。 Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用24核

19、电磁脉冲核电磁脉冲(又称又称NEMP，即即Nuclear Electromagnetic Pulse)的产生是一个复杂的物理过程；目前有各种不同的产生是一个复杂的物理过程；目前有各种不同的解释。的解释。有一种说法认为有一种说法认为:当核爆炸发生在距地面数百公里以外当核爆炸发生在距地面数百公里以外的高空时，射线穿过稀薄的大气层，和空气中的分子的高空时，射线穿过稀薄的大气层，和空气中的分子相碰撞，由于康普顿效应的结果产生自由电子。自由相碰撞，由于康普顿效应的结果产生自由电子。自由电子在地磁场的作用下作螺旋加速运动，从而产生辐电子在地磁场的作用下作螺旋加速运动，从而产生辐射电磁场。射电磁场。其电场强

20、度以极快的速度上升，上升前沿达到其电场强度以极快的速度上升，上升前沿达到20ns。衰减时间约衰减时间约1s左右。左右。Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用25NEMP在地面上的电场强度约为地面核爆炸区内场强在地面上的电场强度约为地面核爆炸区内场强的的l/l001/10。其波形可以用双指数函数表示为其波形可以用双指数函数表示为: 式中式中 E05.2104 V/m; T16.710-7 S； T23.810-9 S。 图图1为为NEMP电场强度的典型波形。电场强度的典型波形。 )()(21/0TtTteeEtEYangtze Normal

21、 University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用26图图1 NEMP电场强度的典型波形电场强度的典型波形Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用27NEMP的波及范围很广的波及范围很广,在地面上的影响范围决定于爆炸在地面上的影响范围决定于爆炸点的高度，最大可达几百万平方公里。点的高度，最大可达几百万平方公里。 NEMP以波的形式向地面辐射。所有裸露在地面上的金以波的形式向地面辐射。所有裸露在地面上的金属导体都将受到感应。架空线路和变电所受到直接影响。属导体都将受到感应。架空线路和变电所受到直接影响。由于地面场强高达每米几十

22、千伏，所以，在架空线路及由于地面场强高达每米几十千伏，所以，在架空线路及其它接收天线上可以产生很高的感应电势。其它接收天线上可以产生很高的感应电势。它不仅能够击穿变电所中一次设备的绝缘，而且对二次它不仅能够击穿变电所中一次设备的绝缘，而且对二次系统的敏感元件形成极强的电磁骚扰，甚至将其打坏。系统的敏感元件形成极强的电磁骚扰，甚至将其打坏。 Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用284 4、高频辐射骚扰类型、高频辐射骚扰类型（5 5）雷击避雷针）雷击避雷针( (线线) )时产生的辐射骚扰时产生的辐射骚扰 在我国一般地区，年平均雷暴日为在我国

23、一般地区，年平均雷暴日为40个。雷电流为一个。雷电流为一非周期性冲击波，其幅值与气象、自然条件有关。在非周期性冲击波，其幅值与气象、自然条件有关。在我国实测到的雷电流幅值最大可达我国实测到的雷电流幅值最大可达200kA以上，大多以上，大多低于低于100kA。雷电流的波头和波尾时间皆为随机变量。根据实测结雷电流的波头和波尾时间皆为随机变量。根据实测结果，波头大约在果，波头大约在14s左右，波长约在左右，波长约在40s左右。左右。Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用29雷击变电站避雷针（线）时，除产生传导骚扰外，还产雷击变电站避雷针（线）时

24、，除产生传导骚扰外，还产生严重的辐射骚扰。生严重的辐射骚扰。闪电放电时，其电流是随时间而非均匀变化的。一次闪闪电放电时，其电流是随时间而非均匀变化的。一次闪电往往由几个短脉冲放电组成。脉冲电流陡度很大电往往由几个短脉冲放电组成。脉冲电流陡度很大,向外向外辐射电磁波辐射电磁波.闪电的电磁脉冲辐射通过空间以电磁波的形式耦合到对闪电的电磁脉冲辐射通过空间以电磁波的形式耦合到对瞬态电磁脉冲极其敏感的现代电子设备，在一定范围内瞬态电磁脉冲极其敏感的现代电子设备，在一定范围内造成微电子设备的损坏、甚至引起火灾。造成微电子设备的损坏、甚至引起火灾。 Yangtze Normal University电磁兼容

25、检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用30闪电产生的瞬态脉冲电磁场会在空间一定范围内产生闪电产生的瞬态脉冲电磁场会在空间一定范围内产生电磁作用。它是在三维空间范围内对一切电子设备发电磁作用。它是在三维空间范围内对一切电子设备发生作用生作用.在闪电通过的避雷针附近，这种空间的瞬变脉冲电磁在闪电通过的避雷针附近，这种空间的瞬变脉冲电磁场的作用更加强烈些。场的作用更加强烈些。当闪电发出的脉冲磁场超过当闪电发出的脉冲磁场超过2.410-4T时，集成电路将时，集成电路将发生永久性损坏，对于超大规模集成电路就更不用说发生永久性损坏，对于超大规模集成电路就更不用说了。了。 Yangtze Normal Uni

26、versity电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用31项目项目2.2 仪器配置仪器配置 1 1、辐射发射测试的目的、辐射发射测试的目的EMC设计及设计及EMC问题的分析是建立在问题的分析是建立在EMC测试的基测试的基础上的。础上的。测试电子、电气和机电设备及其部件的辐射发射，测试电子、电气和机电设备及其部件的辐射发射，包括来自所有组件、电缆及连接线上的辐射发射，包括来自所有组件、电缆及连接线上的辐射发射，可以用来鉴定其辐射是否符合标准的要求，是否在可以用来鉴定其辐射是否符合标准的要求，是否在正常使用过程中影响同一环境中的其他设备。正常使用过程中影响同一环境中的其他设备。Yangtze

27、Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用322 2、常用的辐射发射测试设备、常用的辐射发射测试设备项目项目2.2 仪器配置仪器配置 依据：依据：CISPR16（国际无线电干扰特别委员会国际无线电干扰特别委员会）及）及EN55022（欧盟（欧盟（European Union，EU）。）。需要的主要设备如下：需要的主要设备如下： (1) EMI自动测试控制系统自动测试控制系统(电脑及其界面单元电脑及其界面单元)； (2) EMI测试接收机；测试接收机； (3) 各式天线；各式天线； (4) 半电波暗室或开阔场。半电波暗室或开阔场。Yangtze Normal

28、University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用33天天 线线天线：把高频电磁能量通过各种形状的金属导体天线：把高频电磁能量通过各种形状的金属导体向空间辐射出去的装置。向空间辐射出去的装置。反之，天线的逆向功能亦可把空间的电磁能量转反之，天线的逆向功能亦可把空间的电磁能量转化为高频能量收集起来。化为高频能量收集起来。天线是辐射骚扰场强和辐射抗扰度测试的主要辅天线是辐射骚扰场强和辐射抗扰度测试的主要辅助设备。助设备。在辐射测量过程中，我们利用天线将电磁场强转在辐射测量过程中，我们利用天线将电磁场强转换为电压进行测量。换为电压进行测量。Yangtze Normal Universi

29、ty电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用34在抗扰度测量过程中，我们利用天线发射电磁能在抗扰度测量过程中，我们利用天线发射电磁能量，产生电磁场。量，产生电磁场。天线的输入阻抗天线的输入阻抗ZA： 天线在馈电点的电压天线在馈电点的电压U（V）与电流）与电流I（A）之比）之比值值 ZAU / I（）天线系数天线系数AF： 接收点的场强接收点的场强E（V/m）与此场强在该天线输出端）与此场强在该天线输出端生成的电压生成的电压V（V）之比，）之比，AFE / V天天 线线Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用35电压驻波比电压驻波比VSW

30、R：根据传输线理论，当传输线阻抗与负载阻抗不匹根据传输线理论，当传输线阻抗与负载阻抗不匹配情况下，必然引起输入波的反射配情况下，必然引起输入波的反射驻波比是表征匹配程度的系数：驻波比是表征匹配程度的系数： VSWR（1+）/（1-）式中：式中：为反射系数，即反射电压与入射电压之比。为反射系数，即反射电压与入射电压之比。匹配时，匹配时，0，则，则VSWR1；失配时，失配时，0，则，则VSWR1。失配愈严重则驻波比（失配愈严重则驻波比（VSWR）愈大。）愈大。 下面图示几种常用的天线及其天线系数下面图示几种常用的天线及其天线系数 Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与

31、应用电磁兼容检测技术与应用36环型磁场天线（环型磁场天线（9kHz30MHz）及其天线系数）及其天线系数鞭状天线（鞭状天线（150kHz30MHz）及其天线系数）及其天线系数Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用37双锥天线（双锥天线（25MHz300MHz）及其天线系数）及其天线系数对数周期天线（对数周期天线（200MHz1000MHz）及其天线系数）及其天线系数Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用38喇叭天线（喇叭天线（1GHz40GHz）及其天线系数）及其天线系数Yangtze Normal University电磁兼容检测技术与应用电磁兼容检测技术与应用39GB9254-2008 辐射骚扰测量辐射骚扰测量频率范围频率范围MHzA级级ITE（距离（距离10m）B级级ITE