【3】电磁环境与传播途径ppt课件

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：瞬态波骚扰和延续波骚扰；普通：自然电磁骚扰源和人为电磁骚扰源。1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，普通将电磁干扰划分为自然电磁干扰和人为电磁干扰两种。非人为要素产生的电磁波，构成了电磁环境的一部分，把这部分电磁波所构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。 2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、热噪声和堆积静电干扰等。宇宙干扰来自太阳系、银河系的电磁骚扰，包

2、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，普通在250MHz的频率范围内干扰明显。受干扰对象主要是卫星通讯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，对无线电通讯的干扰较大。此外，沙暴、雨雾等自然想象也可以产生电磁噪声。热噪声是由于热力形状变化引起导体无规那么的电起伏。堆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。影响通讯和导航。34频谱的运用与管理频谱是一个有限的自然资源。频谱分配必需以频谱利用的有效性和合理性为根底，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

3、容性。频谱管理就是为了实现电磁频谱的有效管理、维护和合理利用等，确保各类无线电业务的有效进展，包括了无线电频谱资源的频率划分、指配和控制。5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那么设立国家级的频谱管理机构，为本国分配和管理电磁频谱。在我国那么由全国无线电管理委员会担任频谱的分配、协调和管理。6频谱管理人类目前利用的电磁频谱大约在0Hz-3000GHz，并向更高的频段开展。运用最多的依然在中频

4、300-3000kHz、高频3-30MHz、甚高频30-300MHz、超高频300-3000MHz、特高频3-30GHz。通讯、电视、广播、导航、雷达、测控均在此频段范围内。7频谱分配8频谱分配9电磁骚扰的耦合途径按耦合机理10 3.1.1 静电 静电的构成 如以下图所示，绕原子A的原子核旋转的电子，在外力的作用下，分开原来的原子A而侵入其他的原子B。A原子因短少电子数而呈带正电景象，称为阳离子，B原子因添加电子数而呈带负电景象，称为阴离子。当外力继续作用时，阳离子和阴离子的分布会变得越来越不均匀，对外将表现为带电景象。11 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

5、到另一个物体)而带正电，另一个得到一些剩余电子的物体那么带负电。假设在分别的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。12 潮湿的空气也是正负电荷中和的途径。人体是良好的静电载体，可以经过摩擦起电充电到几千伏。经过人的活动，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适宜的放电途径，就会产生放电景象。 1314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)，假设空气气隙上的电位梯度足够高，电荷会以火花的方式转移到那个物体上。 以下图给出了人体静电放电的等效电路。15图中：CR人体和大地之间的电

6、容。RR人体的电阻。16LR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人手臂放电途径的电阻。LS人手臂放电途径的电感。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。17 人体静电放电的过程受很多要素影响，详细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以下图所示。 18 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)=200ps100ns Ts(尖峰宽度)=0.5ns10s

7、Tt(继续长度)=100ns2ms 静电放电过程的不同不仅表如今电流波形在时间特性上差别很大，而且幅度也会在1A200A范围内变化。 19 正是由于不同条件下静电放电的特性差别很大，所以电子设备对静电放电的呼应很难预测。所幸的是，我们可以用统计的方法来处置这个问题。一定要记住的一个现实是，静电放电时产生的能量很大，频率很高(有时高达5GHz)。 20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间隔。人体上的最高电压应该是20kV左右。假设一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压超越元件介质的击穿强度，就会对元件呵斥损坏，这是MOS器件出现缺点最主要的缘由。另一

8、种缺点是由于节点的温度超越半导体硅的熔点(1415)时所引起的。静电放电脉冲的能量可以产生部分发热，使半导体部分熔断损坏。 21 器件遭到静电放电的影响后，也能够不立刻出现功能性的损坏。这些遭到潜在损坏的元件通常被称为“跛脚，一旦加以运用，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，正是基于这一要素，能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目的。 22设备漏电，尤其是不会对人呵斥触电损伤的微弱漏电虽然不属于静电放电景象，但其性能却与静电放电类似。所以普通将设备漏电也

9、纳入静电防护体系中来思索。静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件呵斥损害的主要机理有：热二次击穿、金属镀层熔融、介质击穿、气弧放电、外表击穿和体击穿等。23 3.1.2 雷电雷电的构成 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，普通专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。积雨云构成过程中，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。 24 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

10、，温度高达600020000，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，这种剧烈的冲击波活动构成了雷声。25雷击通常有3种方式：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景象。感应雷是当直击雷发生以后，云层带电迅速消逝，地面某些范围由于散流电阻大，出现部分高电压，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景象的二次雷。球形雷比较多见于山区，其登堂入室的报道常见于报端。 2627雷电的破坏作用 雷电以其宏大的破坏力给人类社会带来了繁重的灾难。雷电具有以下几

11、个特点：冲击电流非常大，其电流高达几万至几十万安培。继续时间短，普通雷击分为3个阶段，即先导放电、主放电和余光放电，整个过程普通不会超越60s。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。 28在雷暴活动区域内，雷云直接经过人体、建筑物或设备等对地放电所产生的电击景象，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，这种电流能够向周围物体放电，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剧烈的破坏性。29

12、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逝了(严厉说是大大减弱)，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。 30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，建筑物上落雷时机反倒添加，内部设备遭感应雷危害的时机和程度普通来说是添加了)，对用电设备呵

13、斥极大危害。 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讯线路中感应的电漂泊涌引起的。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引见如下： 31 (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缺点、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。当间隔几百公里的远方发生了雷击时，雷击浪涌经过电网光速传输，经过变电站等衰减，到他的电脑时能够依然有上千伏，这个高压继续很短，只需几十到几百个微秒，或者缺乏以烧毁电脑，但是对于电脑内部的半导体元件却有很大的损害。 3233 (2)信号系统浪涌 信号系统

14、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(如线)遭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情况。 34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安装。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。 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： (2)低压电源避雷器 信息产业部的分析统计阐明：通讯站80%的雷击事故是由雷电波侵入电源线呵斥的。因此，低压交流避雷器开展非常迅速，而以MOV资料为

15、主的避雷器在市场上占有统治位置。 36 (3)通讯线路避雷器 通讯线路避雷器的技术要求较高，由于除了满足防雷技术要求外，还须保证传输目的要求。加上与通讯线路相连的设备耐压很低，对防雷器件的残压要求严厉，因此在选择防雷器件时较困难 。 (4)接地安装 接地是防雷的根底，规范规定的接地方法是采用金属型材铺设程度或垂直地极，在腐蚀剧烈的地域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根底钢筋做地极，有事半功倍之效。 37接地网38 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、大地外表磁场、大地

16、磁层、大地外表的电场、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，是决议接纳机噪声系数的重要要素。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。 39在地球外表存在着地磁场，它是一种自然场。只需拿一枚小小的磁针就能察看到它的存在。根据观测知，地磁场的场强分布根本上是轴对称的，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。由此人们可以想象地球和这个电离层组成一个宏大的球形电容器。 大气中的

17、电荷在电场作用下沿电场方向挪动，构成一个恒定的电流流入大地，从而把正电荷保送到大地上。对整个地球来说可产生1.5kA数量级的电流，因此地球很像一个宏大的发电机。 40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，在太阳黑子猛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150MHz200MHz频段内。因此宇宙噪声在20MHz500MHz频率范围内影响相当明显。 由太阳飞出的带电粒子的辐射，不论是对地球上受太阳光照亮的半球，还是对黑暗的半球，即不论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

18、的改动就是地球上的磁暴。 413.2 人工电磁干扰3.2.1 辐射干扰源辐射干扰是指以电磁波方式传播的干扰。这类干扰的能量是由干扰源辐射出来，经过介质(包括自在空间)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。42 电磁辐射场区普通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，我们应该格外留意对电磁辐射近区场的防护。常见的信息辐射干扰源有发

19、送设备、本地振荡器、非线性器件和核爆脉冲等。43发送设备：发送设备经过发送天线辐射出去，有时经过编织屏蔽层和通风管道辐射出去，经过衔接电缆向外辐射。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，指的是电路中器件任务在非线性形状时所产生的干扰。44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，使带电粒子剧烈运动，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

20、感负载时，这种景象更为明显。4546 3.2.2 传导干扰源 传导干扰指经过导体传播的干扰。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经过导体和空间混合传输。在某些场所，干扰信号先以传导的方式，经过导体将能量转移到新的空间，再向空中辐射。而在另一些场所，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。 47 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

21、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缘由。 48表3.8是常见的电磁噪声传导干扰源及产生这种干扰的缘由。 下表是常见的电磁噪声传导干扰源及产生这种干扰的缘由。 4950 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。丈量阐明，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，这是由于当频率升高时，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。51目前，对电子设备影响最大的传导干扰要数经过供电线路传导的干扰。这些干扰源经过电网可以将干扰信号传播到非常广

22、的范围。 52 3.3 电磁干扰三要素 实际和实验的研讨阐明，不论复杂系统还是简单安装，任何一个电磁干扰的发生必需具备3个根本条件：首先应该具有干扰源；其次有传播干扰能量的途径(或通道)；第三还必需有敏感器件。在电磁兼容性实际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表示图。 53 关于电磁干扰的传播途径普通分成两种方式，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。543.3.1 敏感设备的敏感

23、度度量 由于敏感设备是以不同电路原理、不同构造和不同元器件构成的详细用电设备，它们受同一电磁干扰作用的呼应程度差别很大，通常用敏感度来描画敏感设备对电磁干扰呼应的程度。敏感度越高，表示对干扰作用呼应的能够性越大，也可以说阐明该设备抗电磁干扰的才干越差。不同敏感设备的敏感度值需求根据详细情况加以分析和实践测定。55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： 56 其中，GdBV是用分贝表示的设备灵敏度，普通灵

24、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。57 普通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，阐明数字电路有较强的抗干扰才干。 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80dB230dB之间为多数。 58 普通将80dB230dB的敏感度分成7类，小于80dB为极不敏感类，80dB110dB为较不敏感类，110dB140dB为稍敏感类

25、，140dBl70dB为中等敏感类，170dB200dB为敏感类，200dB230dB为非常敏感类，大于230dB为极敏感类。59 3.3.2 传播干扰能量的途径 在实践中，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。干扰源就是经过这些能量耦合方式将干扰施加于敏感设备。60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呵斥对电路的干扰。这些导线可以是设备之间的信号连线、电路之间的衔接导线(如地线和电源线)以及供电电源与负载之间的供电线等。这些导线在传送有用信号能量的同时，也将干扰信号

26、传送给对方。 以下图为直接耦合的表示图。 61 其中：Rs为干扰源的内阻； Us为干扰源信号的干扰电压； Rz为衔接导线的等效电阻，该电阻随着干 扰信号的频谱的改动而改动； 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动而改动。62 Rz和RL随着干扰信号的频谱的改动而改动的主要缘由是：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。 63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，有些电信号便经过这个降低了的绝缘电阻耦合到逻辑元件的输入端而构成干扰。 漏电耦合传导干扰能量的情形与直接

27、耦合方式的根本一样。两者不同之处是：直接耦合方式是由导线传送能量，在传送干扰信号的能量的同时，还传送有用信号的能量；而漏电耦合方式是由漏电阻传送能量，并不传送有用信号，其危害性比直接耦合方式更具隐蔽性。64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践器件的详细情况而定。只需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，构成公共阻抗耦合。 公共耦合普通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，如以下图所示。常见的公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗两种。以下图是公共地线的连线的内阻而产生的耦合。65 为了防止公共阻抗耦合，应使耦合阻抗趋近于零，经过耦合阻抗上的干扰电流和产生的干扰电压将消逝。此时，有效回路与干扰回路即使存在电气衔接