电磁兼容技术简介

电磁兼容技术简介

高能物理所加速器中心徐中雄2002-10目录电磁兼容基本概念电磁兼容测量电磁兼容技术接地与搭接技术屏蔽技术滤波技术

第一节

电磁兼容的基本概念学科和研究范畴电磁兼容学科定义

电磁兼容（ElectromagneticCompatibility）是研究在有限的空间、时间和频谱资源条件下，各种电气设备可以共同工作，并不发生降级的科学。

——一门新兴的综合性学科研究对象范畴

设备内电路模块之间的电磁相容性设备之间的电磁相容性系统之间的电磁相容性电磁兼容设计的目标

设备内部的电路模块互不产生电磁干扰，达到预期功能。设备产生的电磁干扰度低于特定极限值。设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗力。电磁兼容三要素

—干扰源、耦合途径、敏感设备解决EMC问题要从三要素入手，消除三个因素中的一个。干扰源敏感设备耦合途径—辐射耦合途径—传导电磁兼容的工程方法系统设计法+测试修改法电磁兼容问题应在产品开发早期着手，这样成本低，难度小。概念设计研制产品投用阶段成本与措施成本措施软件滤波屏蔽结构电路电磁兼容工作程序确定EMC设计要求分析系统内部和系统间电磁干扰提出EMC总方案设计图纸审核产品EMC测试、评估EMC诊断解决问题修改EMC设计电磁兼容标准基础和通用标准：EMC描述和定义，性能等级判据，测试方法、设备。产品类和专用产品标准：据基础与通用标准，针对产品制订的具体标准。典型EMC标准美国标准FCC国际无线电干扰特别委员会标准CISPR国际电工委员会标准IEC欧洲标准EN（CE标记表示通过EN标准认定。）中国民用标准GB9254（信息产品）、GB4343（家电）等大多引用CISPR和IEC标准。中国军用标准GJB151A引用美国军标MIL-STD-461D。

电磁兼容标准内容EMC标准发射限值EmissionLimit敏感度Susceptibility传导辐射传导辐射电场磁场电场磁场静电场天线控制线电源线电源线天线FCC、CISPR传导发射限制fMHzdBµV405060700.451.6530CISPRCISPRFCCFCCCLASSA工业环境CLASSB居民商业环境FCC、CISPR辐射极限值fMHzdBµV/m253040503090250CISPRCISPRFCCFCCCLASSA工业环境CLASSB居民商业环境3545测量距离10m电磁兼容术语定义电磁发射(EM.Emission)EME从源向外发出电磁能的现象电磁骚扰(EM.Disturbance)EMD可能引起设备降级或对环境、生命产生损害的电磁现象电磁干扰(EM.Interference)EMI由电磁骚扰引起设备或系统性能下降发射极限值(EmissionLimit)规定的电磁骚扰源最大发射电平发射电平(EmissionLevel)用规定方法测得的特定装置EMD电平发射裕量(EmissionMargin)系统电磁兼容电平与发射极限之差电磁敏感度(EM.Susceptibility)抗扰度电平(ImmunityLevel)设备、系统能保持工作性能等级条件下所能承受的最大骚扰电平抗扰度极限值(ImmunityLimit)规定最小的抗扰度电平抗扰度裕量(ImmunityMargin)设备、系统抗扰度极限值与电磁兼容电平之间差值。电磁兼容裕量(CompatibilityMargin)设备、系统的抗扰度极限值与骚扰源的发射极限值之间的差值。电磁兼容各类电平的关系电平频率抗扰度电平抗扰度极限值电磁兼容电平发射极限值发射电平抗扰度设计裕量抗扰度裕量发射裕量发射设计裕量电磁兼容裕量特种电磁兼容问题电磁信息发射干扰其他电子设备被别有用心的人接受，获取信息（TEMPEST)第二节

电磁兼容测试EMC测试分类EMC全兼容测试——用于设备产品EMC等级认证。测试环境和手段要求严格，价格昂贵。

测量场地要求：屏蔽半无反射室，内部除地面外，五面贴有吸波材料的屏蔽室。或无反射、空间EMI少开阔地。EMC预兼容测试(PrecomplianceMeasurement)——用于设备研制设计过程中EMC性能评估和分析诊断。可在常规环境进行，测试成本低。

预兼容测试是在EMC设计基础上，对样机进行测试修改的不可缺少的步骤和手段。

电磁全兼容测试测试内容主要测试仪器骚扰源辐射发射测试接收天线，EMI分析仪骚扰源传导发射测试人工网络，EMI分析仪连续与间断骚扰电压、电流功率，谐波电流，电压波动设备抗扰度测试辐射电磁场抗扰度试验高频信号源，发射天线射频感应传导骚扰抗扰度试验信号源，电磁波室，终端阻抗静电放电抗扰度试验静电发生器，放电控制设备快脉冲群抗扰度试验快脉冲源浪涌抗扰度试验信号源，耦合器电磁兼容测量单位—分贝（dB)功功率增益[dB]=10*log(P2/P1)电电压增益[dB]=20*log(V2/V1)电电流增益[dB]=20*log(I2/I1)

由于在EMC测试中干扰幅度很宽，使用分贝单位描述增益比较方便。

电磁预兼容测试内容和仪器

设备电磁场辐射发射测试接收天线同轴电缆EMI分析仪测试系统软件被测设备屏蔽隔离电磁预兼容测试内容和仪器设备传导发射（骚扰电压、电流、功率，谐波）测试EMI分析仪测试系统软件限幅器阻抗匹配网络LISN被测设备电源插头电磁预兼容测试内容和仪器设备EMC问题诊断：部件检测—EMI分析—修改EMI分析仪近场探头被测部件测试系统软件限幅器基本结构EMC分析多在频域内进行，并且不考虑相位。国家规定分析仪标准测试频段：

A段—9~150kHzB段—0.15~30MHzC段—30~300MHzD段—300~1000MHzEMI分析仪天线高频衰减器前置放大器场包络整流器频谱分析输出显示控制系统与软件接收天线作用：把骚扰电磁场强转换为电压值，供EMI分析仪分析。骚扰场强[dBµV/m]=表读数[dBµV]+天线系数[dB]+电缆损耗[dB]天线系数A定义：电场测量A[1/m]=E[V/m]/U[V]

磁场测量

A[S/m]=H[A/m]/U[V]标准天线类型天线转换系数是频率的函数，有一定的工作带宽。有源E场棒状天线30Hz~50MHz

双锥天线30MHz~300MHz有源H场环型天线10kHz~30MHz对数周期天线200MHz~1GHz天线阻抗匹配和电缆选择——保持正确的转换系数天线位置和角度的选择——确定最大电磁泄漏方位。第三节

电磁兼容技术接地与搭接技术接地的种类和目的安全接地—保护人员和设备的安全，要直接接大地。

设备机壳接大地，防止静电积累，设备漏电时使机壳保持地电位。防雷接地—保护人员和设备的安全，要直接接大地。AC电源地—三相电中线、单相电零线，直接接大地。工作接地—为电路正常工作提供的一个零基准电位。该基准可以接大地，也可以是电路的某一点、某一段。屏蔽接地—屏蔽要于接地配合使用，才能起到屏蔽的效果。AC电源接地保护LNPENCBAPE工作接地根据EMC要求和电路性质，工作地分为不同种类：信号地—信号电流流回信号源的低阻抗回路。信号和噪音电流将在有限阻抗产生电压降，形成干扰。模拟量地—模拟电路零电位的公共基准。注意区别和选择不同的接地点：高频地、低频地、弱信号地、功率信号地。数字地—数字电路的零电位公共基准。地线设计要考虑到数字地线上存在高频电流成分影响。DC电源地—电源零电位公共基准。注意电源上不同用电单元的性质，正确安排接地位置。功率地—功率负载或功率驱动电路的零电位公共基准。注意与弱电路地隔离。在EMC领域不能忽视接地导线的交流电阻和电感导线直流电阻：σ—导体电导率，Sr—导线半径，m导线交流电阻：导线电感：s—导线间距,m

ε—导体间介质介电常数，F/m内感μ—导体间介质导磁率,H/m外感和电容（平行双线）接地线阻抗接地线阻抗频率Hz导线阻抗[欧姆]d=0.65cmd=0.27cmd=0.04cm10cm1m10cm1m10cm1m1051.4µ517µ327µ3.28m13.3m133m1k429µ7.14m632µ8.91m14m144m1M426m7.12540m8.28783m1.07100M42.65477530应使S>0.83L，S-导线截面（mm2），L-导线长度（m)地线宜选用扁平线，可增加导线表面积，减小交流电阻使地线靠近地面等大容量导体，可以减小地线电感

接地方式—单点接地123串联单点接地123并联单点接地I3I2I1I3I2I1R3R2R1R3R2R1V3=I3R3+(I2+I3)R2+(I1+I2+I3)R1V3=I3R3单点接地适于f<10MHz，对于10MHz~30MHz频率，单点接地时，应使地线长度L<1/20波长。串联单点接地易产生地电位耦合扰动。接地方式—多点接地123多点接地适用于频率>30MHz。缺点：易形成地环路，产生地环路电流，经接地阻抗形成造成差模干扰；同时地环路对电磁场敏感，降低设备抗扰度。解决措施：屏蔽线单段接地；减小环路面积。I3I2IoZ3Z2Z1屏蔽线接地方式—混合接地789456123混合接地适于f<10MHz，对于10MHz~30MHz频率，单点接地时，应使地线长度L<1/20波长，避免产生长传输线波扰动。模拟地数字地屏蔽地接地线的电容影响789456123平行导体（导线）间的电容存在在不同频率下，接地形式发生变化接地线网格地线网格提供了大量的平行地线能够有效地减小地线电感，从而减小了地线阻抗。搭接技术

电子设备中，金属部件之间的低阻抗连接称为搭接。例如：电缆屏蔽层与机箱之间的搭接屏蔽体上不同部分之间的搭接滤波器与机箱之间的搭接不同机箱之间的地线搭接机柜不同部位之间的搭接EMC滤波器接地搭接

滤波器接地阻抗过大会使干扰信号通过电容从输入端串绕到输出端，使滤波器性能变差。滤波器搭接阻抗搭接不良的机箱

空间电磁场在机箱上的感应电流会在搭接不良处产生扰动电压和发热。美国标准规定：飞行器的搭接电阻要小于2.5mΩ。vI搭接工艺方法焊接—理想搭接方式。特别是熔焊，具有最佳导电性。螺钉压接或铆钉铆接—连接可靠。螺钉距离不能太大，因为在非压接处存在缝隙或氧化，造成搭接电阻很大。钢性或软导体搭接条—用于两导体不能直接搭接情况。非永久性搭接—用于经常拆装的机箱盖板等情况。搭接面采用专门的电磁密封垫。

搭接效果可通过测量确定。搭接阻抗不能用直流电阻测量方式，要根据使用频率，用高频信号源测试。在频率较高时，搭接电感和电容会发生谐振，形成高阻状态，工作频率要避开谐振点。接地与搭接面的材料和腐蚀接地网线与搭接面的氧化腐蚀是降低接地和搭接质量的主要原因，应选择性能稳定、不易腐蚀的材料：使用电位较低的金属材料。尽量使用同类金属面搭接，不同金属搭接时，电位要尽量靠近。对易氧化的材料表面电镀、氧化处理。金属镁合金铝锌铬铁镍锡铜银金电极电位+2.37+1.66+0.76+0.74+0.44+0.25+0.14-0.34-0.8-1.42EMC屏蔽技术EMC屏蔽技术目的和基本类型目的：切断电磁噪声的传播途径。基本类型：主动屏蔽—对电磁噪声源的屏蔽。被动屏蔽—对电磁敏感设备的屏蔽。电磁噪声场类型：近场（d<λ/2π)—分为电场和磁场两类。多用于设备内部屏蔽技术分析。远场（d>λ/2π)—属于电磁场（波）。多用于设备之间、系统之间屏蔽技术分析。电场、磁场、电磁场屏蔽技术不同。屏蔽效能（SE）SEE(dB)=20log(E1/E2)SEH(dB)=20log(H1/H2)对于远场：SEE=SEH=SE屏蔽体屏蔽前场强E1，H1屏蔽后场强E2，H2近场静电场屏蔽+Q-Q+Q静电场主动屏蔽静电场被动屏蔽（不必接地）静电场屏蔽条件：金属体+接地金属屏蔽体金属屏蔽体近场交变电场屏蔽场源：交变高压、小电流载体。交变近电场屏蔽条件：金属体+接地GS~ZgZSUgC0USUS=jωC0ZS×Ug/[1+jωC0(Zg+ZS)]

~jωC0ZS×Ug

金属板不接地Uj=jωC1ZS×Ug金属板接地Uj=0US~jωC2ZS×Uj(C0’<C0)GS~ZgZSUgC1C0’C2UjUS近场低频磁场屏蔽（<100kHz）场源：低压大电流载体。屏蔽方法：使用高导磁屏蔽材料，形成低磁阻通路。IΦ低频磁场主动屏蔽S低频磁场被动屏蔽例如：电源变压器、电抗器存在漏磁，可将器件装入铁壳体中，使漏磁通过铁壳体形成闭路。S高导磁体高导磁体Φ近场高频磁场屏蔽（>100kHz）

高频磁场屏蔽体的材料采用金属良导体，例如铜、铝等。高频磁场穿过良导体，产生大涡流，涡流的反磁场可抵消噪声磁场。因此屏蔽体的效能与涡流大小有关。

注意：屏蔽壳体上的开缝方向要有利于涡流流通。磁场屏蔽关键技术磁导率随场强变化，屏蔽体要选择适当横截面积，防止磁路饱和。

选择较短磁路，尽量减小屏蔽体的接缝，保持低磁阻特性。屏蔽材料磁导率随频率升高而下降，注意对不同频率噪声磁场选用适当屏蔽材料。

高导磁材料的导磁率对加工应力敏感，注意采用合理加工方法和加工后的磁性恢复处理。单纯增加屏蔽层厚度（>1.5mm）对磁场衰减效果不会明显增加。采用多层屏蔽，可收到良好效果。高导磁层良导电层单层铁磁材料的屏蔽效能：SEH=20log{0.22µr[1-(1-t/r)3]}µr—相对导磁率；t—屏蔽体厚度；r—屏蔽体容积等效球半径。远场屏蔽—电磁波屏蔽

电磁场屏蔽的分析基于电磁波（平面波）理论。波阻抗的概念ZW=E/H波阻抗ZW377Ω电场为主ZW>377Eœ1/r3,Hœ1/r2磁场为主ZW<377Eœ1/r2,Hœ1/r3平面波ZW=377ΩEœ1/r,Hœ1/rλ/2π观测距离r电磁波屏蔽效能的计算入射波E1反射波继续波E2泄漏B场强距离反射损耗R1反射损耗R2吸收损耗A屏蔽效能SE=R1+R2+A+B=R+A+B电磁波屏蔽效能与屏蔽体接地无关吸收损耗的计算电磁场在介质中传播时的衰减规律：

Et=E0e-t/δHt=H0e-t/δ介质厚度t趋肤深度δ=（2/ωμσ）1/2[m]，或δ=2.6/(fμrσr)1/2[in]

μ,σ:介质磁导率、电导率；μr,σr：介质

相对磁导率、电导率。吸收损耗

A=20log(E1/E2)=20loget/δ=8.69(t/δ)[dB]

屏蔽材料厚度越大，吸收损耗越大。

屏蔽材料磁导率和电导率越高，吸收损耗越大。被屏蔽电磁波频率越高，吸收损耗越大。电场和磁场的反射损耗据传输线理论，当电磁波到达两种介质界面时，因阻抗不匹配而发生反射，产生反射损耗。反射损耗与电磁波的空气波阻抗和屏蔽材料波阻抗有关：R=20log[(ZW+ZS）2/4ZWZS]空气波阻抗ZW：远场377Ω;近电场1.8×1010/fd[Ω];近磁场

8×10-6fd[Ω]金属屏蔽体波阻抗：ZS=3.69×10-7(fμr/σr)1/2[Ω]其中，d：场源至屏蔽体距离；f：场频率各类场的反射损耗平面波：RW=168+10log[σr/(μrf)][dB]纯电场：RE=322+10log[σr/(μrf3d2)][dB]纯磁场：Rm=14.6+10log[(σrfd2)/μr][dB]电场和磁场的反射损耗（续）平面波的反射损耗与场源到屏蔽体距离无关。而电场的反射损耗以20logd的速度下降，磁场的反射损耗以20logd的速度上升。随频率的提高，平面波的反射损耗以-10dB/10倍频程速率下降，电场的反射损耗以-30dB/10倍频程速率下降，磁场反射损耗却以以+10dB/10倍频程速率上升。同一屏蔽材料对各类型场的反射损耗不同，通常有：

RH<RW<RE不管场型如何，不同材料的反射损耗只差常数10log(σr/μr)

铁的反射损耗比铜小许多。fR–30dB/10倍频程RE–10dB/10倍频程RW+10dB/10倍频程RH

孔洞的屏蔽效能实际屏蔽体效能主要取决于其上的孔洞和缝隙。这些不连续点造成电磁泄漏。电磁泄漏值决定于4个因素：开口最大尺寸，波阻抗，源的频率，源到开口的距离。孔洞对平面波的屏蔽效能：SE=20log(λ/2d)；d—孔的最大尺寸。为减小孔洞尺寸，可将大孔分解为小孔。当孔距小于半个波长时，孔的数目增加，泄漏还会增加：

SE=20log(λ/2d)–10log(n)n：孔洞数目。fSE1008060401101001k20fC=3×108/2dSE=20log(λ/2d)1.5cm15cm屏蔽体缝隙的处理

屏蔽体缝隙的电磁泄漏十分严重，在不便焊接时的处理方法是：加电磁密封垫。

电磁密封垫基本特性：良导体且不易氧化，有弹性。

密封垫种类：金属丝网（带橡胶芯或空芯）；导电布；导电橡胶（不同导电填充物）；螺旋管衬垫（表面镀锡）。指形弹簧（铍铜）常用于滑动面；使用要点：压力适当；采用电化学相容材料。

螺钉紧固。技术要求是：

要求连接面平且光洁度高。螺钉距离小于2cm。电磁密封垫截止波导管的应用原理：金属管具有电磁波高通、低阻特性，低频电磁波通过它产生很大衰减。这一特性用截止频率fC描述。通过设计，可使需要屏蔽的电磁波的频率全部落在截止区内，构成截止波导管。矩形波导管截止频率fC=5.9×109/b(b[英寸]矩形最大尺寸）

圆形波导管截止频率

fC=6.9×109/d(d[英寸]圆管直径）截止波导管对电磁波衰减由吸收

损耗和反射损耗两部分构成。圆形管损耗

SE=32t/d+20log(λ/2d)矩形管损耗

SE=27.2t/b+20log(λ/2b)t—波导管长度，f<fC/5。

显然，波导管越长，损耗越大。频率损耗fC截止频率通风口的处理

穿孔金属板截止波导通风板显示窗的处理

显示器隔离仓滤波器密封垫操作器件的处理

屏蔽体上开孔屏蔽体上栽截止波导管用隔离仓将造作件隔离出EMC滤波技术滤波器的作用

信号滤波器AC电源滤波器功率输出滤波器磁铁电源切断电磁干扰沿输入、输出信号线、电源线、输出功率线的传导传播途径，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。

传导型干扰的种类电子设备差模电流共模电流差模干扰：施加在信号线和信号地线之间的干扰。共模干扰：同相位、同幅度地施加在所有信号线上（包括信号地）的干扰，共模干扰电流在信号电缆与大地之间流动，其本身不会对电路产生影响，但电流流经的电路不平横，共摸干扰会转化为差模干扰，影响电路工作。

干扰源的形成差模：不同信号线之间的耦合；各级联电路噪声的传导。共模：高压电路对地漏电阻抗；空间电磁辐射在信号线与地之间回路的感应噪声。EMC滤波器的插入损耗和频率特性

滤波器插入损耗定义：IL=20log(U1/U2)[dB]U1、U2

为滤波器接入前、后信号源加到负载上的电压。滤波器的种类及其参数：截止频率、阻带插入损耗、过渡带低通滤波器ILf通带阻带fCILf通带阻带fC高通滤波器ILf通带阻带fC1fC2阻带ILf通带通带fC1fC2阻带带通滤波器带阻滤波器截止频率过渡带低通滤波器的基本类型

~C~L~LLCC型L型T型ILC=10log[1+(ωRC/2)2]设源输出阻抗和负载输入阻抗均为R，

标准测试中，R等于50Ω或75Ω。ILL=10log[1+(ωL/2R)2]ILT=10log[(1-(ω2LC)2+(ωL/R–ω3L2C/2R+ωRC/2)2]低通滤波器的类型（续）

~~LC~LC~LCC反Г型Г型π型IL反Г=10log{[(2-ω2LC)2+(ωRC+ωL/R)2]/4}ILπ=10log[(1-(ω2LC)2+(ωL/2R–ω2LC2R/2+ωRC)2]低通滤波器的匹配应用

不同结构的干扰源和负载电路需要不同类型的低通滤波器匹配，才能获得设计的衰减效果。通过电路连接（包括接地）设计，可构成共模或差模滤波器。源阻抗滤波器型式负载阻抗高C型、π型高高Г型低低反Г型高低L型、T型低低通滤波器的级联和阶数

使用同类型或适当的不同类型滤波器串联（级联），可以提高阻带的衰减量，并使过渡带变短，改善选择性。滤波元件数为N的滤波器，称作N阶滤波器。过渡带的斜率等于20NdB/倍频程。fIL(dB)1000fC100fC10fCfC806040201阶2阶3阶4阶5阶100单电容低通滤波器

实际电容器存在引线电感，因此衰减曲线是LC串联网络衰减曲线，在某一频率上会发生谐振，超过谐振点，电容器呈现感抗特性，应选用高频特性好的电容，或设法减小引线电感。LCfC=1/πRCfIL(dB)fR=1/2π(LC)0.5理想电容实际电容ILC=10log