《电子装备设计技术》课件第2章

第2章电磁兼容性设计技术2.1电磁兼容性分析和设计2.2电磁干扰源及其特性2.3电子设备电磁屏蔽设计2.4电磁兼容测量方法 2.1电磁兼容性分析和设计

网络化、信息化的科技时代的到来，使信息产业已成为国民经济中的第一大产业。如今，通信网、计算机网如同神经系统分布于全球并延伸到世界每个角落，各种精密的数字化、智能化、低耗、高速、高灵敏度的电子设备越来越多地应用于生产和生活中，而这些电子设备所处的电磁环境却越来越恶劣，这给电子设备自身的适应性、可靠性提出了更高的要求。由于电子设备遭受电磁干扰时可能会产生逻辑错误或造成信息丢失，甚至可能造成死机、误操作、失控等问题，从而可能引起整个系统的瘫痪，因此必须重视电子设备的电磁兼容性设计。2.1.1电磁兼容性设计内容

电子设备的电磁兼容性设计包括控制干扰源的电磁发射,抑制电磁干扰的传播,增强敏感设备的抗干扰能力。电磁兼容设计涉及很广的学科领域，具有学科交叉的特点，在电子设备的设计、生产到使用阶段的全过程中必须具体问题具体分析，采用不同的方法和措施，以及适当的组织管理方法和技术方法进行综合治理，才能有效地保证和解决电子设备的电磁兼容性。

电子设备的电磁兼容性可以分为不同等级，主要划分为：元部件级的电磁兼容、设备级电磁兼容、综合系统级电磁兼容、业务级的电磁兼容。

在这些不同级别中，电磁兼容性设计所要实现的任务与特点分别如下所述。

1.元部件级的电磁兼容性

元部件级的电磁干扰主要来源于不同的元件之间的电磁耦合，通常由元器件的分布电气参数决定元器件之间的电磁耦合的强弱，属于近区电磁场中的相互作用，电磁干扰为电容耦合、电感耦合或经过公共阻抗的耦合作用。

在元部件级保证电磁兼容性，对于保证更高级别的电磁兼容性指标有很大意义。它不但对整机的电磁兼容指标有影响，还将影响整个电子设备的功能实现及系统工作的稳定性和可靠性。在电磁兼容设计中，印制电路板电磁兼容设计的主要任务之一，就是要消除元部件级产生的电磁干扰影响，解决电磁兼容性的问题。

2.设备级的电磁兼容性

设备级所产生的电磁干扰与电子设备所处的电磁环境、各电子设备之间的相互影响以及电子设备内部的元部件之间的电磁耦合有关。当干扰功率大于设备能够承受的电磁干扰的容限时，就需要采取措施改善电磁兼容特性，如采取措施减小干扰源作用功率，或减小干扰源对设备干扰的有效作用成分；也可以采取措施降低干扰源对设备产生干扰的耦合作用，如减小耦合电容、耦合电感或切断公共阻抗的耦合渠道；也可以采取措施降低设备的电磁干扰敏感度，或提高设备承受干扰的容限。在采取技术措施减小干扰时，必须考虑花费的成本和取得的效能之间的关系，选择最优的技术方案，获得较好的费效比。单独采用某一措施并不是最佳选择，如果不能达到最优的费效比，应该采用多种措施，并且把最大的投资花费在费用较小的措施上，只有这样才可能达到以最少的花费获得最大的电磁兼容效果。

3.综合系统和系统级的电磁兼容性

一个电子设备整体或多个电子设备彼此联系完成某一规定的技术功能，都可以称为是一个电子系统。在一般情况下，系统内部和系统之间都会产生电磁耦合，造成相互间的干扰，系统级的电磁兼容性问题必须采用系统论的方法解决。用系统论的方法处理系统级电磁兼容性问题的一般方法可以简单描述如下：

（1）对系统内和系统间的电磁耦合和电磁兼容特性进行描述，找到描述电磁兼容问题的最小的一组关键参数，对实际情况进行深入调查、测量和实验，查明、描述和分析电磁耦合的发生途径和过程。对系统电磁兼容问题进行建模，引入数学描述和计算机模拟。（2）从系统工程的角度确立能保证电子设备或电子系统达到最佳工作质量或最佳性能的特征参数指标。（3）根据这些指标合理地组织系统，并合理地选择组成系统的设备或元件的参数。组成系统的设备或元件的参数可以分为两类：一类是系统相关性参数，一类是系统无关性参数。系统无关性参数是指那些可以改善设备本身的工作质量，但参数的变化不会引起系统中其他设备工作条件的变化，也不影响其他设备的工作性能参数。两类参数对系统总体性能的影响特性是不同的，第一类参数仅仅影响单个电子设备的性能指标，这些电子设备或元件的性能改善的同时也改善了整个系统的工作质量；而第二类参数的改变可能改善单个设备的指标，但同时也影响系统中其他设备的工作条件，其中有些设备的性能指标可能变坏，此时，整个系统的工作质量是这两种正反作用的综合结果，整个系统的工作质量存在一个最佳值点。系统参数的最佳值可以通过两种方法求得。

第一种方法是将各个设备或元件的性能参数综合在一起，作为影响整个系统性能的参数进行系统建模，得到数学解析式或系统模型，再求得使系统性能指标达到极值条件的参数。采用这种方法时，随着参量个数的增加，会使系统建模遇到困难。如果模型详细精确，其结果更接近实际，但是由于因素的增加和参量个数增加，使得描写系统的方程个数成指数或阶乘规律增长，结果会使系统的模拟不可能实现。如果选得模型比较简单，模拟工作比较简单和迅速，但是模型的有效性却会大大下降，有时不仅仅是精度下降，而且很可能因为缺少描述系统的因素而使所建立的近似模型产生错误的结果。第二种方法是求取影响系统性能参数的可以接受的值，要求在这个量值下，系统的质量标准不低于给定值。实际上，系统的性能指标（目标函数）要求与模拟方案有关，目标函数常常采用接收到的干扰电平与信号之比，即干扰比来描写。进行理论推导时，应能使数学表达式的形式更简单，并且是单值解。需要引入各种简化假设，尽量减少参数的数目，同时又要适当选择不同参数解决不同的问题，这就需要针对具体系统的具体问题采取不同的简化假设。

4.业务级的电磁兼容性

业务级的电磁兼容是最高一级的电磁兼容，必须采用一整套的组织措施和技术措施使国内和国际的有关业务工作协调一致，建立国际、国内的业务联盟，如国际电信联盟、国际无线电干扰委员会等。由这些组织发布指导性的甚至强制性的标准和规定，管理和协调业务级的电磁兼容问题。制定标准和规定是非常重要的，是技术措施和组织措施的基础。

此外，在业务级还有资源利用的安排问题。例如，频谱资源的合理分配和利用，不同的业务可以占用不同的无线电频段，如果同一频段分配给不同业务就要规定好不同的等级，区分主要的、允许的和次要的等级等。不管是在哪一等级上的兼容性，都需要通过电磁兼容标准进行控制。制定这些标准的目的在于限制各种不同装备产生的干扰电平，减小无线电设备对非有意干扰作用的敏感性，合理利用资源等。这些标准的执行可以排除大部分电磁干扰或使其有明显的减小，可以对影响电磁兼容性的各种参数有明确的标准要求，以帮助简化分析电磁兼容问题。

标准中参数的标准化数值在简化处理问题时可以作为原始数据使用。标准化对保证电子设备的电磁兼容性起着重要的作用，但是，遵守有关的规范和标准并不能完全解决各种电子设备的电磁兼容问题。保证电子设备电磁兼容性是一项复杂的系统工程，必须在各个阶段、各个级别水平上采取相应的措施，特别是在研制电子、电气设备和建设电子、电气工程时，应尽可能早地进行电磁兼容设计或采取电磁兼容措施。随着电子、电气设备的研制或建设工作的完成，可以采取的抗干扰措施的总数减少，而花费却要大大增加。在早期阶段排除干扰或辐射会带来较好的效果，经济上的花费更合算。通常，在电气、电子设备的设计阶段采取措施，可以避免80%～90%的电磁干扰问题。

因此，任何电气、电子设备和系统的设计、生产、施工和使用都应该考虑所产生的电磁干扰及其敏感性和达到电磁兼容需要采取的措施。2.1.2电磁兼容性设计方法

要保证电子设备或电子系统真正实现电磁兼容，必须采取综合措施或采取特殊的设计技术、工艺和方法。

1.在不同等级上保证电磁兼容性的方法

保证电子设备或系统的电磁兼容性是一个综合性的任务，需要在不同的等级上采用不同的方法和措施。从元件级、部件级、设备级、系统级和业务级保证电磁兼容性，其方法主要包括设计工艺、电路技术方法、系统工程方法和利用专业技术组织机构四大类。

1）保证设备元件级的电磁兼容性

在设备元件级上保证电磁兼容性的主要任务，是要解决元件上产生的干扰以及减小元件上由外界感应的电平。设备中的元件可以分成两类：无源器件和有源器件。

无源器件主要包括电容器、电阻器、电感线圈（变压器）、连接导线以及各种连接器。在分析无源器件的电磁兼容问题时，最关键的就是要分析这些元器件产生电磁问题的原因，包括元件参数、元件的末端引线电感、元器件上的各种寄生电容、寄生电感等电路上的分布参数。必须考虑由这些寄生参数和电路器件所组成的新的等效电路。对有源器件而言，器件工作时会产生电磁辐射，也会以传导电流的方式成为干扰源。由于隔离不完善以及耦合电感、耦合电容的存在，使得有源器件会影响其他器件或电路功能的实现，在含有非线性元件的电路中还可能发生频谱成分的变化，这种变化会引起电磁干扰。继电器接触点、开关的火花效应和电弧也可以认为是有源器件。不同的有源器件的特性不同，例如，发射极耦合的逻辑元件产生的干扰最小，但同时对干扰作用却最敏感；互补MOS逻辑电路的元器件最不容易受干扰，但是本身却产生相当高的干扰电平。

2）保证设备级的电磁兼容性

保证设备级或设备部件级的电磁兼容性的主要任务是减弱元件、部件范围以外的由干扰源产生的干扰电平。可以采取增加脉冲前沿时间，消除电路中的谐波和信号的谐波方法来限制干扰的传播途径，改善设备电路元件的性能，还可采用屏蔽、接地、滤波等方法和措施减小振荡电平以减小干扰。

3）保证系统级的电磁兼容性

可通过系统工程的方法保证系统级的电磁兼容性，充分利用空间区域分布、频率资源以及时间因素，以获得最佳的电磁兼容效果。

2.减小导线之间的耦合

最常见的改善电磁兼容性的措施之一，就是要尽量减小设备电路的内部导线之间或各种部件间连接导线之间的耦合。为了减小导线之间的耦合，最为有效的办法就是对导线进行屏蔽，但在进行导线屏蔽时，屏蔽接地的方式非常重要。屏蔽接地的方式主要有以下几种：

（1）信号线与屏蔽相接，但与地隔离。这种情况对电容耦合的屏蔽效果却很差。

（2）采用导线扭绞的方式达到屏蔽作用。当两根导线扭绞起来时，两导线中的感生电动势恰好相反，可以抵消大部分干扰，此时两端都接地的情况对电磁干扰的敏感程度就比一端接地的情况严重。

（3）将两根导线扭绞之后再加上同轴导体屏蔽，则能够获得最大的屏蔽效果，这种方式也是实际上广泛采用的综合方法。在这种情况中，尽量达到对称是减少各种部件连接导线之间耦合的有效措施，要求两根导线及所有连接在它们上面的电路具有相同的阻抗，此时回路中的干扰电流将等于零，而且与耦合的性质无关。

由于导线很多，不可能屏蔽每一对导线，必然会产生干扰。这种干扰与干扰源的性质、干扰源与被干扰器件或设备之间耦合的性质有关，应采用分组的方法削弱成束导线产生的干扰。首先把承载大功率的与干扰源有关的导线与对电磁干扰敏感的设备有关的导线分开编组，然后再把每一组的导线组成束。

3.接地

1）接地的功能

接地是电子设备和电子系统设计的重要内容，是十分复杂的技术，与电子系统的具体结构有关系，与所要防护的系统的工作电流、频率及波形有密切关系，与构成“地”的材质和电磁特性有关，更与接地元件及工艺有关。

接地主要实现以下功能：

（1）地表面是良好的导电表面，电位被看做零电位，并作为各种电压信号的比较基准。

（2）接地表面作为各种信号电路的返回电流的通道和电源回路的一部分。

（3）接地用来配合各种屏蔽系统功能，作为各种频率的干扰电流的通道。

（4）接地作为零电位基准，连接裸露的设备金属外壳以保护操作人员不受到伤害。

2）接地产生的电磁干扰接地不当，也会产生电磁干扰。

（1）接地系统存在电阻，就会产生电压降，电压降与接地系统上的电流成正比，这个电压将造成电磁干扰的干扰电动势（公共阻抗效应）。

（2）接地系统中存在有回路，外部电磁干扰源通过电磁波作用在接地回路中产生感应干扰电动势。

接地母线电阻越大，接地回路的面积越大，接地导线的复阻抗越大，则接地系统产生的电磁干扰就越大。

3）接地应该遵守的原则

（1）接地导线及公共母线的阻抗应尽可能小。接地导线应该具有最小的阻抗和自感。接地导线的长度应该尽量短，应比波长小得多，通常要求接地导线的长度远小于0.02λ。

（2）接地导线应该采用横截面为管形的接地线，因为管形的接地线同其他具有同样截面积的导线相比，具有最小的全阻抗。

（3）应控制接地线的电气连接质量，保证接地连接点始终具有最小的接触电阻。布线时应尽量避免利用公共导线。

（4）应选用合适的接地方式。根据具体情况采用单点串联接地、一点并联接地和多点并联接地等方式。单点串联接地最简单，但具有最大的干扰电平，干扰的大小取决于沿接地电路公共段流过的电流。单点并联接地导线长度大大增加，难以保证接地段的低阻抗要求，会产生明显的接地导线间的电磁耦合，增加干扰。多点接地容易形成接地回路，必须采取专门的措施来消除由于接地回路面积大而引入的很大的电感耦合干扰。

实际的接地方案应综合考虑所有的因素和效果，通常在低频时多采用单点接地，在高频时采用多点接地系统。低频屏蔽原理应该基于电流对消原理，故用作电源电路的返回电流的接地线，和用作信号电路的返回电流的接地线要各自采用独立的地线连接。

4.屏蔽

1）屏蔽衰减

电磁屏蔽要实现的功能主要在于，如果屏蔽体内部有干扰源，则屏蔽的目的是减弱内部干扰源对周围空间的电磁干扰；如果屏蔽体内部没有干扰源，则屏蔽的目的是减小外界电磁干扰对屏蔽体内部电路的作用，并且降低设备的电磁敏感性。

屏蔽的防护作用常用屏蔽衰减表示。

2）屏蔽效能的频率特性

在低频时，交变电磁场作用在屏蔽体上，电场作用类似于静电场，电荷分布在屏蔽体外表面，屏蔽体内没有场，电场屏蔽衰减可以认为是无穷大。在频率的作用下，感应电荷不断改变符号，感应电荷符号的交变使屏蔽体上产生交变电流，频率的进一步增高会伴随着在屏蔽体内出现交变电场。因为屏蔽体的导电率的限制，使得电场屏蔽的效果降低。当频率再升高时，会出现集肤效应，电流则只集中在屏蔽体表面，屏蔽体内的场将再次减弱，屏蔽效能会逐渐增高。屏蔽层越厚、材料导电率越高，屏蔽效能越好。在磁屏蔽中，一般物质导磁率很小，在恒定磁场中磁力线虽然在屏蔽体中集中，但由于导磁率很小，这种磁力线集中的作用很小，因而磁屏蔽效能很低。在低频区中，随着频率的增高，在屏蔽体内会产生涡流，其结果是消耗了磁场能，磁屏蔽效能有所提高。继续升高频率时，由于集肤效应的作用能透过屏蔽体进入内部的磁场很少，磁屏蔽效能大大提高。

在高频时，电场或磁场都有很强的集肤效应，透入深度很小。能透入到屏蔽体内部的电场和磁场都很小，屏蔽效能将大大提高。

3）影响屏蔽效果的因素

任何屏蔽都不可能做到对电磁场完全封闭，屏蔽体上总会有缝隙、通风口、门窗结构和进入的电缆线，这些结构会降低屏蔽效能。

5.滤波

滤波是为了预防电磁干扰经传导渠道传播到系统或仪表内部，通过滤波可以把有用信号频谱以外的能量加以抑制。以下的情况应考虑采取滤波措施：

（1）在高频系统中，为了抑制工作频带以外的频带上的干扰，应采取滤波措施。

（2）在信号电路中，为了消除无用的或无关的频谱成分，可以采用吸收滤波器等。

（3）在电源电路、操纵电路、控制电路及转换电路中消除产生的干扰作用。采用滤波器减小干扰源产生的干扰作用及保护干扰敏感设备的设计原理如图2.1所示。图2.1采用滤波器减小干扰和保护敏感设备的设计原理

6.电子设备空间布局

各种电子设备的接收特性以及干扰源设备的辐射特性都具有一定的方向性和一定的作用距离，利用这些特性适当安排电子设备在空间的位置可以避免干扰。电子设备空间位置规划就是要合理地确定电子设备之间的空间距离和位置的格局，使得彼此产生的干扰在允许的范围内。电子设备位置布局应考虑电子设备的信号功率、辐射的电磁干扰、电磁敏感度以及系统结构，应当能使系统的性能达到最佳。

合理布局应考虑系统设备内各单元之间的相对位置和电缆走线，其基本原则是使感受器和干扰源尽可能分离，输出与输入端口妥善分隔，高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别铺设。

7.优化信号设计

电信号在传输信息时需占据一定的频谱，为减小干扰，信号占用的频谱不应大于信息所必须的频谱宽度，即应对有用信号规定必要的最小带宽，同时必须优化信号波形。

8.完善线路设计

进行线路设计或选用时，应设计和选用自身发射功率小、抗干扰能力强的电子线路（包括集成电路）作为电子设备的基本电路单元。2.1.3电磁兼容性设计主要原则

（1）满足产品基本要求。

电磁兼容性设计措施应保证电子设备、系统或分系统的各项技术指标（包括可靠性指标）达到要求，将电磁兼容性指标与设备、系统或分系统技术指标综合考虑，按严格的指标要求执行。（2）严格执行相应标准。

电磁兼容性指标可以根据不同的产品执行不同的标准，电磁兼容性标准大致可分为军用指标和民用指标，为了满足这些要求，设计的基准也有差别。从电磁兼容性技术发展分析，军用指标和民用指标依然会存在差距，但两者差距会逐渐缩小。（3）适应工艺水平的发展。

电磁兼容性设计涉及机械加工、无线装配、化学制品和化学工艺等制造行业，这就要求电磁兼容性设计从具体情况出发，不能超越国内工艺的能力，否则电磁兼容性设计就很难实现，或只能依靠引进国外技术得以实现。（4）考虑性能价格比。

电磁兼容性设计需要消耗一定数额的资金，且测试费所占的比例很大，由于器材和加工工艺成本很高，在电磁兼容性设计过程中必须考虑各类措施的经济性。电磁兼容性设计必须综合考虑效果与经济性的因素，以达到较好的性能价格比。（5）确定适当的数据范围。

为了实现电磁兼容性指标，必须进行电磁兼容性设计。电磁兼容性设计不像典型电路设计那样，设计数据有一个确定值，电磁兼容性设计的方法、手段应根据电子设备或系统的特点，有较大的选择范围，设计参数不是非常确定的数值，设计人员只有经过多年的经验积累，才能自如地进行设计。（6）考虑综合因素。

通过电磁兼容性设计可以提高电子设备或系统的性能稳定性，提高可靠性和安全性。电磁兼容性设计必须加以协调，综合考虑。

（7）进行加固性设计。

电磁兼容规范性指标具有一定的普遍性，根据各设备和分系统、系统的特殊性要求可补充一部分指标。但不同的电子设备或系统的指标要求并不相同，因此必须经过分析，对不同的系统或线路提出适合自身要求的指标，使设备或系统在规定的条件下能正常、稳定地工作。

（8）采用合适的处理和设计方法。

对电磁兼容性问题的处理方法是，规范要求每个设备或分系统必须满足规定的标准指标，应结合具体系统进行分析，利用电磁兼容性预测数学模型和数据库，在各个设计阶段不断修正设计措施，以达到最优设计的要求。2.1.4电磁兼容性设计措施

电磁兼容学科所研究的根本任务和目的，是使各种电子设备和系统能在较复杂的电磁环境下不受干扰、准确无误地工作。电磁兼容性设计的最终目的是克服潜在故障，满足电磁兼容性指标，保证电子系统和设备能正常工作，因此，必须采取适当的电磁兼容性设计措施，保证电磁兼容性指标的实现。

1.正确接地改善电磁兼容性指标

电子设备或系统安全性设计，要求其金属结构体正确、可靠地接地，其目的是泄放积累或感应的电荷，保证设备和人身安全。同时，接地对抑制电磁干扰也有着很重要的作用。

（1）接地可以改善电磁兼容屏蔽性能。

屏蔽体和电缆屏蔽层都应接地，改善屏蔽性能主要集中在低频端，壳体和被屏蔽部件处于近区场，其中的电磁场分布有较大的静电场分量，接地对静电场影响很大。（2）接地对布线的传导干扰有影响。

导线的屏蔽层接地除了能提高屏蔽效能外，布线的接地和导线屏蔽层接地可形成接地回路，有可能与信号线产生电磁耦合。布线时可将一端优先接地，在不影响信号传输的情况下，可将另一端悬浮，避免形成接地回路。

（3）接地点电平的对消作用。

电子设备接地点的选择很重要，接地点不仅可以改变干扰能量的流向，还可起到电平对消作用。接地可提供参考电平，即零电平，各类接地点都有较高的电平，如果接地点的参考电平与信号线中干扰电平同相，则信号端口的干扰就会减少，可以抑制干扰的传输。（4）接地点搭接电阻。要求接地点的搭接电阻比较小，且搭接电阻稳定，其目的是使干扰电流容易流向大地，使该点由干扰电流产生的压降较小。机械壳体的接触式搭接通常都不太稳定，只能作为机壳消除静电感应的接地。

2.通过屏蔽减小辐射强度

电磁辐射的指标包括辐射发射和辐射敏感度，通过电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽，可以降低电磁辐射的强度和减少敏感度。

1）电磁屏蔽措施中的电磁场分布

由电磁屏蔽定义可知，屏蔽效能是指空间某点设置电磁屏蔽装置前后电磁场的变化量。在主动屏蔽即对辐射源进行屏蔽时，设置屏蔽体后，电磁波被包容在某一区域，在这一区域内，局部电磁场强度可能会增大，此时屏蔽体内敏感设备反而遭受更强的干扰。

2）强磁场、强电磁场屏蔽

利用磁性材料作磁屏蔽或电磁场屏蔽时，应考虑导磁率的非线性问题，即初始导磁率较小，中间一段导磁率线性较好，当磁场强度很高时，由于出现磁饱和，导磁率开始下降。在计算磁屏蔽、电磁屏蔽时，应注意导磁率的变化，以得到较好的屏蔽效果。

3）对消屏蔽原理

传统的屏蔽原理是采用隔离技术，通过反射、吸收使磁场、电磁场得到削弱。这种方法在空间上受到限制，并形成一个屏蔽封闭层，对布线、操作产生妨碍作用。采用对消原理，是应用传感器检测到磁场、电磁场，利用电路和一些装置，产生与检测场强反向的磁场或电磁场，以抵消原有场强。

3.采用电源滤波器抑制干扰

电源滤波器能有效抑制电源线传导干扰，降低传导敏感度。电子设备中数字电路的应用越来越多，利用电源滤波器抑制外来的脉冲干扰尤为重要，但在应用电源滤波器时必须考虑以下问题：

（1）电源滤波器的抑制带宽与干扰频谱的匹配。

电气设备的电源滤波器抑制频谱相对较窄，通常要求的抑制范围为500kHz～200MHz。滤波器抑制尖峰干扰也是十分有效的，应用中必须注意匹配问题。（2）电源滤波器阻抗与负载阻抗的匹配。

通常要求滤波器高输出阻抗配低阻抗负载，由于负载阻抗经常是变化的，这对滤波器的使用效果带来一定问题，使用不当则效果较差，因此必须注意两者的匹配问题。

（3）电源滤波器的负载能力。测试电源滤波器性能指标时，一般定义为空载或50Ω负载，滤波器处于良好状态，此时其性能指标都比实际应用偏高。而实际情况是负载阻抗很小，滤波器一般不满载使用。从可靠性设计考虑，都要降额设计，降额因子为0.5～0.8，即最大工作负载为额定值的50%～80%。（4）使用电源滤波器后指标的改善。

在电子设备的电源输入端装入滤波器后，可改善电源线的传导发射指标和传导敏感度指标。从滤波器原理分析，滤波器具有双向抑制功能，既可以抑制电源干扰对供电网的影响，又能抑制从供电网进入的连续波干扰和脉冲干扰，这种抑制作用也可用来抑制尖峰脉冲干扰和脉冲串干扰，电源滤波器对浪涌的抑制作用效果较差。

2.2电磁干扰源及其特性

熟悉常见的电磁干扰源是发现和解决电磁干扰问题的关键之一。电磁干扰源通常可以分为自然干扰源和人为干扰源两大类。自然干扰源是指自然界所固有的与人的活动无关的电磁干扰现象；人为干扰源是指由于人类的工业和社会的活动所产生的电磁干扰。无论是自然干扰源还是人为干扰源，对电子设备的安全性和可靠性都会构成威胁，影响程度最大的四类干扰依次为：雷电、强电磁脉冲、静电放电和开关操作。

雷电是一种大气物理现象，雷电电磁脉冲是最严重的自然电磁干扰源，闪电放电脉冲的陡度大、峰值电流大、电场强、频谱宽，将对电子设备造成严重的威胁，产生破坏性的影响。雷电产生的静电感应将会造成区域性的灾害。

强电磁脉冲是指核电磁脉冲（NEMP）、高空核电磁脉冲（HEMP）和非核高能微波电磁脉冲（HPM）等极强的人工电磁干扰源，它们极强的电磁辐射将对电气、电子设备进行干扰破坏，造成电子产品失效或瘫痪。

静电放电（ESD）是指在低湿环境中，运动设备或内部有运动部件的静止设备产生的一种电荷积累和释放的物理现象，是一种非周期性的放电脉冲，同时又是一种宽带干扰源，不仅能干扰宽带设备，也能干扰窄带设备。

在开关操作过程中，开关的通断将引起电压和电流的急剧变化，产生瞬间干扰。表2.1四类强电磁干扰的干扰特性各类电磁干扰对电子设备的破坏作用主要表现在：造成高压击穿，引起接点、部件或电路的电击穿，导致器件的损坏或瞬时失效；使器件烧毁或受瞬变干扰，器件因瞬变电压造成短路损坏的原因为功率过大或PN结电压过高而击穿，包括集成电路、存储器、晶体管、二极管、可控硅等；产生电涌冲击，对有金属屏蔽的电子设备，屏蔽壳体上感应的脉冲大电流会像浪涌一样在壳体上流动，壳体上的缝隙、孔洞、外露引线一旦将浪涌电流引入内部设备，足以使内部敏感器件损坏。2.2.1自然干扰源

自然干扰源包括雷电产生的天电噪声，银河系的宇宙噪声、热辐射、静电等。天电噪声的能谱集中在20MHz以下，宇宙噪声的能谱集中在20～500MHz以内。

大气放电是人们所认识到的最为典型的自然干扰源。大气放电主要以雷电现象的形式出现，雷电放电本身会产生电噪声，可以产生雷击破坏作用。同时，雷电下的电力线可能会因雷电放电产生强烈的电压或电流扰动，幅度很高的浪涌电压也会产生强烈的电磁干扰，其频谱可以包含从低频到甚高频的全部频率范围。

此外，太阳系的强烈电磁现象、地球磁场的波动也会对电子设备、电力系统或通信系统产生电子干扰。2.2.2人为干扰源

1.人为电磁干扰的产生和分类

人为干扰源是指由机电或其他人工装置产生的电磁干扰的感应源。人为干扰源可以划分为连续干扰源、脉冲干扰源、间接干扰源和接触干扰源等几种类型。

电子设备在完成自身功能的同时，通常会产生连续的电磁干扰，是连续干扰源，如电力输电线、无线发射台、变压器等，其特点是产生有规律的高频振荡，其干扰可以预测。

脉冲干扰源产生单脉冲或脉冲串形式的电磁干扰，脉冲的波形、宽度和重复频率具有随机性，频谱相当宽。间接干扰源往往不是电子设备本身产生，而是由于机械运动或压电效应等原因引起的间接电磁干扰。这一类型的电磁干扰通常不影响其他设备，只影响产生干扰源的设备中的电气、电子设备。

许多系统中都有大量的螺钉、螺栓和焊接在一起或不完全接触的金属结构件，这些元件或金属连接的接触面之间的阻抗具有复阻抗特性，阻抗的数值取决于构成元件的材料、外形、表面的状态、接触压力大小和环境因素（温度、湿度等）。当系统运动或发生振动、颠簸、撞击时，接触阻抗成为可变的阻抗，此时这类结构元件在有电流和电压作用时将产生再生电磁辐射，从而产生接触干扰。接触干扰的辐射频谱与原辐射的频谱相同，既有连续分量，又有离散分量，大多数情况下具有准脉冲的性质，通常要达到数兆赫兹的频带。

2.典型人为干扰源及其特性

（1）通信、广播、电视、雷达等具有强电磁波的发射机：具有强电磁波，包括基波、谐波、非谐波寄生发射。

（2）工业、科学研究和医用射频设备：射频振荡器、焊接机械、超声仪、家用电磁灶等。

（3）架空输电线、高压设备和电力牵引系统：高压输电线的工作电压很高，输送的电能巨大，它可以经耦合电容和互感对周围的电气、电子设备造成影响，甚至损坏弱电设备。此外，在输送的工频电流中还包含许多谐波分量，干扰频谱为数十千赫兹到数百兆赫兹。（4）机动车辆和内燃机：汽车等点火系统的火花塞可能产生电磁干扰，各种内燃机启动所需要的点火系统都是很强的电磁干扰源，在30～300MHz之间的频带内干扰强度最强。

（5）电动工具、家用电器、照明器具等设备：这些设备在启动、工作、切断时会产生电磁干扰。

（6）信息技术设备及工业控制设备：该类设备中的开关电源、时钟及频率变换、脉冲信号会产生电磁干扰。（7）静电：人体静电充电电压可达到几万伏，将造成电子元器件的击穿和设备的损坏。

（8）电磁脉冲：这种脉冲作用于电路时，可能引起电路性能急剧变化，造成元件损坏。

（9）开关器件和继电器：该类设备工作时，触点闭合或打开往往伴随着火花放电，电动机电刷和整流子之间随着转子的旋转也会出现火花放电。由于火花放电产生的电磁脉冲会产生电磁干扰，这样会引发电路误动作。当开关触点闭合时，电流流经触点到达负载，如图2.2所示。图2.2开关器件和继电器工作时的等效电路当触点断开时，由于负载阻抗的瞬变特性，特别是感性阻抗的作用，当电流突然变为零时会产生很大的感应电压。此时，开关器件和继电器的负载上作用电压的过渡过程按如图2.3所示的情形变化。图2.3开关器件和继电器负载上作用电压的过渡过程过渡过程产生的过渡电压的峰值很高，是正常值的几十到几百倍，但这时开关的触点尚未充分离开，于是就会发生放电，产生火花。

触点之间的放电包括气体放电和电弧放电两种。气体放电是由于触点间的气体分子发生电离而引发的放电，其起始电压随着触点间的距离而变化，随着气压和气体的组成不同而变化。电弧放电是因为触点的金属处于高温而汽化，因而形成放电电流通路而出现的放电现象，此时没有气体时也照样产生电弧放电。电弧放电的开始放电电压与电场有关，因此与触点间距离直接相关，但电弧放电的停止电压与距离无关。处于大气中的触点，当间距较小时，因为电弧放电起始电压较低，电弧放电起主要作用；当间距较大时，气体放电起主导作用。当触点间电压高于放电起始电压时便开始放电，产生放电电流，于是电压下降，当触点间电压低于放电停止电压时停止放电。由于放电停止，放电电流变为零，但此时由于电感作用，触点间电压会再次升高，当超过放电起始电压时就又开始新的放电。如此多次重复放电，直到电感所蓄积的电磁能耗尽为止。这时，放电电流是断续式的脉冲，脉冲电流流过所连接的导线产生脉冲式的干扰电磁场。

3.电子设备内部的干扰源

电子设备内部电路及器件在工作时也会辐射电磁波，产生电磁干扰。这种电磁辐射一方面会在设备内部电路上产生干扰，影响其他部件的工作，使电子设备的功能变坏，稳定性变差，另一方面也会传送到电子设备之外，对其他设备造成干扰和影响。特别是在有数字器件的电子电路中，高速度的数字逻辑元件都是产生噪声和干扰的原因。

1）TTL开关噪声

TTL逻辑元件工作时，逻辑状态变化将使电流发生很大变化，开关电流的成分中包含有几十到几百兆赫的高频成分，它是引起噪声的重要原因。这些噪声引起的高频电流通过电源和接地对其他电路产生影响。TTL逻辑元件本身也极容易遭受噪声的影响。

2）动态RAM

动态RAM（DRAM）的存储单元是电容器，利用电荷存储数位信息，读出信息时电容器上的电荷就转移到位读出线上，再经放大器放大，同时再对该电容器充电以便再度储存电荷，保存曾经读过的逻辑值。由于电路总会有漏电，电容的电荷有衰减，就必须定期再生。所以，DRAM是以电容器放电为基础的部件，因而能够经过电源线和接地线产生串扰和公共阻抗噪声。

3）电源和接地

电子设备通常采用直流电源，而电网上提供的是交流电源，所以要采用相关的电子设备产生直流电源。这些电源设备会把电网中的高频噪声或电源设备工作中的电磁噪声经直流通路传送到电子电路上造成干扰。同时，电子电路中的数字器件和高频器件工作时也会产生噪声，经电源和接地通路对其他部件产生干扰。

4）振荡器件及变压器

电路中的晶体振荡器工作时，会向周围辐射高频电磁波；变压器工作时也会有电磁辐射发生。

5）静电放电和输入、输出端的干扰

由于摩擦，特别是人体的运动，会产生很高的静电电压，从而引发静电放电。静电放电会经过不完善的屏蔽进入到电子设备内部，对设备内部电路产生干扰甚至损坏器件。

输入、输出端连接外部设备，经过信号线，外界的电磁干扰通过连接器进入电子设备内部，从而产生干扰。2.2.3电磁干扰作用途径及分析方法

电磁干扰源无处不在，任何电子设备都会处在各种干扰源的影响环境中工作。电子设备的工作是否受这些干扰源的影响，主要决定于三个要素：干扰源的强度和特性，电磁干扰作用途径的类型和性质，设备本身对电磁干扰的敏感度以及是否采取了必要的防护措施。电子设备电磁兼容性设计就是要控制这三要素，即控制干扰源的发射，抑制电磁干扰的传播（阻断其传播途径），增强敏感设备的抗干扰能力（采取屏蔽措施）。实现电磁兼容性的任务之一就是要采取有效的措施阻断辐射和传导耦合通道，包括时域或频域分隔。

按照电磁干扰的原理，电磁干扰的作用途径主要包括两大类，即辐射干扰和传导干扰。辐射干扰是指通过空间传播的电磁干扰，干扰源比较远，干扰源发出的干扰以电磁波的形式被接收。传导干扰是指沿电源线或信号线传输的电磁干扰，干扰源距离比较近，或干扰源经过耦合电容、耦合电感和公共阻抗等途径进入受干扰的设备。

1.辐射干扰

1）电磁波的空间特性

任何干扰源的本质都是产生电磁波，但产生的电磁波随时间和空间变化的规律不同。电磁波的时间特性可以用频谱特性描述，因为任意波形的电磁波都可以用傅里叶变换分解为无穷多个正弦波，各个正弦波的频率和幅度有所不同，因而构成了各自独特的频谱。

另一方面，电磁波具有很强的空间特性。电磁波从干扰源辐射时就已经具有了自身特定的状态，或者说具有自己的特性。

形成这种特性，一方面是由于辐射器件的形状及空间特性不同，另一方面是由于外界环境条件不同。例如，是否有大地影响，是否存在金属壳体、空间的导电和导磁特性等。

2）辐射干扰传播规律

在远区，电磁波在均匀媒质中能够以平面波、柱面波、球面波等形式向外辐射。

3）辐射干扰对设备的影响

干扰源的辐射场要经过空间传播过程才能到达受干扰设备。许多附加情况的出现使这个传播过程呈现极为复杂的局面，因而这个传播过程或耦合数值不可能准确地计算，而常常依靠实验测定。在设计阶段为了能定量描述，常常使用半经验的公式进行估算。

2.传导干扰

在近区的感应场区，电磁干扰主要是通过传导耦合的途径发生作用的。传导耦合主要有三种类型，即电容耦合、互感耦合和公共阻抗耦合。

1）电容耦合（静电耦合）

当两导体之间存在分布电容时，两根导线之间就会产生电容耦合。最常见、最基本的电容耦合就是两根互相靠近的平行导线。耦合电容的大小与两根导线的长度成正比，与导线间距离的平方成反比。随着两根导线间隔的增大，耦合电容迅速减小，因而影响也就迅速减小。因此，电容耦合只发生在干扰源与被干扰设备靠得很近的情况下，随着间距的增大，其影响将很快变成为次要因素。

在电子设备实际工作情况下，不只是平行导体之间存在着电容耦合，任意角度接近的导体之间都存在着电容耦合。

2）互感耦合（电磁感应耦合）

互感耦合发生在两个回路之间。当干扰线回路中有交变电流时，在回路中就会产生交变磁能。这种情形与电容耦合的情况不同，在电容耦合中，电磁干扰是以被影响导体和地之间存在噪声电流的方式起作用的，而在电磁影响中，电磁干扰是以噪声电动势或电压串联在被影响导体上起作用的。加大两导线间的距离，干扰影响减小不多，互感耦合的作用范围要比电容耦合的大很多。在屏蔽电缆中，导线与屏蔽层之间构造成同轴电缆的结构。当有电流流过屏蔽层时，只在屏蔽层外面的空间产生磁通，屏蔽层内部没有磁场。因此，导线回路所感受到的磁通与屏蔽回路所感受的一样多。为了防止导体上电流产生的磁场辐射，就必须用屏蔽导体将其包起来，并且将屏蔽导体两端接地。此时的磁屏蔽作用并不是因为屏蔽导体的磁屏蔽特性，而是因为在屏蔽导体上产生了一个回流电流，这个电流的磁场抵消了中心导体上的电流所产生的干扰磁场。工程上常常采用屏蔽电缆减少辐射，屏蔽导体接地的方式不同，产生的效果也不同。不加屏蔽时，辐射回路面积很大，辐射磁通很大。加了两端接地的屏蔽体，辐射回路面积大大减小，辐射磁通也大大减小；加了一端接地的屏蔽体，由于屏蔽一端接地，屏蔽回路没有电流，其情形同不加屏蔽的情况相同，辐射很大。因此，只有屏蔽体两端接地时，才能起到磁屏蔽的作用。

3）公共阻抗耦合（阻性耦合）

许多电气设备和元件都需要接地，但是地平面中充满着各种频率的杂散电流。有的设备或器件经接地点向地中注入高频电流，因而就会在大地中形成电场分布。如果大地是均匀的，注入的电流将均等地向四周流动，形成半球面形分布的电流密度。在地面上任一点距离入地点为r的地方就对无穷远处产生电位，同时，接地的系统中的不同地方就产生了感应电位差。在印制电路板上也会有类似的情况发生。

除了地中杂散干扰电流引起的电磁干扰之外，还可能因为接地导线在高频电流的情况下表现出很大的电感值，使本来可以忽略的阻抗表现出很大的数值，并且跨接在导线上的元件之间。由于流过公共阻抗的噪声或干扰电流的存在，电路间将互相影响，产生电磁干扰。 2.3电子设备电磁屏蔽设计

2.3.1概述

随着现代科学技术的迅速发展，电子设备或系统得到了越来越广泛的使用。运行中的电子设备大多伴随着电磁能量的转换，高密度、宽频谱的电磁信号充满了整个空间，构成了极其复杂的电磁环境，从而形成了电磁干扰。解决电磁干扰的一个很重要的方法就是对电子设备和系统进行电屏蔽、磁屏蔽或电磁屏蔽。

1.电磁屏蔽的意义

电磁屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能量传输的一种技术，是抑制电磁干扰的重要手段之一。从电磁场理论的观点可以认为，有两个电磁空间，在其分界面上存在一物体，如果因该物体的存在而能将这两个电磁空间看成是相互独立存在的，那么这个界面就被称为屏蔽，而分界面上所存在的物体就被称为屏蔽体。

2.电磁屏蔽的目的

电磁屏蔽的目的包括两个方面：一是限制某一区域内部的电磁能量泄漏出该区域，干扰外部的其他设备；二是防止区域外部的电磁能量进入区域内部，造成对内部设备的影响。

3.电磁屏蔽的分类

电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用，将屏蔽区域与其他区域分开，而这些作用是与屏蔽体结构表面上和屏蔽体内感应的电荷、电流以及极化现象密切相关的。按屏蔽原理，屏蔽可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。电场屏蔽（电屏蔽）是对电场耦合形成的干扰采取的屏蔽措施，电场耦合是由导体或电路间的分布电容形成的电场相互作用的结果，主要用于抑制共地电路之间的电场干扰，抑制寄生的电容耦合，包括静电屏蔽和交变电场屏蔽；磁场屏蔽（磁屏蔽）主要抑制寄生的互感耦合，电感性耦合是由于导体或电路的磁场相互作用的结果，包括静磁屏蔽和交变磁场屏蔽；电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频电磁场的空间传播的屏蔽措施，通常是指对辐射场的屏蔽，即对空间传输的交变电磁场的屏蔽。

4.电磁屏蔽效能

电磁屏蔽效果是用屏蔽效能来衡量的。屏蔽效能是指空间某点上未加屏蔽时的电场强度E0（或磁场强度H0）与加屏蔽后该点的电场强度E1（或磁场强度H1）的比值，用SE表示，即（2.1）

由于屏蔽前后场强相差的倍数很大，因而屏蔽效能的量值很宽，工程中常常以分贝（dB）为单位来计量，此时屏蔽效能表示为（2.2）2.3.2电场屏蔽

1.静电屏蔽

带电物体周围存在着电场，处在该电场中的其他物体会产生静电感应，受到静电干扰。当这种静电场的电场强度达到一定数值时就会击穿空气，发生放电现象,这种静电放电不仅会干扰电子系统的工作，而且可能造成器件损坏，影响设备正常工作，还可能引起其他更为严重的事故。

由于静电放电时必然存在放电电流，此电流对时间的变化率很大,因此，静电放电还将对邻近的电子设备造成辐射干扰，这种干扰属于宽带干扰。根据电磁理论可知，处于静电场中的导体，在静电平衡的情况下有以下性质：

（1）导体内部任何一点的电场为零。

（2）导体表面上任何一点的电场方向与该点的导体表面垂直。

（3）整个导体是一个等位体。

（4）导体内部没有静电荷存在，电荷只能分布在导体表面上。图2.4主动静电屏蔽图2.4（b）表示用球形导体壳B包围带电体A时的电力线分布。可以看出，除了导体壳B的壁内不存在电场外，其他区域的电场与图2.4（a）相同。这说明，单纯采用金属壳将带电体包围起来的方法并不能起到屏蔽的作用。

图2.4（c）表示将导体B接地的情况，此时导体B的电位为零，导体B外部的电力线消失，即带电体B所产生的电场被封闭在B导体内，从而达到了屏蔽的目的。因此，静电屏蔽时屏蔽体一定要良好接地，否则将起不到屏蔽的作用。上述静电屏蔽是将电场封闭在屏蔽体内，这种屏蔽叫做主动屏蔽。将电场挡在屏蔽体以外的屏蔽叫做被动屏蔽。被动屏蔽的静电屏蔽原理是，根据导体在电场中的性质，屏蔽导体的整个表面处于等电位，其内部空间就不存在电场，实现了对外界电场的屏蔽。为了使屏蔽体的电位与地电位相等，常常将屏蔽体接地。

2.交变电场屏蔽

设有一干扰源，它周围产生一交变电场。处在该电场中的其他电子设备（感受器）都会通过干扰源与其自身之间的分布电容受到干扰，这种干扰叫做电容性耦合干扰，实质上是一种电场感应，可用电场屏蔽来消除或减弱这种干扰。

图2.5说明了电容性耦合干扰原理。设A为一干扰源，其干扰交变电压为UA。在其附近有一感受器B，它与地之间的分布电容为C2，干扰源A与受感器B之间的分布电容为C1,UA、C1、C2通过地构成耦合回路，如图2.5所示。图2.5电容性耦合干扰原理

感受器B上产生的干扰电压为（2.3）从式（2.3）中可以看出，干扰源与感受器之间的分布电容越大，干扰越严重。为了减小这种干扰（减小UB），可使干扰源与感受器之间的距离尽可能远些，这样可以减小二者之间的分布电容，同时可将感受器（敏感元件）贴近金属板或地线布置，即尽量增大C2。当仍无法满足要求时，可采用电场屏蔽的方法。

在干扰源和感受器之间加一足够大的导体板S作为屏蔽体，如图2.6所示。C1’为放置屏蔽后干扰源与感受器之间的分布电容，由于屏蔽体足够大，C1’可不考虑。C3、C5分别为干扰源与屏蔽体、感受器与屏蔽体之间的分布电容，C4为屏蔽体与地之间的分布电容。图2.6静电屏蔽原理图（屏蔽体不接地）当屏蔽体不接地时，通过计算可以得到：（2.4）（2.5）

（2.6）

显然有C5>C1，因为屏蔽金属板离干扰源比感受器离干扰源更近，且屏蔽体的尺寸比感受器的尺寸大，比较式（2.3）和式（2.6）可以看出，加了不接地的屏蔽体后，不但没有起到屏蔽作用，反而增大了干扰。这是因为增加了不接地的导体板后增加了干扰源与受感器之间的耦合。

屏蔽体良好接地的情况如图2.7所示。图2.7静电屏蔽原理图（屏蔽体接地）当屏蔽体良好接地时，屏蔽体对地的电容C4趋向无穷大，屏蔽体的电位趋于零。感受器上的电压也趋于零，屏蔽体起到良好的屏蔽作用。但屏蔽金属板不是无穷大，A、B间存在剩余电容C1’，则：（2.7）如果感应源与感受器之间不是加屏蔽金属板，而是用金属壳体（金属罩）将感受器B封闭起来，并且金属罩良好接地，同样可以起到良好的屏蔽作用。这是因为金属壳接地后C2变为无穷大，由式（2.6）可得干扰电压趋于零。

3.电场屏蔽设计要点

根据以上分析可以得出如下结论：电屏蔽的实质是干扰源发出的电力线被终止于屏蔽体，从电路观点分析，屏蔽体起着减小干扰源和感受器之间分布电容的作用；屏蔽金属板不接地，不仅没有起到屏蔽作用，反而加强了耦合干扰；若金属板不是直接接地，而是通过导线接地，接地阻抗将影响屏蔽效能；若要提高屏蔽效能，可用金属罩代替金属板，并保证金属罩良好接地；布局时，应使干扰源和感受器尽可能远离；使敏感导线或元件贴近金属板或靠近地线布置。由此，在进行电场屏蔽时必须注意以下设计要点:

（1）屏蔽体必须良好接地。接地导线应尽可能短而宽，通常可采用带状引线，并进行焊接处理。

（2）正确选择接地点。屏蔽体接地点应靠近被屏蔽元件的入地点，以避免大的地电流。

（3）合理设计屏蔽体的形状。盒状结构的屏蔽体比板状结构屏蔽体的屏蔽效果好；全密封屏蔽体的屏蔽效果优于开有窗孔和缝隙的屏蔽体。

（4）应注意屏蔽体材料的选择。屏蔽体材料应选良导体，如铜、铝等。在高频时，屏蔽体表面应镀银。2.3.3磁场屏蔽

磁场屏蔽简称为磁屏蔽，用以衰减恒定磁场和低频磁场等产生的干扰，即抑制寄生的互感耦合。磁场耦合为互感性耦合，是导体或电路之间的磁场相互作用的结果。

在载有电流的导线或线圈周围都存在着磁场，如果电流发生变化，其周围就会产生交变的磁场。处在该磁场中的导线或线圈就会产生感应电动势，当这些导线或线圈构成闭合回路时就会产生感应电流。即使是恒定磁场，当处在该磁场中的导线或线圈发生振动或转动时，也会产生感应电动势或感应电流，这就是磁场干扰的原理。

减小磁场干扰的方法就是进行磁场屏蔽。磁场屏蔽包括静磁屏蔽和低频磁屏蔽（小于100kHz）。

1.静磁屏蔽

由于铁磁材料的磁阻比空气的磁阻小得多，磁力线集中于屏蔽体内,屏蔽体外的磁场变量很弱，从而达到磁屏蔽的目的。罐形磁芯就是应用了这种原理，用罐形磁芯做电感或变压器的磁芯具有较好的磁屏蔽作用。

2.低频磁场屏蔽

低频磁屏蔽的分析方法可以采用磁路的分析方法，也可以采用场的分析方法。（1）低频磁屏蔽可以利用铁磁性物质（如铁、硅钢片等）磁导率高、磁阻小的性质，对干扰磁场进行旁路，让磁场通过磁屏蔽体，从而减小外面的磁场，实现磁场屏蔽。（2）电场干扰是通过干扰源与感受器之间的分布电容耦合形成的，而磁场干扰则是通过干扰源与感受器之间的互感耦合形成的。干扰源的电流产生磁场，如果电流是交变的，则产生的磁场也是交变的。处于这种交变磁场中的回路就会产生感应电压。根据电磁场理论可以写出交变场产生的感应电压为（2.8）式中：M为两电路之间的互感；I为干扰回路中的电流；ω为时变场的角频率。

这种耦合是通过互感M进行的，所以这种干扰叫做电感性耦合干扰。

对于较高频率磁场（>100kHz～1MHz）的干扰，可以让屏蔽体内流过与干扰电流大小相等、方向相反的磁场，以抵消干扰磁场的影响。

3.磁场屏蔽设计要点

根据以上分析可以得出如下结论：频率较低时，利用屏蔽体对磁路的分路作用，可采用导磁率高的铁磁材料制成屏蔽体；频率较高时，利用屏蔽体对磁场的排斥作用，可采用导电性好的非磁性金属材料制成屏蔽体。因此，在进行磁场屏蔽时必须注意以下设计要点：

（1）根据屏蔽磁场的频率高低，正确利用屏蔽原理。

（2）合理选择、使用屏蔽体材料。

（3）合理设计屏蔽体的厚度。

（4）合理布置接缝与磁场的相对位置。

（5）正确布置通风孔洞。

（6）合理选择屏蔽体结构与工艺。2.3.4电磁屏蔽

随着频率的增高，一些有源器件的辐射能力增强，产生辐射电磁场。若感受器距干扰源较远，这种场可视为远场干扰，电场、磁场均不能忽略，因而就要对电场和磁场同时屏蔽。设备内部在高频频段也有可能形成远场干扰，可采用良好的导电材料作为电磁屏蔽材料，同时具有对电场和磁场的屏蔽作用。

电磁屏蔽的目的是限制电子设备或系统内部辐射的电磁能量对外泄漏；防止外部的辐射干扰进入电子设备内部。

1.电磁辐射干扰源

电磁辐射干扰源归纳起来主要包括两类：第一类是电偶极子（基本电振子）辐射；第二类是磁偶极子（基本磁振子，即小电流环）辐射。对于近区场，电偶极子为高阻抗源，干扰场以电场为主；磁偶极子为低阻抗源，干扰场以磁场为主；对于远区场，电偶极子和磁偶极子辐射场的性质相同，都可视为平面电磁波。

2.电磁屏蔽原理

电磁屏蔽可以用金属板或金属罩将感受器和感应源分隔，并可靠接地来实现。

设有一厚度为t的无限大金属板将空间分为两部分，感应源和感受器分别位于这两个空间中。设定感应源在左部，感应源发出的高频电磁波P自左向右传播至金属板的左表面。

由于空气和金属材料是两种不同的介质，高频电磁波在金属板的左表面产生反射，一部分电磁波P1（反射波）因反射向左传播，另一部分电磁波P2进入金属内部，继续向右传播。电磁波P2经过厚度为t的金属板后衰减为P3，在金属板的右界面，又有一部分电磁波P4反射回金属板向左传播，另一部分电磁波P5穿过右界面继续向右传播。图2.8电磁屏蔽原理

3.电磁屏蔽的计算

屏蔽效能的计算属于求解电磁场的边值问题，一般情况下，只能求解几种形状较为规则的屏蔽体（无限大金属平板、导体球壳等），得出一些结论和公式，求出其近似解。

1）电磁屏蔽效果的计算

设金属板的吸收损耗为A，反射损耗为R，则屏蔽效果S可表示为（2.9）可见，电磁波的反射和吸收损耗越大，电磁屏蔽效果越好。（1）反射损耗计算。

当感应源到金属屏蔽板的距离较近时，则传到金属板的电磁波为球面波，即为近场。

若此时感应源是高电位小电流元件（如偶极子天线，输出为高阻抗），则近场主要是电场，其反射损耗公式为：（2.10）式中：R为金属板的反射损耗（单位为dB）；r为感应源到屏蔽金属板的距离（单位为m）；f为感应源的频率（单位为Hz）；σr为金属材料对铜的相对电导率；μr为金属材料对真空（空气）的相对磁导率。若此时感应源是低电位大电流元件（如环形天线，输出为低阻抗），则近场主要是磁场，其反射损耗公式为（2.11）当感应源到屏蔽金属板的距离较远时，则传到金属板的电磁波可视为平面波，即为远场。远场的反射损耗公式为（2.12）可见，反射损耗的大小不仅与电磁波的频率有关，还与金属板的形状及其与感应源的距离有关。（2）吸收损耗计算。

通过分析、计算，可得到金属板的吸收损耗的公式为（2.13）式中：A为金属板的吸收损耗（单位为dB）；t为金属板的厚度（单位为mm）；f为感应源的频率（单位为Hz）；σr为金属材料对铜的相对电导率；μr为金属材料对真空（空气）的相对磁导率。可见，吸收损耗的大小与屏蔽金属板的厚度、电导率和磁导率有关。几种常用金属材料的相对电导率和相对磁导率及屏蔽厚度的典型值如表2.2所示。(3)屏蔽罩厚度计算。

根据式（2.13）整理可得屏蔽罩厚度计算公式为（2.14）

表2.2常用金属材料的相对电导率、

相对磁导率及屏蔽厚度的典型值

2）设计举例

例2.1假设某感应源的工作频率为1MHz，若用铝做屏蔽盒，要求屏蔽效果为200dB，求屏蔽盒所需厚度。

解本例是对感应源的屏蔽，电磁波在屏蔽盒的内部，盒外的电磁场是盒内的电磁场经屏蔽盒的吸收损耗后穿出的电磁场，故在设计屏蔽盒的厚度时，必须保证吸收损耗在200dB以上方可，即A=S=200dB。从表2.2可查得σr＝0.63，μr＝1，则根据吸收损耗的计算公式可得铝制屏蔽盒的厚度应选用1.92mm以上。

4.电磁屏蔽设计程序

(1）确定屏蔽效能值。

根据电子设备或系统中电路单元、部件的工作环境和电磁兼容性要求，提出确保电子设备或系统正常运行所必需的屏蔽效能值。

（2）确定屏蔽类型。

根据所需的屏蔽效能值确定屏蔽类型。对于屏蔽要求不高的设备，可采用导电塑料制成的机壳壳体；对于屏蔽要求高的设备，可采用薄金属板制成的机壳壳体；对于屏蔽要求很高的设备或部件，则应采用双层屏蔽或多层屏蔽结构。（3）确定屏蔽体的尺寸、形状和结构。

根据屏蔽体的功能、允许的屏蔽空间，确定屏蔽体的尺寸、形状和结构形式。

（4）确定屏蔽体的材料和壁厚。

根据干扰场源的特性和所处的场区，合理选择屏蔽体的材料、壁厚，设计时应留有一定的余量。

（5）进行屏蔽体的完善性设计。

5.屏蔽体结构设计要点

（1）电磁场的屏蔽对屏蔽盒的要求较高，屏蔽罩应将被屏蔽的元器件全部封闭起来，以保证良好的屏蔽效果。

（2）为了抑制电磁干扰，高频电路的线圈应装在由导电性能好的铜或铝制作的屏蔽罩中。屏蔽体应妥善固定，并注意高频线圈在屏蔽盒内的安装方向。

（3）屏蔽体应保证较高的严密性，防止高频电磁波泄漏。

（4）被屏蔽的元件或电路如果产生较大的热量，设计屏蔽罩时应考虑散热。可将屏蔽罩涂黑处理，也开设通风小孔，以利于散热。 2.4电磁兼容测量方法

2.4.1电磁兼容测量基本概念

随着电子技术的迅速发展，电子设备得到了广泛的应用，治理电磁环境污染和进行电磁兼容性设计已引起各行各业的广泛关注。电磁兼容性（EMC）已成为评价电子产品的技术指标或性能指标的依据。

为了测量和消除电磁干扰，必须弄清干扰传播的途径和干扰的机理，对各种干扰现象迅速地做出判断，采取正确的措施消除干扰。

1.电磁干扰的形成条件

形成电磁干扰必须同时具备三个条件：

（1）干扰源（感应源）：会产生电磁干扰的元器件和电路；

（2）接收器（感受器）：对电磁干扰敏感的元器件和电路；

（3）传播途径：电磁干扰从干扰源传播到接收器上的途径。

2.电磁干扰的传播途径

电磁干扰的传播途径分为两种：传导干扰和辐射干扰。

传导干扰是干扰信号通过金属线路传播的，即干扰源和接收器之间有完整的电路连接，包括导线、供电系统、公共阻抗、设备机壳、金属支架、接地线、变压器、互感和电容等集中元器件。只要共用一个返回通路，将两个电路直接连起来，就会形成传导干扰耦合。

辐射干扰是干扰以电磁波的形式通过空间传播的。

通常用传导发射和辐射发射来描述电子设备的发射特性，用传导敏感度和辐射敏感度来描述电子设备的接收特性。任何一部电子设备可能既是发射器，又是接收器，都可以从这四个方面来描述其电磁兼容性，电磁干扰传输过程如图2.9所示。图2.9干扰传播途径及测试类型示意图2.4.2电磁兼容性测量目的及分类

1.测量目的

电磁兼容性测量就是要找出干扰源、干扰途径以及抗干扰的程度，采用屏蔽、滤波、接地等措施，抑制电磁干扰，消除或减弱干扰耦合，增强敏感电路的抗扰度。

电磁干扰种类繁多，不同的电磁干扰具有不同的频谱和传播途径，应采取不同的抑制措施。在一个系统内大量的元器件都处在很小的空间中，元器件之间以及导线之间距离很近，通过电磁场产生的耦合可以看成是近场。线路特性是随着频率变化而变化的，频率较低时，可将传输线视为集中参数回路，但在高频时，就必须考虑分布参数和集肤效应，因此在处理电磁干扰时，导线不能视为纯导体，还应考虑其阻抗特性。电磁耦合的程度取决于自感、互感和耦合电容的大小等。

2.测量条件

EMC测试必须有精确的测量仪器，还要具备符合要求的测量实验室（或场地）和规定严格的测量方法。没有合格的测量场地和不按规定的测量方法进行测试，即使有了精确的测量设备也测不准确。

不同的电子设备和不同的使用场合，依据的测量标准也不一样。要测量某一电子设备的EMC性能，首先要确定测量标准，标准确定后测量方法和测量设备及测量场地也就确定了，因此，EMC测量必须具备测量标准和规范、测量设备和测量场地。

3.测试分类

电磁兼容性测试根据标准的不同，有许多种测量方法，归纳起来可分为四类：传导发射测试、辐射发射测试、传导敏感度（抗扰度）测试和辐射敏感度（抗扰度）测试。四种测试方法之间的关系如图2.9所示。

EMC测试根据产品的不同研制阶段可分为预兼容测试和标准测试两种。预兼容测试是在产品研制过程中进行的，使用的测量仪器比较简单，目的是确定电路板、机箱、连接器等是否有干扰产生或电磁泄漏，部件组装之后其周围是否有较大的辐射电磁场，以及确定干扰发射源的位置和敏感部件周围的电磁环境，以便有针对性地采取EMC改进措施，选择合适的器件和方法，限制干扰源，保护敏感器件，达到相互之间的电磁兼容性。

标准测试通常在产品的完成、定型阶段进行，按照产品对应的测量标准要求，测试产品的辐射发射和传导发射是否在标准规定的极限值以下，抗干扰能力是否达到标准规定的限值。此类测试考核产品整体的电磁兼容性指标，使用标准规定的测量仪器和测量方法。2.4.3电磁兼容测量方法

1.测试步骤

确定并进行一项EMC测试实验，应遵循一套程序来实现，通常有以下几个步骤。

（1）制定试验大纲和测试细则。

试验大纲通常由用户方制定，根据被测件的性质、用途、分类提出测试要求，确定实验的等级、测试的范围（如频段、场强等）、使用的标准、被测件的数量、工作的状态、敏感性监测的方法等，以指导试验的进行和设计，编写测试细则，也可作为存档的资料。测试细则通常由测试方编写，根据被测方试验方案给出的信息及提出的测试项目，安排测试有关事宜，从不具破坏性的传导发射和辐射发射测试开始，需要处理、剥开电源线或因施加干扰可能导致被测件出现故障以致损坏的抗扰度测试项目通常放在最后进行。对小型测试，只测单台仪器或摸底测试，可不做书面的测试细则（比如完全按标准进行），但以上安排仍然存在。（2）确定所依据的标准。

可根据产品的分类，按照相应的测试标准进行EMC测试，测试标准中包含两方面的信息：一是测试要求，它给出产品必须符合或满足的极限值；二是测试方