EMC第二章 电磁兼容测试的基础知识

1、1,第二章电磁兼容测试的基础知识 主题内容： 电磁干扰与电磁敏感度 传导干扰与辐射干扰模型 测量值的基本单位 测量接收机 定量测试与环境电平 测试系统中干扰及其形成机理（补充1） 信号完整性问题及其解决方法（高速数字系统中的信号完整性及其产生机理）（补充2） 印制板与整机/系统在辐射干扰及传导干扰的规定值的理解与执行方面的差异（补充3）,2,第一节 电磁干扰与电磁敏感度 一、 定义 由电磁骚扰源发射的电磁能量，经过耦合途径传输到敏感设备，这个过程称为电磁干扰效应。因此，形成电磁干扰后果必须具备三个基本要素。 所有形成的电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生的。它们是：电磁干扰源；对该干扰能量敏感

2、的接收器；将电磁干扰源传输到接收器的媒介，即传输通道。相应地对抑制所有电磁干扰的方法也应由这三要素着手解决。 电磁干扰由电磁骚扰造成的一个器件、一台设备或一个系统的性能下降。 电磁骚扰可能引起一个器件、一台设备或一个系统性能降级的任何一种电磁现象。 注意：电磁干扰与电磁骚扰定义区别和内在关系！,3,(1)电磁骚扰源 任何形式的自然现象或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其他设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，这种自然现象或电能装置即称为电磁骚扰源。 (2)耦合途径 耦合途径即传输电磁骚扰的通路或媒介。 (3)敏感设备 敏感设备是指当受到电磁骚

3、扰源所发射的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。 需要强调的是：许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁骚扰源又是敏感设备。,4,为了实现电磁兼容，必须从上面三个基本要素出发，运用技术和组织两方面措施。 所谓技术措施，就是从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有效的技术手段，抑制骚扰源、消除或减弱骚扰的耦合、降低敏感设备对骚扰的响应或增加电磁敏感性电平； 所谓组织措施就是对人为骚扰进行限制，并验证所采用的技术措施的有效性。同时还必须采取、制订和遵循一套完整的标准和规范，进行合理的频谱分配，控制与管理频谱的使用，依

4、据频率、工作时间、天线方向性等规定工作方式，分析电磁环境并选择布置地域，进行电磁兼容性管理等。,5,二、 电磁环境 电磁环境是提出和确定设备或系统电磁兼容设计指标要求，实施电磁兼容的前提。不同的电磁环境对电磁兼容指标的要求也不一样。 电磁环境由各种电磁骚扰源组合而成。因此，电磁环境即设备、分系统或系统在执行任务时，可能遇到各种电磁骚扰源的数量、种类分布以及在不同频率范围内功率或场强随时间的分布等有关电磁作用状态的总和。 同时，在分析电磁环境时，还应考虑骚扰脉冲的重复频率、脉冲宽度、频谱覆盖范围、骚扰源天线主瓣和副瓣以及极化等因素。,6,电磁环境的有害影响主要表现形式为： 接收机等敏感设备性能降

5、级； 机电设备、电子线路、元器件等误动作； 烧毁或击穿元器件； 电爆装置、易燃材料等意外触发或点燃等。 电磁环境产生有害影响的基本途径是：预期和非预期发射通过敏感设备的接收通道，如天线、传输线、电源线、壳体等进入系统，以及对非预期能量的响应或由于非预期响应而进入系统。消除这种有害影响的方法主要是设备或系统的EMC设计以及频谱管理等组织措施和技术措施。 电磁环境分析主要是分析骚扰源、骚扰特性和类型、综合电磁环境的电平危害等级、区分导致性能降级的环境电平和造成永久性损坏的电平，特别是估计最恶劣的环境电平。,7,三、 电磁干扰的特性与分类 （一）电磁骚扰的特性 电磁骚扰的特性主要由以下七项参数描述：

6、 1规定带宽条件下的发射电平 长期以来，一直延用宽带或窄带发射的概念，也就是将大于参考带宽的骚扰或信号认为是宽带的，而将小于参考带宽的骚扰或信号认为是窄带的。这里，参考带宽即测量仪器的带宽或分辨率带宽。 由于对这个概念的理解很不一致，因而出现操作不一致的现象。为了避免因此而引发的问题，逐渐倾向于取消宽带和窄带的概念，而规定固定带宽，并将所有频域极限值用正弦波等效均方根值(RMS)表示，对所有发射极限值进行鉴定。 规定带宽条件下的发射电平就成为电磁骚扰的重要特性。,8,2频谱宽度 按照电磁骚扰能量的频率分布特性，可以确定其频谱宽度。连续波骚扰中，交流声骚扰的频谱宽度最窄，而脉冲骚扰中，单位脉冲函

7、数的频谱宽度最宽。 频谱宽度是决定电磁骚扰频率范围的重要指标。 3波形 电磁骚扰有各种不同的波形。波形是决定电磁骚扰频谱宽度的一个重要因素。以脉冲波形为例，由于脉冲频谱中的低频含量主要取决于脉冲的面积，而高频含量与脉冲前后沿的陡度有关，前后沿越陡，所占频谱宽度就越宽。因此，从减小骚扰的角度考虑，脉冲前后沿时间应尽可能缓慢。,9,4出现率 电磁骚扰场强或功率随时间的分布与电磁骚扰的出现率有关。按电磁骚扰的出现率可分为周期性骚扰、非周期性骚扰和随机骚扰三种类型。 周期性骚扰是指在确定的时间间隔内能重复出现的骚扰； 非周期性骚扰虽然不能在确定的周期内重复出现，但其出现时间是确定的，而且是可以预测的；

8、 随机性骚扰则不能按预测的方式出现和变化，它般采用概率论的统计方法进行描述。 周期性骚扰和非周期性骚扰一般都是功能性的，即为了用于某种特定的目的而产生的骚扰，如电源产生的交流声骚扰，指令脉冲产生的骚扰等；随机骚扰可能是一种冲击噪声，如内燃机电火系统、马达电刷产生的电火花等，也可能是热噪声或热噪声与冲击噪声的组合。,10,5辐射骚扰的极化特性 极化特性指在空间给定点上，骚扰场强矢量的方向随时间变化的特性，取决于天线的极化特性。当骚扰源天线和敏感设备天线极化特性相同时，辐射骚扰在敏感设备输入端产生的感应电压最强。 6辐射骚扰的方向特性 骚扰源朝空间各个方向辐射电磁骚扰，或敏感设备接收来自各个方向的

9、电磁骚扰的能力是不同的，描述这种辐射能力或接收能力的参数称为方向特性。 7天线有效面积 这是表征敏感设备接收骚扰场强能力的参数。显然，天线有效面积越大，敏感设备接收电磁骚扰的能力也越强。,11,（二）分类 电磁干扰的分类方法很多，常见的有： 按照发生源划分-干扰源的性质 内/外自然/人为 按照传播路径划分 -传导/辐射 按作用时间划分-连续干扰、间歇干扰和瞬变干扰。 4按频带划分 -窄带干扰和宽带干扰。,12,电磁干扰源类别干扰源的性质,自然干扰源类别,人为干扰源类别,13,内部干扰源类别,干扰传输路径,14,图 干扰传播路径的复杂性,15,其它分类： 按照干扰的产生原因划分 例如：造成数字电

10、路工作不正常的干扰可分为： 电源干扰 反射 振铃（LC共振）：上冲、下冲 状态翻转干扰 串扰干扰（相互干扰、串音） 直流电压跌落。,16,其它分类： 按照设备工作电源的干扰类型 造成开关电源质量下降的干扰分为： 出现在输出端子上的干扰（电流交流声，尖峰脉冲噪声，回流噪声）； 影响内部工作的干扰（开关干扰，振荡，再生噪声） 造成交流电源质量下降的干扰分为： 高次谐波干扰； 保护继电器，开关的震颤干扰； 雷击浪涌干扰； 尖峰脉冲干扰； 喷射环电弧。,17,四、 电磁干扰量值的表征 电磁干扰的表征基本上有两种： 频域表征：用与频率有关的频谱特性来表示； 时域表征：用与时间有关的特性来表示； （幅值、

11、前沿、宽度等）,例如：构成电磁干扰的场源很多，按频谱划分，则可粗略分为以下五类： (1) 工频干扰； (2) 甚低频干扰； (3) 载频干扰： (4) 射频、视频干扰 (5) 微波干扰,18,五、 电磁敏感度特性 关于电磁敏感性，GB/T4365 是这样定义的： 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。 从测量和测试的角度看，我们所关心的是一些敏感设备在遇到辐射或传导干扰时，其工作状态会发生怎样的变化。 电磁敏感度特性测试关注的是被测件刚刚出现性能降低时外部施加的干扰量！,19,第二节 传导干扰与辐射干扰模型 一、传导干扰与传输通道模型 电磁干扰源中的2大类： 传导干扰

12、和辐射干扰 传导干扰：是指沿着导体传播的，所以任何导体，如导线、传输线、电感器、电容器等都是传导干扰的传输通道。 形成干扰的主因有不带任何信息的噪声及带信息的无用信号。,20,1、 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和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接收器产生干扰。电磁噪声传导干扰源指的是不带任何信息的电磁噪声对接收器产生的干扰。 例如：电源开关的瞬间产生的火花对一个敏感电路就可能会产生干扰。 一个带信息的信号在一个通道中是有用的信号，如果它进入别的通道中去，就是带信息的无用信号，将对别的通道形成干扰。 由此看出，任何一个电子设备都可能成为

13、一个干扰源。,21,2、 传导电磁干扰传输通道 传导电磁干扰的途径称之为传导电磁干扰传输通道。传输通道能把（传导）干扰源所产生的电磁干扰沿着传输通道线路传给接受器的输入端，并且在接受器中产生相应的干扰电流和电压。电磁干扰传输通道是电磁干扰三要素之一，因此，研究电磁干扰传播问题就是研究分析干扰源和接受器之间的传输途径问题。 传导电磁干扰传输是指设备或电路与其他设备或电路之间的电联系，这种传输能把一个设备或电路中的电流和电压，通过传输途径在另一个设备或电路里产生相应的电流或电压。 因此传输起着把电磁能量从一个设备或电路传送到另一个设备或电路中去的作用。,22,3、传导电磁干扰频谱 任何种类的干扰都

14、与干扰源的功率、频率有关。这里需要讨论频率问题传导干扰信号的频谱。测量表明，传导干扰信号的频谱由最低可测的频率到1GHz以上的频段都有出现。,通常情况下，频率最高为几十MHz以下，这是因为当频率升高时，由于导体损耗以及布线电感和分布电容的作用，使传导电流大为衰减。,常见的传导干扰源及传导干扰频谱范围,23,4、抑制传导干扰的有效办法 构成干扰的三要素是干扰源、传输通道、接收器。因而，抑制传导干扰也应从这三个方面着手研究。 A）传导干扰源的处理 (1)如果传导干扰源是产生强电磁场元件，如线圈、变压器等，在布置时应远离接收器或加以屏蔽。 (2)如果传导干扰源是频率相同的电路，如接收机的高频放大、输

15、入及振荡电路，它们之间的交链容易引起自激振荡，因此布置应相隔远些。 (3)移去对系统工作无用的、有潜在的干扰设备的电源。 (4)应尽可能使设备工作在设计曲线线性最好的部分，以便输出所含谐波分量最小。,24,25,(5)如果干扰源的工作波形是脉冲形状，应控制跃变时间。因为当脉冲上升沿较慢且持续时间较长时，产生的电磁干扰最小，随着脉冲宽度减少且上升时间缩短，脉冲中的高频成分的幅度将增加。 所以一个控制装置或其他脉冲的上升时间只需快到能在指定的时间内保证可靠工作即可。 不要使振荡器和开关器件的工作速度高于性能所需要的速度。 (6)电弧放电：当两个物体之间的电位差大到足以使它们之间的绝缘击穿时就会产生

16、电弧。因此要尽量避免出现电弧放电。 电弧放电的能量取决于产生放电现象的触点闭合的形式，因而要选择好触点的形式。,26,B） 传输通道的处理 (1)缩短电磁干扰传输通道的长度，使电路中的导线尽量短； (2)将带有电磁干扰的导线和元件与连接接收器的布线隔离； (3) 将带有电磁干扰的元件的回线与接收器回线隔离开来； (4)用粗的隔离线和隔离套来减少级间的电容耦合； (5)各级电路的连接导线应尽可能缩短，尤其是高频电路布置； (6)对高频电路，应尽量避免平行排列导线，特别不能像低频电路那样将各种导线扎成一束。一些可能引起交链的导线，如晶体管c、b极引出导线，放大器的输入输出导线，应尽量避免相距过近和

17、平行排列；,27,(7) 减小引线电感，以使感应电压减到最小。当频率升到高频时，引线会呈现串联电感，甚至合成电阻也会出现引线电感，这些电感再加上杂散电容则可能形成并联谐振回路。由于介质损耗电容器也会呈现串联电阻，并有引线电感，因此，在设备的布线设计时，必须十分注意，以减少这些效应； (8)产生电磁干扰的元件应尽量靠近与它们相关联的负载，以使耦合路径最短； (9)由同一电源总线馈电的几个设备之间，必须用旁路电容去耦。在干扰极严重的情况下，可以用齐纳二极管或分别供电的方法来隔离设备间的耦合。有时需要对潜在的干扰源(如触发器及其他数字电路)和敏感器件(如低电平场效应晶体管放大器)专门去耦； (10)

18、滤波器对于防止干扰以及把信道中的能量输送到指定的设备上是很重要的。例如，电源线滤波器应该安装在靠近直流电动机处，把型滤波器接到电动机上能使射频电流和电动机的地短接。,28,C） 接收器处理 (1) 尽量少用低电平器件，只使用完成任务所需的灵敏度。 (2)移去那些在系统工作时不需要的接收器的电源。 (3)对电磁场感应敏感的接收器如果可能的话可加屏蔽。,传导干扰源的处理方法同样适用于接收器！,29,D）高速/高频电路版（PCB）电磁兼容设计举例 系统时钟速度的提高 布线密度的提高 信号完整性问题 EMC中的串扰、非预期响应 ,建立元器件的仿真 模型,假设性仿真确定布线参数约束,系统布线及线仿真,板

19、级仿真,PCB传输线效应 高速信号电路设计,PCB高速信号布线 PCB高速时钟信号布线 BGA封装的焊盘设计,30,例：当骚扰源（系统1输出）与受害者（系统2输人）共用一个地时，则由于A的输出电流流过XX段的公共阻抗，在B的输人端产生电压。公共阻抗仅仅是由一段导线或印制板走线产生的。 因为导线的阻抗呈感性，因此输出中的高频或高didt分量将更容易耦合。当输出和输人在同一系统时，公共阻抗构成乱真反馈通路，这可能导致振荡。,补充举例,31,解决方法如图所示，在这个方法中，分别连接两个电路，因而在两个电路之间没有公共通路，也就没有公共阻抗。这个方法的代价是多用一根导线。这个方法可用于任何包含公共阻抗

20、的电路，例如电源汇流条连接。大地是公认的最常见的公用阻抗因素，但在电路图中表示不出来。,补充举例,32,二、辐射干扰源及辐射干扰源数学模型 （一） 辐射干扰 辐射干扰是指以电磁波形式传播的干扰。这类干扰的能量是由干扰源辐射出来，通过介质(包括自由空间)以电磁波的特性和规律传播的。是否构成辐射干扰，应由构成辐射干扰的三要素来考虑： 辐射干扰源向外辐射能量的特性，如方向性、极化、调制特性、带宽等； 辐射干扰传输通道，即介质(包括自由空间)对电磁波能量的损耗程度； 辐射干扰接收器的敏感度以及方向性、极化、选择性、带宽等。,33,1、 辐射干扰源 构成辐射干扰源有两个条件： 一个是有产生电磁波的源泉；

21、另一个是能把这个电磁波能量辐射出去的装置。 不是任何装置都能辐射电磁波，其结构必须是开放式的，几何尺寸和电磁波的波长必须是在同一量级的。显然，各种天线是辐射电磁波最有效的设备。 除此之外，任何布线、结构件、元件、部件满足上述辐射条件时，都可起着发射天线与接收天线的作用，即产生天线效应。,34,例： 辐射发射本身可以分为来自内部印制电路板或其它导线的发射，以及连接设备的外部电缆上的共模电流发射。通常，辐射（高频）和传导（低频）之间的分界点在30MHz，发射又分为系统产生的辐射发射和以共模电流形式出现在接口和电源电缆上的传导发射。,补充举例,35,例：来自印制电路板的辐射 在多数设备中， PCB发

22、射源是其电路（时钟、视频和数据驱动器及振荡器等）中流动的电流。来自PCB的辐射发射可用载有骚扰电流的小环天线模型描述。 当小环尺寸接近4时，环路上不同点的电流相位是不同的，这个效应可在指定点上降低场强。而在某些点上会加剧。 当一个环路在地平面上时，在距环路10m处的最大电场强度与频率的平方成正比： E=26310-12 f2AIS 利用公式可粗略地预测已知PCB是否要加额外的屏蔽。 例如，若A10cm2，Is20 mA，f= 50MHz，电场强度 E为 42dBVm，它超过了欧洲 B级极限值 12dB。如果频率和工作电流是固定的，并且环路面积不能减小，则屏蔽是必要的。,补充,问题思考：如何减小

23、PCB的数字辐射？,36,例：来自电缆的辐射,补充,问题思考：如何减小电缆的辐射？,37,VHF频段的辐射耦合主要由电缆辐射决定，常用的电缆在30100MHz范围内辐射效率比PCB结构要高。这种干扰电流是由PCB 上或设备中其它地方的地噪声产生的共模电流，共模干扰电流可能沿导体或沿屏蔽电缆的屏蔽体流动。 电缆在较低频段的辐射模型是地平面上的短单极天线。在10m处的电场强度与频率成正比： E=1.2610-4 f L IS 对于 1米长的电缆，如果在10m处场强小于42dBVm，则共模电流必须小于 20A。,补充,例：电缆辐射,38,辐射干扰源分类： 如同传导干扰一样，辐射干扰源也有信息辐射干扰

24、源和电磁噪声辐射干扰源之分。 信息辐射干扰源指的是带有信息的无用信号通过辐射对接收器进行干扰。 电磁噪声辐射干扰源指的是不带任何信息的电磁噪声通过辐射对接收器进行干扰。,39,A） 信息辐射干扰源 常见的信息辐射干扰源有发送设备、本地振荡器、设备功能的非线性等5类。 (1) 发送设备： 发送设备通过发送天线辐射出去，有时通过编织屏蔽层和通风管道辐射出去，通过连接电缆向外辐射。 (2) 本地振荡器： 本地振荡器和混频器通常是由传输线及波导相连接的，这种传输线和波导，若屏蔽不好或者匹配不好，都会有电磁波能量向外辐射的。另外还有本地振荡器连接线向外辐射。,40,(3) 设备功能非线性产生的辐射： 所

25、谓设备功能非线性所产生的辐射干扰，指的是电路中器件工作在非线性状态时所产生的干扰。如丙类放大器、检波器、混频器等都工作在器件的非线性状态，它们的输出端将产生不希望有的谐波分量和互调产物。 （4）信息技术设备自身辐射干扰 信息技术设备的作用有两个：一个是接收输入数据；另一个是对接收的输入数据作处理后再输出。信息技术设备的电源端与人机界面端都会引起辐射干扰。这种辐射使得在一定距离内被截获，造成机密的严重泄漏。,41,(5)核电磁脉冲辐射 爆炸核武器时，核辐射与周围环境相互作用，使带电粒子强烈运动，由此产生核电磁脉冲。 这种强脉冲的突出特点是： 脉冲上升时间极短，仅有10ns左右； 频谱极宽，由超长

26、波到微波波段的低端； 脉冲的场强极强，电场强度为105vm，磁场强度为100Am； 脉冲释放的能量极大，可为4x109J。 这样强大的核电磁脉冲所产生的干扰和破坏作用是极其严重的。,42,核电磁脉冲辐射的危害： 如果电子设备或系统天线直接接收核电磁脉冲，则： 最轻的是干扰有用信号，影响工作； 严重的则因焦耳热使电子系统受到损伤和破坏。 核爆炸的同时将产生X射线、射线、粒子和核电磁脉冲，使大气发生异常电离，并形成附加电离区和骚扰电离层，其结果会造成电波传输的衰减、折射和反射等，将严重影响通信设备正常工作。 核电磁脉冲能传播很远距离，比核辐射本身传播的距离还远，所以核电磁脉冲干扰、损伤和破坏区域极

27、广。,43,B） 电磁噪声辐射干扰源（十六类） (1) 银河系无线电辐射； (2) 太阳无线电辐射； (3) 大气中的无线电辐射； (4) 闪电和雷暴的电场； (5) 大气中的电流电场； (6) 大地表面的电场； (7) 大地内部的电场； (8) 大地表面磁场； (9) 大地磁层。 大地表面磁场和大地磁层一起称为自然磁场。,44,(10)电力线路辐射干扰源 主要产生两种辐射干扰： 一种是绝缘子两端局部放电所产生的脉冲，其频率在100MHz以上，而且直接向空间辐射，这种干扰的特点是在电压低于100kV的线路上，雨天、潮湿天干扰弱，而在风天、干燥天干扰强； 另一种则是输电线电晕放电效应，产生放电的

28、原因是在尖形电极的顶端附近，由于电位梯度大可产生火花放电，这种干扰的频率在数兆赫以下，可以直接向空间幅射或者沿传输线传到较远的距离，这种干扰的特点是在电压高于100kV的线路上，雨天、潮湿天干扰强，而在风天、干燥天干扰弱。 电力线辐射干扰对电子设备的干扰可分为两方面，一方面电力线产生的辐射干扰在空间传输时遇到配电线路、有线广播线路、通信线路等传输系统，干扰通过耦合后沿着这些系统传输；另一方面则是干扰沿电力线传输，这会影响中波和长波的广播和通信。,45,补充举例,46,国家标准电磁辐射防护规定（GB 870288）中 规定的公众辐射限值为,补充举例,47,(11) 荧光灯辐射源 荧光灯接通后电击

29、穿会产生射频干扰。这种射频干扰可从荧光灯本身或者电源线辐射出去。荧光灯外壳正确接地可以很好地减少其辐射干扰。 (12) 降物静电放电辐射干扰 所有飞行器上产生的电荷以电晕放电形式放掉或者对地以电弧形式放掉，这就是所谓降物静电放电。静电放电产生的电压在4x104106V之间，是一种从低频到中频具有连续频谱的宽带干扰。这种干扰的效果轻者造成干扰，重则可造成飞行器的失事。,48,(13) 人体静电放电干扰 由人体积累的电荷照样能形成静电放电辐射干扰。它可以构成对电子设备的金属部分直接放电，或者通过放在机器的工作台等金属部件放电而产生对设备的干扰。当人体积累的电荷较多时，静电放电的电流脉冲峰值可以达到

30、20A，这将严重影响电子设备的正常工作。,(14) 机动车干扰源 机动车包括电气火车、(电动)汽车、有轨/无轨电车等。 干扰源包括点火装置、发电机、稳压器、灯开关、电动机、喇叭以及车顶上的集电器等。集电器在车顶上沿着架空线滑动，有时发生跳动使集电头瞬间离开架空线而引起打火生成脉冲干扰。 当频率在100MHz以下时，汽车的噪声是垂直极化的，其电平为正态分布。点火装置是最强的宽带干扰源，其频率在10100MHz范围内并有相当大的场强。,49,(15) 周围介质的非线性效应 金属表面由于被腐蚀或者沉积化学物等原因，在表面上形成各种各样非线性电阻接点。这种非线性电阻的作用就可以等效成为一个混频器，其结

31、果会使不同信号频率同时作用到此金属表面，从而产生互调产物。然后互调产物再次辐射构成辐射干扰。 (16) 工业、科学和医疗设备的辐射干扰 这种辐射干扰的设备应包括工业加热设备、医疗加热设备、超声波发生器、微波发生器等。这些设备可以辐射各种频率的电磁波形成辐射干扰。,50,2、 辐射干扰源数学模型 所有的电磁辐射干扰源按辐射形式可归纳为两大类：基本形式和标准形式。 基本形式： 基本形式包括电偶极子(电流元)和磁偶极子(磁流元)辐射。 （1）电偶极子辐射数学模型 电子设备中的电路连接导线和印制电路板上每根金属线，它们的长度与电磁波的波长相比为同一数量级或以上时，可以起到发射天线和接收天线的作用；,5

32、1,在100MHz处，1米长的导体就是很有效的天线 在1GHz处，100mm的导体就成为很好的天线,52,（2）磁偶极子辐射数学模型 电子设备中的金属板的孔、缝隙、小槽或导线圆环等，具有这些形状的辐射源是以磁偶极子的形式出现的，可以起到类似小电流环的作用； 孔隙的泄漏程度与孔隙的直线尺寸、孔的数量以及波长密切相关。随着频率的增高，孔隙的泄漏越来越严重。 在面积相同的情况下，缝隙的泄漏比孔洞的严重。当缝隙的长度与工作波长相比拟时，缝隙就犹如天线了。 所以按屏蔽要求，圆孔或矩形孔的直线尺寸应小于15工作波长和缝隙长度应小于110工作波长。 但是在超高频段或微波频段，实现上述要求是很困难的，带孔的金

33、属板、罩和金属网往往也就不具备屏蔽效能了。,53,（3）标准形式数学模型 天线是辐射和接收电磁波的专用设备。所有天线设备按着一定需要向空间辐射电磁波，对不需要的方向可能构成辐射干扰。 天线辐射和接收电磁波是有方向性的，也就是说，在不同方向上辐射和接收电磁波的能力是不同的。 描述这种定向辐射/接收能力的参数称为天线的方向特性，它包括方向图、主瓣宽度、副瓣电平、前后比和增益等指标。 其中方向图就是指离开干扰源一定距离处，其辐射的相对干扰场强(或者功率)随空间方向变化特性。,在天线的方向特性中： 主瓣宽度定义为天线最大波瓣，在最大值两边相对辐射场强为0.707处，也就是相对辐射功率密度为12处，得到

34、两个点，它们之间的角度差称为半功率角，或称主瓣宽度。 副瓣电平定义为副瓣顶点相对于主瓣顶点的相对值电平差。 标准天线的其他参数以及辐射场强，可在有关天线方面的书中查到。,54,3、辐射干扰频谱 电磁干扰的频率产生在极宽的频率范围，小到0.1Hz,大到100GHz以上。但一般在10kHz以下还很少见。,4、辐射干扰传输通道 辐射可以由一个电路或者一个设备把电磁能量传输给另一个电路或者设备。这种传输通道大到星际之间的距离，小到系统内部可以想像的极小距离。 系统间的大距离是指远区场即辐射场。这时辐射干扰源通常以辐射场的形式被接收器所接收。辐射电磁波的传播特性和规律应服从于无线电波的传播特性和规律。,

35、55,当 R0.15915 为感应近区场 0.15915R 15.915 为辐射近区场 R 15.915 为远区场 只有满足远区场辐射传播时才可以以直线形式传播，当然，它将受到大气层的衰减。 由电波传播理论可知，电波传播取决于两方面的因素： 一方面是电磁波本身的特性，如电磁波的频率、波长、方向、极化等； 另一方面是传输通道的介质特性，如传输通道是介质、自由空间、土地、海水、山、森林等，不同的电磁波在不同介质里传输的方式是绝对不同的。,56,电磁场的产生 电场（E场）产生于两个具有不同电位的导体之间。其强度正比于导体之间的电压，反比于两导体间的距离。 磁场（H场）产生于载流导体的周围，磁场正比于

36、电流，反比于离开导体的距离。 当交变电压通过网络导体产生交变电流时，产生电磁波，E场和H场互为正交同时传播。传播速度由媒体决定。,补充,57,电场强度与磁场强度之比称为波阻抗。对于任何已知电磁波，波阻抗是一个十分关键的参数。 对于远场，d/2，电磁波称为平面波，平面波的阻抗是恒定的； 在近场，d/2，波阻抗由辐射源特性决定。 小电流、高压电辐射体（例如棒）主要产生高阻抗的电场，而大电流、低电压辐射体（例如环）主要产生低阻抗磁场。如果辐射体阻抗正好约377，那么实际在近场能产生平面波，这取决于辐射体形状。 /2附近的区域，是近场和远场之间的传输区域。应分别考虑电场或磁场波。,补充,58,1）电波

37、传播的基本概念 根据GB917588，电磁波的波段是这样划分的： (1)频率在100kHz300kHz之间的电波叫做长波，有时也称之为地波，这是因为这个波段的电波传播主要是沿地球表面绕射传播。 (2)频率在300kHz3MHz之间的电波叫做中波，这个波段的电波传播主要沿着地球表面绕射传播和经电离层反射传播。 (3)频率在3MHz30MHz之间的电波叫做短波，有时也称之为天波，这是因为这个波段的电波传播主要是由电离层反射传播，其次沿着地球表面绕射传播。 (4)频率在30MHz-300MHz之间的电波叫做超短波，这个波段的电波传播主要是在自由空间作直线式传播，其次是沿着地球表面绕射传播和经电离层反

38、射传播。 (5)频率在300MHz一300GHz之间的电波叫做微波，这个波段的电波传播主要是在自由空间作直线式传播，其他形式的传播将消失。,补充,电磁波谱,补充,60,2）电波传播的损耗 不管电波是在地球表面上绕射，还是经电离层反射，或者在自由空间直射，在传播过程中都会发生能量的损耗。四个方面： (1)地波传播损耗 实验证明，电波沿地球表面绕射的能力是随着频率的升高而逐渐降低的，只有达到150MHz以上，它的绕射才可以忽略不计。所以地波损耗应包括长波、中波、短波和超短波低端的地波传播损耗。 地波在传输的通道中，碰到的可能是大海、洋面；可能是沼泽、湖泊；可能是山区、平原；也可能各种情况都有。这些

39、地区的地质情况是大不相同的，它们的电导率各有不同。大海和洋面是良导电地质，因而电波传播的能量损耗小；山地和沙漠是不良导电地质，因而电波传播的能量损耗大。同时，地球曲率对电波传播的能量损耗也是有影响的。,补充,61,(2)天波传播损耗 实验表明，电波传播的频率在70MHz以上时，经电离层反射的能量才逐渐消失。所以天波传播损耗应包括短波和超短波的传播损耗。天波传播损耗有四个部分： 自由空间电波能量扩散损耗 电离层吸收损耗 电波落地反射损耗 额外损耗。 电波经电离层反射回地面的传播损耗与电离层的厚度和高度有关，并受到太阳、地理纬度、地球磁场和时间的影响，所以电波经电离层反射回地面的传播损耗不是恒定的

40、损耗。电波落地反射损耗，是电波经电离层反射后落地，再反射出现的地面吸收损耗。而额外损耗应包括天线不稳定引起的增益下降、极化不同、电波聚焦效应、多经效应和电离层散射等引起的电波能量的损耗。,补充,62,(3)超短波传播损耗 当频率升高到超短波时，它的传播特性已不同于短波。虽然在其低端仍有地面绕射和电离层反射波。但整个波段，大气可以使它们发生折射，电离层和对流层可以使它们发生散射，大气层和地面形成波导，可以使它们沿地球表面传播很远，但是超短波主要还是以直线形式传播的。 (4)微波传播损耗 散射通信用的频率是100MHz到8000MHz之间。这将跨越超短波两个波段。 微波中继站接力通信的电波是在地面

41、大气层中远距离传播的，这将受到大气层传播损耗。,补充,63,5、辐射干扰传输通道数学模型 1地波传播损耗 计算地波传播损耗，首先要判别辐射干扰源和接收器之间的距离是在极限距离之内，还是在极限距离之外，借助实验曲线换算。极限距离的判断标准为： 在极限距离之内的传播损耗为： L=（2+0.3X）/ (2+X+0.6X2) X参量距离,64,2天波传播损耗 L=L1+L2+L3+L4 L1为自由空间电波能量传播损耗； L1=20lg（4D/） =32.4+20lgf+ 20lgD L2为电波落地反射损耗； L3额外损耗； L4为电离层吸收损耗。,65,第三节 电磁兼容干扰测量值的基本单位 1、EMC

42、干扰的的幅度（或量值） 在EMC测量中干扰的幅度可用功率来表示： PdBm=10lg（PmW/1mW） 亦可用干扰电压来表示： UdBuv=20lg（Uuv/1uv） 电压与功率的对应关系符合： P=U2/R 对于50系统，1mW 0dBm =107dBuV 或 1uV 0dBuV =-107dBm 当采用电流钳作传导干扰测量时，则用干扰电流计量： IdBuA=20lg（IuA/1uA）,66,分贝(dB)的定义与含义,电磁兼容测试中，常用的测试单位通常用dB、dBm、dBuV、dBuA表示。它是按对数方式压缩大动态范围变化的信号电平。相对于线性坐标，对数显示可以获得更大的相对幅度范围。在测量

43、信号幅度相对值包括增益和损耗的测量时，信号比值(除法运算)可以用dB差值(减法运算)简单表示。 例1：当测试功率下降为原来的一半时（P2=P1/2），用dB表示，计算功率下降多少? P(dB)=101g(P1P2)=10lg2=3(dB) 即功率下降3dB。 例2：当测试电压下降为原来的一半时(V2=V12)，用dB表示，计算电压和功率下降多少?并计算此时功率下降的线性值。 V(dB)=201g(V1V2)=20lg2=6(dB) P1P2= V12V22=4 P(dB)=101g(P1P2)=10lg4=6(dB) 即电压和功率都下降6dB，功率下降为原功率的14,补充,67,dBm与dBu

44、V的换算,dBuV与dBuA的换算,补充,68,表2 电压、电流和功率各单位间的换算,补充,69,2、EMC干扰的带宽 电磁干扰的频率范围可从100mHz100GHz，但单一的EMC干扰的带宽确是有限的，一般按频段选取为10Hz1MHz（视标准而定）。按照频段划分标准可分为46段： a) 长波：100KHz300KHz； b) 中波：300KHz3MHz； c) 短波：3MHz30MHz； d) 超短波：30MHz300MHz； e) 微波：300MHz300GHz； 一方面，EMC干扰的带宽表征了可能造成的影响范畴；另一方面，由于EMC的干扰带宽差异较大，因而测量仪器的通频带、线性度、检波回

45、路的充放电时间常数对测量结果的影响很大。,70,3、EMC干扰的分布量值 在规定条件下，测定给定位置上电磁干扰产生的场强，用干扰场强表示： S = E H 式中： S功率密度（坡印亭矢量）Wm2； E空间一点的电场强度，Vm； H空间一点的磁场强度，Am。 E与H的关系用空间波阻抗描述： Z = E / H 式中：Z空间波阻抗，。 当满足远场条件时，E与H垂直， Z=377。,71,按dB数表示为： SdB=EdB- 26 在EMC测量中，功率密度S用Wm2，uWm2或dBWm2，dBuW/m2来表示。 电场强度E用dBuVm表示 磁场强度H用dBuAm表示 磁场强度单位与国际单位制中磁感应强

46、度单位的关系： BT= u H 式中：BT磁感应强度； u介质绝对磁导率，Hm(亨米)；,电偶极子的辐射场,补充举例,在距离偶极子足够远处(rl,变化很小),电磁场的波动方程为:,平面电磁波方程,在无限大均匀绝缘介质(或真空)中,平面电磁波的性质概括如下:,补充举例,平面电磁波示意图,2. 在同一点的E、H值满足下式:,补充举例,3. 电磁波的传播速度为,真空中,实验测得真空中光速,光波也是一种电磁波,补充举例,补充定义 ：电磁波的能量辐射能,1. 能量密度,电场,磁场,电磁场,电磁波所携带的能量称为辐射能.,2. 能流密度(又叫辐射强度),单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能量(S

47、),坡印廷矢量,同方向,补充,对于振荡电偶极子辐射波,可导出平均辐射强度:,上式表明: 1) 辐射具有方向性；2) S与4成正比,补充,例如，长为l的圆柱形导体，在圆柱表面上，电场强度E即为电流流动方向(沿Z轴) ，磁场强度H与电流I构成右螺旋关系(e方向),79,第四节 测量接收机 1、EMI测量接收机工作原理与分类 用于测试EMI的测量接收机一般采用频域测试设备，其工作原理是将被测干扰信号放大，经几级混频进入中放，放大后的中频信号进入检波器，检测出的信号可直接显示也可进行量化处理后进行显示。,检波方式可选择不同：峰值检波、准峰值检波和平均值检波。,80,峰值检波器要求检波电路充电足够快，而

48、放电足够慢。峰值检波器读出的是包络的最大值，它只取决于信号幅度。 准峰值检波器充电时间常数比峰值检波器大，而放电时间常数比峰值检波器小。充放电时间常数之比是可以选择的。这样检波方式既可以反映干扰信号的幅度，同时也能反映出干扰信号的时间分布。CISPR标准推荐使用带有准峰值检波器的EMI测量仪。电磁发射的极限值，也是以准峰值规定的。 平均值检波实际上是取包络在一段时间内的平均值。有效值检波也称均方根值检波。,81,2频域测量带宽选择 由于各种电磁干扰的周期、强度、波形等差异很大，所以测量干扰仪表的通频带、线性度、检波回路的充放电时间常数等对测量结果有影响。 两种不同的测量带宽定义： 对EMI测量

49、接收机来说，测量带宽是测量接收机的中频带宽； 对频谱分析仪来说，测量带宽指的是分辨率带宽(RBW)，它是最窄的中频带宽。,82,在GJB151A一97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求中的所有发射干扰极限值和在GJBl52A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量的发射测试中，6dB带宽的约定如下表规定： 表 频率扫描测量带宽要求,83,早期的国际EMC标准CISPRl61无线电干扰和抗干扰度测量设备规范中，对测量带宽作了具体规定。（与GJB151A 稍有不同）,84,对EMI测量接收机来说，在一个特定的EMI测试中，确定测量带宽是第一步，带宽选择应顾及足够的灵敏度和最佳测试速度两个方面。

50、 频谱分析仪型的测量接收机的视频带宽(VBW)选择与显示相关，VBW滤波器指的是显示信号电路的带宽。通常VBW与RBW一起考虑，对正弦波信号无意义，对脉冲信号需要选择较宽的VBW，以保证最好的和最精确的测量和显示。 使用频谱分析仪类型的测量接收机，分辨率带宽(RBW)的设置与测量扫描速度相关，一般满足下式： v= B2W / K1 式中：v 表示扫描速度，Hzs(每秒赫兹)； Bw频谱分析仪的分辨率带宽，Hz； K1分辨率带宽滤波器的形状因子(一般定义为3dB带宽与60dB带宽的比值)。,85,3、测量接收机灵敏度 一般来说，把测量接收机在测量时能够测出的最小绝对变化量称为接收机灵敏度，用dB

51、m表示。如果把测量接收机内部的噪声折算到输入端，则 N=KTB 式中：N噪声功率，W； K波兹曼常数，1.38*10-23JK； T接收机输入端等效噪声温度K； B接收机带宽(或频谱分析仪分辨率带宽)Hz。,86,工程上，接收机灵敏度通常下例公式计算： NdBm= -114+FdB+10lgBMHz 式中：NdBm测量接收机灵敏度，dBm； FdB 测量接收机自身噪声系数，dB； BMHz测量接收机测量带宽，MHz。 接收机灵敏度与接收机本底噪声相关，本底噪声由接收机的带宽、输入衰减以及内部混频器转换效应和中频放大器的噪声系数决定。,87,4、测量接收机的过载问题 在GBT43651995电磁

52、兼容术语中对过载系数有确切定义，表述如下：正弦输入信号最大幅值与指示仪表满刻度偏转时输入幅值之比，对应于这一最大输入信号，接收机检波器前电路的幅度特性偏离线性应不超过1dB。 这一解释显然是对模拟接收机而言。实际工程中，对所有测量接收机都有一个正确使用，并防止非线性出现带来测量误差的问题。,88,针对测量接收机的过载问题，值得注意的是，过载的定义不同于字面定义，即把过载使用，仅仅理解为防止接收机烧毁。 正确使用测量仪器是确保测量值准确、可靠的基本条件。对测量接收机(或频谱分析仪)，重要的是让其工作在线性工作状态。 例如：接收机的前置放大器、混频器、中频放大器等均要求工作在线性区。 采取有效措施

53、，控制输入信号电平是测试人员应掌握的基本技能。,89,第五节 定量测试与环境电平 1、测量值的准确度 在测量过程中，测量仪表的读数与被测变量的真值之间会有所差异，人们把它们的接近程度，用测量仪表的测量准确度来表述。 任何测量都会存在误差，没有误差的测量是不存在的。 这种测量误差一般用系统误差和随机误差来描述。,90,系统误差包括仪器误差、环境误差。仪器误差是属于仪器自身固有的缺陷，可以通过计量校准修正。环境误差属于影响测量的外部条件，如温度、湿度、气压、电磁场等引入的误差，可供分析测量结果时采用。 随机误差是由一些未知原因造成的，即使在所有的系统误差均被考虑后，它依然存在。随机误差一般很难消除

54、，或者说消除不了的。理论上可以靠反复多次测量，用统计办法降低随机误差的影响。 如果测量过程是在理想的环境条件下进行，测量结果会更为准确、可靠。实际上，测量系统自身也有可能产生干扰或受扰。对测量系统所采取的一系列EMC措施，统称为测量系统防护。它是研究提高EMC测量准确度的重要内容之一。,91,2、天线系数与修正 在GJB7285电磁干扰和电磁兼容性名词术语中对天线系数是这样定义的： 天线系数指这样一个系数，将它适当用于测量仪的仪表读数上，就可得出以伏每米表示的电场强度或以安每米表示的磁场强度。 显然，这是从应用的角度来描述的。 此系数包含了天线有效长度、失配和传输损耗的影响。 基本定义： 仪表

55、读数指仪表输入端的电压； 天线有效长度指天线的开路感应电压与被测电场强度分量之比； 天线感应电压指天线开路两端子间所测得的或算出的电压。,92,以辐射干扰测量为例，测试天线处于接收状态，依上述定义天线系数可用下式表示： AF=E / U 式中：E被测量的电场强度，Vm； U测量天线的输出端电压，V； AF天线系数，1m。 将上式用对数形式表示： E(dBuV/m)= AF(dB/m)+U(dBuV),93,以辐射敏感度测量为例，测试天线处于发射状态，天线系数可用下式表示： TAF=E / U 式中：E距离源或发射天线1m远产生的电场强度，Vm； U天线输入电压，V； TAF天线系数，1m。 将

56、上式用对数表示： E(dBuV/m)=TAF(dB/m)+U(dBuV),94,天线系数是一个与频率相关的函数，一般由测试天线生产厂家提供。具体应用时，还应考虑测试天线与测量仪表之间的电缆损耗。 即： EMI=测量仪系数表读数+天线系数十电缆损耗 鉴于EMC试验中测量值指视在场强，一般来说，测试天线系数是在试验场利用互易原理测试得到。 目前推荐用SEA-ARP-958标准测试或校准天线系数。 测试装置如图所示：,95,图中所示的两副天线完全相同，相距为R，一般选取1m，3m，10m。两副天线架设高度相同，极化方式设置一致。假设测试系统为50阻抗匹配系统，地面反射和周围反射忽略不计。,96,工程

57、上常根据天线增益(真数)来计算天线系数，用下式表示： AFdB=20lg（9.76/G0.5） 为计算方便还可以写成下面形式： AFdB=-29.75+20lgf - 10lgG 式中f的单位为MHz 同样，天线增益（dB）可表示为： GdB =-29.75- AFdB+20lgf,97,推导：（1） 电波由发射点向空间扩散，在距离发射天线距离为R时，自由空间场强为下： Et 场强（V/m） Gt 发信天线增益（dB） Pt 发射功率（W） （2） 假设Gr=Gt=G，信号源输出功率为Pt，接收天线处的功率密度为： p=PtGt/（4R2） 波印亭矢量S=E*H 在远场区，同时满足自由空间条件

58、，E，H两者互相垂直，其比值为常量120。即 p=S=E*H= Et2/120 则 Et2=120PtGt/4R2,98,（3） 接收天线的输出功率可定义为接收天线处的功率谱密度和接收天线的有效面积的乘积。 Pr=P*Se 天线有效面积可理解为天线输出端子上有用功率与给定方向入射平面波的功率密度之比，其入射平面波的极化方向应与天线辐射的极化方向一致。 Se=Gr2/4 （4） 接收天线输出功率： Pr=P*Se=PtGt/（4R2）*Gr2/4 =Pt（G/4R）2 （5） 接收机输入功率可用下式表示：,99,（6）显然，则在50测试系统中 由 得到,100,3、电磁环境电平与修正 电磁环境电

59、平定义：在规定的试验地点和时间内，当试验样品尚未通电时，已存在的辐射及传导的信号和噪声电平。 环境电平是由人为及自然的电磁能量共同形成的。 所谓规定的试验地点，一般是指进行EMC测试的开阔场地、实验室和进行EMI预测试的场所。 在实验室，环境电平是实验室各种设施到位、测试设备正常运行下固有噪声的总和。 以实验室的电磁环境电平测试为例，它分为传导和辐射两种模式。测试方法采用标准规定的测试方法。,101,图给出某EMC实验室按国军标规定，在10kHz50MHz范围内传导发射环境电平。,实验室的传导发射环境电平与实验室的接地、绝缘性能指标有关，与电源滤波器性能的好坏关系极大； 实验室的辐射发射环境电平与实验室的屏蔽度特性和场地衰减特性相关。,102,实验室的传导发射环境电平与实验室的接地、绝缘性能指标有关，与电源滤波器性能的好坏关系极大。 在标准中，认为只要电磁环境电平低于极限值6dB，则认为是满足规范要求的EMC实验室。 智能型测试软件有能力将感兴趣的频率点上的