1、第四章 电磁兼容性控制u4.1 分析和解决电磁兼容性分析和解决电磁兼容性问题的一般方法问题的一般方法u4.2 电磁骚扰的抑制策略电磁骚扰的抑制策略u4.3 空间分离空间分离u4.4 时间分隔时间分隔u4.5 频率划分和管制频率划分和管制u4.6 电气隔离电气隔离4.1.1 问题解决法问题解决法 问题解决法(The Problem-solving Approach)是在建立电路、设备和系统之前不专门考虑电磁兼容性问题，先进行研制，然后根据研制成的电路、设备和系统在装配、调试中出现的电磁干扰问题，应用各种抑制干扰的技术去解决。这是一种落后而冒险的方法。因为设备或系统已经装配好，再去“解决”电磁干扰
2、问题是很困难的。为了解决问题，可能要进行大量的拆卸和修改，也许还要重新进行设计。这不但造成人力和物力的浪费，延误电路、设备和系统的研制周期，而且会使电路、设备和系统的性能下降。4.1 分析和解决电磁兼容性问题的一般方法分析和解决电磁兼容性问题的一般方法因此，问题解决法是一种比较落后的方法，它是在电磁兼容性理论不够完善、抑制电磁骚扰的方法不够系统、电磁兼容性分析预测尚未形成的历史条件下产生的，曾普遍被采用，目前仍然被部分工程技术人员所采用。用问题解决法分析和解决电路、设备和系统的电磁兼容性问题，首先必须正确地确定骚扰源。为了做到这一点，要求从事电磁兼容工作的工程师和技术人员比较全面地熟悉各种骚扰
3、源的特性。在调试、装配现场清楚地确定下列问题将有利于解决电磁骚扰问题。干扰多久发生一次？是连续的还是周期性的？是否有规律？干扰的频率是多少？是否是周围电路、设备工作频率的谐波造成的？干扰的幅度是多大？干扰是宽带的还是窄带的？确定了骚扰源后，再确定干扰的耦合途径是辐射耦合还是传导耦合，最终决定抑制、消除干扰的方法。4.1.2 规范法规范法 为了满足电磁兼容性要求，各国政府和工业部门尤其是军事部门都制订了许多强制执行的标准和规范。例如，美国军用标准MIL-STD-461/2(Apply to equipment and subsystems only)，MIL-STD-464(is a docum
4、ent applicable to all agencies of the Department of Defense in the United States that contains system level EMC requirements)，中国国家标准GB48241996(工业、科学、医疗射频设备电磁骚扰特性的测量方法和限值)。随着电磁兼容性标准和规范的完善和发展，电磁兼容性的分析、设计方法发展成比较合理的“规范法”方法。规范法(The Specification Approach)是按照已经颁布的电磁兼容标准和规范进行设备和系统的设计、制造和装配。这种方法可以在一定程度上预防电磁
5、干扰问题的出现，比问题解决法更为合理。但由于标准和规范不可能是针对某个设备和系统制定的，因此，企图解决的问题不一定是要解决的问题，只是为了适应规范而已。另外，规范是建立在电磁兼容经验基础上的，没有进行电磁干扰的分析和预测，因而往往导致过量的预防贮备，可能使设备和系统的成本增加。由于电磁兼容性标准和规范在一定程度上反映了设备或系统中存在的共性问题以及解决问题的规则，因此规范法对系统电磁兼容性的分析、设计提供了预见性和综合性，故与问题解决法相比，规范法较为合理和进步。必须注意，使用满足电磁兼容性标准和规范的部件装配成的设备，不一定满足设备的电磁兼容性要求；使用满足电磁兼容性标准和规范的设备组成的系
6、统，不一定满足系统的电磁兼容性要求。4.1.3 系统法系统法 系统法(The System Approach)是用计算机技术按预测程序针对某个特定设备或系统的设计方案进行电磁兼容性分析和预测。系统法从设计阶段开始就用分析程序预测在设备、系统中将要遇到的那些电磁干扰问题，以保障设备和系统的电磁兼容性，并在设备或系统的设计、试验、制造、装配过程中不断对其电磁兼容性进行分析和预测。若预测结果表明存在不兼容问题或存在太大的过量设计，则可以修改设计后再进行预测，直至预测结果表明完全合理，才进行硬件生产。采用这种方法基本上可以避免一般出现的电磁干扰问题或过量的电磁兼容性设计。系统法集中了电磁兼容性控制方法
7、的研究成就，采用系统法是现代电力、电子设备或系统设计、试验、制造、装配的总趋势。系统法本身还在不断发展和进步。基于系统法，美国开发并研制成功了飞行器机载电子系统的电磁兼容、电磁辐射和电磁泄漏的一些计算机软件。例如，SEMCAP(System and Electromagnetic Compatibility Analysis Program)是一种大规模综合性的系统电磁兼容、电磁辐射和电磁泄漏分析程序，它是美国为航天事业于20世纪60年代开发的，以后作了大量补充；IAP(Intra-system Analysis Program)是美国空军研制的一种大规模系统内电磁兼容、电磁辐射和电磁泄漏分析
8、程序；IPP-1(Interference Prediction Process-1)是一种大规模的电磁干扰预测程序。SEMCAP程序在一台CDC-6600或一台IBM-360/70计算机上用于B-1轰炸机的电磁兼容、电磁辐射和电磁泄漏特性分析时，运行时间分别为 50 min和20 min。一般在设备、系统设计早期考虑电磁兼容性设计，比较容易采取有效的技术措施，所需经费较少。根据美国贝尔实验室分析论证，在新产品设计阶段能把电磁干扰抑制在电路组件级、设备级或分系统级,就可以消除电磁干扰的80%90%；反之，如果在产品试制成功后，发现电磁干扰再来解决它，问题就显得困难多了，无论在抑制电磁干扰的技术
9、上，还是在投资的费用以及体积、质量上都会成倍增长，使费效比上升，造成很大的浪费。电磁兼容学科是在早期单纯的抗干扰方法基础上发展形成的，两者的目标都是为了使设备、系统在共存的电磁环境中互不产生干扰，最大限度地发挥其工作效能。但是，早期单纯的抗干扰方法与现代的电磁兼容技术相比，两者在控制电磁骚扰的策略、技术和实施方法上有着显著的差别。4.2 电磁骚扰的抑制策略电磁骚扰的抑制策略单纯的抗干扰方法在抑制电磁干扰的策略上比较简单，或者认识比较肤浅，主要的思路集中在怎样设法抑制电磁骚扰的传输上，因此工程技术人员处于极为被动的地位，哪里出现电磁干扰就在哪里就事论事地给予解决。当然，经验丰富的工程师也会采取预
10、防措施，但这仅仅是被动的、依据经验的、局部的、单纯对抗式的解决方法。然而，电磁兼容技术在抑制电磁骚扰的策略上则采用了主动预防、整体规划、“对抗”与“疏导”相结合的思想方法。人类在征服大自然产生的各种灾难性危害中，总结出的预防和救治、对抗和疏导等一系列策略，在抑制电磁危害中同样是极其有效的思维方法。电磁兼容性控制是一项系统工程，在设备、系统的设计、研制、生产、使用与维护的各个阶段都必须充分考虑和认真实施电磁兼容性。电磁兼容性标准和规范是实施电磁兼容性控制、抑制电磁干扰的组织措施。此外,先进、科学的电磁兼容工程管理也是电磁兼容性控制的重要组成部分。就抑制电磁骚扰的方法而言，除了采用众所周知的抑制电
11、磁骚扰传输的技术措施，例如屏蔽、滤波、接地、搭接、合理布线等方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，例如空间方位分离、时间闭锁分隔、频率划分与回避、吸收和旁路等等。有时这些回避和疏导技术简单、巧妙，可以替代成本昂贵、体积和质量较大的抑制电磁骚扰的装置，收到事半功倍的效果。精明的工程师们经常采用回避和疏导技术。在抑制电磁骚扰的时机选择上，建议从问题解决法转移到系统法。也就是由电路、设备和系统研制后期暴露出不兼容问题而采取挽救、修补措施的被动控制方式，转变为在电路、设备和系统研制的初始设计阶段就开展电磁兼容性的预测、分析和设计的主动控制方式。预先全面规划电路、设备和系统的电磁兼容性实施细则和步骤
12、，检验、计算电磁兼容性，做到防患于未然，把电磁兼容性设计和可靠性设计、维护性和维修性设计、基本功能设计、结构设计等同时进行,并行展开。表4-1列出了电磁兼容性控制策略和电磁骚扰抑制方法的分类情况。表表4-1 电磁兼容性控制策略和电磁骚扰抑制方法的分类电磁兼容性控制策略和电磁骚扰抑制方法的分类 空间分离是抑制空间辐射骚扰和感应耦合骚扰的有效方法。通过加大骚扰源和接受器(敏感设备)之间的空间距离，使骚扰电磁场到达敏感设备时其强度已衰减到低于接受设备敏感度门限，从而达到抑制电磁干扰的目的。由电磁场理论可知：在近区感应场中，场强分布按1/r3衰减；远区辐射场的场强分布按1/r减小。因此，空间分离实质上
13、是利用干扰源的电磁场特性有效地抑制电磁骚扰。4.3 空间分离空间分离空间分离的典型应用在电磁兼容性工程中经常遇到。例如，在空间距离允许的条件下，为了满足系统的电磁兼容性要求，尽量将组成系统的各个设备间的空间距离增大；在设备、系统布线中，限制平行线缆的最小间距，以减少串扰；在印制电路板(PCB)设计中，规定印制线(Trace)条间的最小间隔。空间分离也包括在空间有限的情况下，对骚扰源辐射方向的方位调整、骚扰源电场矢量与磁场矢量的空间取向控制。例如，舰船、飞机和导弹上有许多通信设施，由于空间条件的限制，它们只能安装在有限的空间范围内，为了避免天线间的相互干扰(天线对天线的耦合)，常用控制天线方向图
14、的方位角来实现空间分离；为了使电子设备外壳内的电源变压器铁芯泄漏的低频磁场不在印制电路板中产生感应电动势，应该调整变压器的空间位置，使印制电路板上的印制线与变压器泄漏磁场方向平行。当骚扰源非常强不易采用其它方法可靠抑制时，通常采用时间分隔的方法，使有用信号在骚扰信号停止发射的时间内传输，或者当强骚扰信号发射时，使易受骚扰的敏感设备短时关闭，以避免遭受损害。人们把这种方法称为时间分隔控制或时间回避控制。时间分隔控制有两种形式：一种是主动时间分隔，适用于有用信号出现时间与干扰信号出现时间有确定先后关系的情况；另一种是被动时间分隔，它是按照干扰信号与有用信号出现的特征使其中某一信号迅速关闭，从而达到
15、时间上不重合、不覆盖的控制要求。4.4 时间分隔时间分隔对于有用信号出现时间与干扰信号出现时间有确定先后关系的情况，采用主动时间分隔方式。例如，干扰信号出现在t1至t2的时间内，而有用信号在时间t1之前出现，此时应提前(在时间t1前)发送有用信号，或者加快有用信号的传输速度，使有用信号在干扰信号出现之前尽快传输完毕。如果有用信号出现在干扰信号之后，可采用延迟发射电路让干扰信号通过后再使有用信号发射。这样就可以使接收信号的设备在时间上将干扰信号与有用信号区分开来，达到剔除干扰的目的。如果干扰信号是阵发性的，而有用信号出现时间又是不可能预先确定的，这样就不能确定干扰信号和有用信号的出现时间，只能由
16、其中一个来控制另一个，使干扰信号与有用信号分隔。例如，飞机上的雷达工作时，发射强功率电磁波，是机载电子设备的强干扰源，为了不使无线电报警装置接收干扰信号而发出警报，可采用被动时间分隔法。由雷达先发送一个封锁脉冲，报警器接收封锁脉冲后立即将其电源关闭。这样雷达工作时，报警器就不会发出虚假警报，实现了时间分隔。雷达关闭后，报警器又重新接通电源恢复工作。时间分隔还可以应用于系统的不同任务剖面。时间分隔法在许多高精度、高可靠性的设备或系统中(例如卫星、航空母舰、武器装备系统等)经常被采用，成为简单、经济而行之有效的抑制干扰的方法。频率划分或频率分配(Frequency Allocation)是指给某一
17、种业务划定一个或一组使用频率范围。任何信号都是由一定的频率分量组成的，利用信号的频谱特性将需要的频率分量全部接受，将干扰的频率分量加以剔除，这就是利用频率特性来控制电磁干扰的指导思想。在这个原则下形成了如频谱管制、滤波、频率调制、数字传输、光电传输等许多具体技术方法。4.5 频率划分和管制频率划分和管制4.5.1 频谱管制频谱管制 为了防止电磁信号相互干扰，人们对频谱资源进行了合理分配和管理，以减少有意发射电磁波的相互干扰。例如，将频谱划分成许多频段，不同用途的电磁波只能在自己的频段内工作和传播。我国现行的无线电波段名称和频率范围见表4-2。在微波波段，习惯上又划分成若干频段并赋以相应的命名，
18、详见表4-3。表表4-2 无线电频段和波段命名无线电频段和波段命名 表表4-3 微波波段划分及其命名微波波段划分及其命名在世界范围内，国际电信联盟(ITU)是负责协调国际无线电事宜的组织，它是联合国处理电信问题的专门机构。国际无线电规则是ITU进行无线电频率协调和管理的唯一依据，具有国际法性质，它规定了频率分配和使用的规则，制定了频率分配表。这个规则划分了9 kHz275 GHz的频率范围，规定了广播、航空、航海、固定通信、移动通信、宇宙通信、探测、天文、科研等39种无线电业务的频率范围。规则中制定的频率分配表把全球按地理位置分成三个区域：区域一包括非洲、欧洲和整个原苏联地区；区域二包括美洲；
19、区域三包括亚洲和澳洲。每个区域又分成若干个较小的地区，地区性频率分配主要针对0.14 MHz的中距离通信无线电波。对于更高频的远距离通信无线电波，可以在不同地区通用。对于90 MHz以下的频率范围，除了卫星通信外，47.5 MHz的频率范围在全球范围内分配，作为各种专用业务频率，以避免电离层反射到全球引起干扰。每个国家根据国际电信公约和国际无线电规则设立国家级的频谱管理机构，为本国分配和管理无线电频谱。我国现行的无线电管理体制为,由国家无线电管理委员会以及各省市(地区)的无线电管理委员会负责地方的无线电频率分配、协调和管理；中国人民解放军无线电管理委员会以及各军区无线电管理委员会负责军队的无线
20、电频率分配、协调和管理。频谱管制方法对于无意发射的电磁骚扰不适用，因为无意发射的电磁骚扰的频率不能由人工来指定。4.5.2 滤波滤波 滤波技术是一种常用的抑制电磁骚扰的技术措施。滤波的实质是将信号频谱划分成有用频率分量和骚扰频率分量，剔除和抑制骚扰频率分量。详细内容我们将在后续章节中介绍。4.5.3 频率调制频率调制 通常，在长距离信号传输过程中容易引入骚扰,而且这种骚扰的频谱较宽,频率范围难以确定。为了提高信号传输质量，可采用频率调制的方法。信号调制分为幅度调制和频率调制，详细内容参见其它通信原理方面的书籍。4.5.4 数字传输数字传输 数字传输技术是将待传输的信号经过高速采样、模/数转换，
21、使之变成数字信号，成为一系列对应于原信号幅度的调制脉冲。数字传输技术的采样频率应大于两倍以上传送信号的最高频率成分，否则,信号的信息就不能全部包含在数字信号中。经过采样后，将连续变化的信号波形变成阶梯形状的波形，通常称为量化。量化会带来误差，其误差大小取决于采样频率。当信号电平较小时，可提高采样频率来缩小量化误差。在数字传输技术中，还可以采用非线性量化的压缩和扩展技术，使量化噪声均匀。信号的数字传输技术实质上也是一种频率变换的方法。4.5.5 光电传输光电传输 随着光纤技术的发展，通信工程中越来越广泛地采用光纤传输信号。因为光信号的波长远小于一般电磁骚扰的波长，所以如同频率划分一样，它不会受电
22、磁干扰。采用光电二极管或半导体激光器将电信号转换成红外光或可见光，使光的强度与电信号成比例变换，然后通过光导纤维传输，到达接收器后，再由光敏器件将光信号还原成电信号。电气隔离是避免电路中传导干扰的可靠方法，同时还能使有用信号正常耦合传输。常见的电气隔离耦合原理有机械耦合、电磁耦合、光电耦合等等。机械耦合是采用电气-机械的方法。例如，在继电器中将线圈回路和触头控制回路隔离开来，产生两个电路参数不相关联的回路，实现了电气隔离，然而控制指令却能通过继电器的动作从一个回路传递到另一个回路中去。4.6 电气隔离电气隔离电磁耦合是采用电磁感应原理。例如,变压器初级线圈中的电流产生磁通，此磁通再于次级线圈中
23、产生感应电压，使次级回路与初级回路实现电气的隔离，而电信号或电能却可以从初级传输到次级。这就使初级回路的干扰不能由电路直接进入次级回路。变压器是电源中抑制传导干扰的基本方法，常用的电源隔离变压器有屏蔽隔离变压器。隔离变压器(Isolation Transformer)的隔离方法，要求信号内没有直流分量。当信号的频域宽广时，把含直流分量的信号调制成交流信号，经电压互感器或电流互感器将其送到接受器再进行解调，这种隔离方法常用于工业检测领域。光电耦合是采用半导体光电耦合器件实现电气隔离的方法。光电二极管或光电三极管把电流变成光，再经光电二极管或光电三极管把光变成电流。由于输入信号与输出信号的电平没有比例关系，所以不宜直接传输模拟信号。但因直流电平也能传输，所以利用光脉宽调制就能传输含直流分量的模拟信号，且有优良的线性效果。这种方法最适宜传送数字信号。DC/DC变换器是直流电源的隔离器件，它将直流电压U1变换成直流电压U2。为了防止多个设备共用一个电源引起共电源内阻干扰，应用DC/DC变换器单独对各电路供电，以保证电路不受电源中的信号干扰。DC/DC变换器是应用逆变原理将直流电压变换成高频交流电压，再经整流滤波处理，得到所需要的直流电压。由于DC/DC变换器是一个完整器件，所以它是一种应用广泛的电气隔离器件。
