电磁环境与传播途径

• 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，指的是电路中器件工作在 非线性状态时所产生的干扰。
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• 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，使带电粒子强烈运动，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。特别是在驱动电感负载时，这种现象更 为明显。
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3.3频谱的使用与管理
频谱是一个有限的自然资源。
频谱分配必须以频谱利用的有效性和合理性为 基础，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，即满足电磁兼容 性。
频谱管理就是为了实现电磁频谱的有效管理、 保护和合理利用等，确保各类无线电业务的有 效进行，包括了无线电频谱资源的频率划分、 指配和控制。
注：l/f噪声：功率谱与振动数f的倒数成比例，背景 能量的涌动。
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➢ 在地球表面存在着地磁场，它是一种自然场。 ➢ 在海拔高度500km处存在着大气电离层。 ➢ 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，在太阳黑子剧烈活动 期的辐射强度比静止期大60dB。 ➢ 银河系无线电辐射频率在150MHz～200MHz频段 内。因此宇宙噪声在20MHz～500MHz频率范围 内影响相当明显。
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静电放电试验装置
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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)， 如果空气气隙上的电位梯度足够高，电荷会以火 花的形式转移到那个物体上。 下图给出了人体静电放电的等效电路。
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图中： CR——人体和大地之间的电容。 RR——人体的电阻。
➢ 相对于自然界的静电来说，电子器件是非常娇贵 的，正是基于这一因素，是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指标。
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➢ 设备漏电，尤其是不会对人造成触电伤害的微弱 漏电虽然不属于静电放电现象，但其性能却与静 电放电类似。所以一般将设备漏电也纳入静电防 护体系中来考虑。
➢ 静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造 成损害的主要机理有：热二次击穿、金属镀层熔 融、介质击穿、气弧放电、表面击穿和体击穿等。
非人为因素产生的电磁波，构成了电磁环境的一 部分，把这部分电磁波所形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。
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✓ 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、 热噪声和沉积静电干扰等。
✓ 宇宙干扰来自太阳系、银河系的电磁骚扰，包括 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，一般在2—50MHz的频率 范围内干扰明显。受干扰对象主要是卫星通信和 广播信号以及航天飞机等。
➢ 雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的 灾难。雷电具有以下几个特点：
• 冲击电流非常大，其电流高达几万至几十万安培。 • 持续时间短，一般雷击分为3个阶段，即先导放电、
主放电和余光放电，整个过程一般不会超过60µs。 • 雷电流变化梯度大，有的可达10KA/µs。 • 冲击电压高，强大的电流产生交变磁场，其感应
➢ 如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压 超过元件介质的击穿强度，就会对元件造成损坏， 这是MOS器件出现故障最主要的原因。
➢ 另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔 点(1415℃)时所引起的。静电放电脉冲的能量可 以产生局部发热，使半导体局部熔断损坏。
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➢ 器件受到静电放电的影响后，也可能不立即出现 功能性的损坏。这些受到潜在损坏的元件通常被 称为“跛脚”，一旦加以使用，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。
太阳风暴
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✓ 大气干扰主要是雷电，频谱在30MHz以内，对无 线电通信的干扰较大。此外，沙暴、雨雾等自然 想象也可以产生电磁噪声。
✓ 热噪声是由于热力状态变化引起导体无规则的电 起伏。
✓ 沉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。影响通信和导航。
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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，温度高达6000～20000℃， 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，从而产生冲击波通常有3种形式：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
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频谱分配
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3.4 静电 静电的形成
如图所示，绕原子A的原子核旋 转的电子，在外力的作用下， 离开原来的原子A而侵入其他的 原子B。A原子因缺少电子数而 呈带正电现象，称为阳离子，B 原子因增加电子数而呈带负电 现象，称为阴离子。当外力持 续作用时，阳离子和阴离子的 分布会变得越来越不均匀，对 外将表现为带电现象。
猛的放电现象。 ➢ 感应雷是当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，
地面某些范围由于散流电阻大，出现局部高电压， 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 生闪击现象的二次雷。 ➢ 球形雷比较多见于山区，其登堂入室的报道常见 于报端。
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雷电的破坏作用
➢ 由太阳飞出的带电粒子引起磁场的改变就是地球 上的磁暴。
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3.2人工电磁干扰
辐射干扰源
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。
➢ 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。
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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(如电子转移到另一个物体)而带 正电，另一个得到一些剩余电子的物体则带负电。 若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累 使物体带上静电。
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人体是良好的静电载体，能够通过摩擦起电充电 到几千伏。通过人的活动，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 的静电一旦找到合适的放电路径，就会产生放电 现象。
➢ 常见的信息辐射干扰源有发送设备、本地振荡器、 非线性器件和核爆脉冲等。
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• 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。
• 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。
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。
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• 在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体、建筑物 或设备等对地放电所产生的电击现象，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，这种电流可能向周围物体放 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强烈的破 坏性。
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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 负电荷在一瞬间消失了(严格说是大大减弱)，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。
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正是由于不同条件下静电放电的特性差异很大， 所以电子设备对静电放电的响应很难预测。
可以用统计的方法来处理这个问题。静电放电时 产生的能量很大，频率很高(有时高达5GHz)。
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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距离。人体上的最 高电压应该是20kV左右。
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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 表面磁场、大地磁层、大地表面的电场、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，是决定接收机噪 声系数的重要因素。常见的电子噪声源包括热噪声、散 粒噪声、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。
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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则设 立国家级的频谱管理机构，为本国分配和管理电 磁频谱。在我国则由全国无线电管理委员会负责 频谱的分配、协调和管理。
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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)=200ps~100ns Ts(尖峰宽度)=0.5ns~10μs Tt(持续长度)=100ns~2ms
静电放电过程的不同不仅表现在电流波形在时间 特性上差异很大，而且幅度也会在1A~200A范围 内变化。
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LR——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——人手臂放电路径的电阻。 LS——人手臂放电路径的电感。 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。
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人体静电放电的过程受很多因素影响，具体的放 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图所示。
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频谱管理
人类目前利用的电磁频谱大约在0Hz--3000GHz，并向更高的频段发展。
应用最多的仍然在中频300-3000kHz、高频 3-30MHz、甚高频30-300MHz、超高频3003000MHz、特高频3-30GHz。
通信、电视、广播、导航、雷达、测控均在 此频段范围内。
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频谱分配
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3.5 雷电 雷电的形成
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，一般专业书中讲的 雷雨云就是指积雨云。积雨云形成过程中，在大 气电场、温差起电效应和破碎起电效应（大水滴 和冰晶的破碎起电）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。
第三讲 电磁环境及电磁污染途径
电磁波存在的自然环境—电磁环境
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：瞬态波骚扰和连续波骚扰； 一般：自然电磁骚扰源和人为电磁骚扰源。
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3.1 自然电磁环境
根据电磁波产生的机理不同，一般将电磁干扰划 分为自然电磁干扰和人为电磁干扰两种。
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✓ 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，建筑物上落雷机会反倒增加，内 部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增 加了)，对用电设备造成极大危害。
➢ 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信线路中感应的 电流浪涌引起的。浪涌电压可以从电源线或信号 线等途径窜入电脑设备。
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➢ 电磁辐射场区一般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，我们应该格外注意对电磁辐射近区场的防护。