电磁兼容基本原理
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第2章电磁兼容基本原理
2.1 电磁兼容的基本概念
2.2 电磁骚扰源
2.3 电磁骚扰的传播
2.4 保证电磁兼容性的方法
2.1 电磁兼容的基本概念
2.1.1 有关电磁兼容的定义
电磁兼容性(E lectr omagn eticCompat ibili ty—EMC)
中国标准：（国家标准GB/T 4365-1995《电磁术语》的定义）
设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
通俗地说，设备或系统相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态。
美国IEEE：（电气电子工程师协会(IEEE)的定义）
一个装置能在其所处的电磁环境中满意地工作同时又不向该环境及同一环境中的其他装置排放超过允许范围的电磁扰动。
国际IEC：（电工技术委员会(IEC)的定义）
电磁兼容是设备的一种能力。
它在其电磁环境中能完成它的功能，而不至于在其环境中产生不允许的干扰。
电磁兼容(学)：有关电磁兼容性研究和应用的学科。
学科的内容十分广泛，几乎包括现代各个行业、部门，涉及多学科理论，是一门综合性的边缘学科。
电磁骚扰(E1ectr omagn eticDistur bance)：可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命、无生命物质产生损害作用的电磁现象。
电磁干扰(E1ectr omagn eticInterf erenc e—EMI)：由电磁骚扰引起的设备、系统或传播通道的性能下降。
电磁骚扰和电磁干扰比较：两个词语过去经常混用，但两者之间有明显的区别——前者是指电磁能量的发射过程，后者则强调电磁骚扰造成的结果。
性能降级(Degrad ation of Perfor mance)：装置、设备或系统的工作性能与正常性能的非期望偏差。
抗扰性(Immuni ty of Distur bance)：装置、设备或系统面临电磁骚扰而不降低运行性能的能力。
电磁敏感性(E1ectr omagn eticSuscep tibil ity—EMS)：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。
电磁敏感性与抗扰性比较：同一性能的正反两个不同说法，敏感性高意味着抗扰性能低。
电磁兼容裕量(EMC Margin)：装置、设备或系统的抗扰性限值与骚扰源的发射限值之间的差值。
有关发射电平、抗扰性电平、限额值和兼容性电平等之间的关系
电磁兼容电平：预期加在工作于指定条件的设备上的规定的最大电磁骚扰电平。
注：实际上，电磁兼容电平并非绝对最大值，而可能以小概率超出。
[来自骚扰源的]发射限值：规定的电磁骚扰源的最大发射电平。
[骚扰源的]发射电平：用规定方法测得的由设备发射的电磁骚扰电平。
发射裕量=电磁兼容电平-发射限值 设备发射设计裕量=发射限值-发射电平
抗扰性限值：规定的最小抗扰性电平。
抗扰性电平：将某给定的电磁骚扰施加于某一设备时，该设备仍然能正常工作并保持所需性能等级时的最大骚扰电平。
抗扰性裕量=抗扰性限值-电磁兼容电平 设备抗扰性设计裕量=抗扰性电平-抗扰性限值
兼容性裕量=抗扰性电平-发射限值
2.1.2 电磁干扰三要素 电磁兼容就是研究电磁干扰（EMI ）问题。
电磁干扰三要素：
电路受干扰的程度可用下式描述：
WC S I
= 此式仅仅表达比例关系。
式中，S 为电路受干扰的程度；W 为骚扰源的强度；C 为骚扰源通过某种途径到达被干扰处的耦合因素；I 为被干扰电路的抗干扰性能。
2.2 电磁骚扰源
2.2.1 电磁骚扰的一般分类
1、从来源分：自然骚扰（人身静电、雷电、自然辐射）和人为骚扰（广播、通信、计算机）。
人为骚扰又可以分为：
2、从骚扰属性分 ：功能性骚扰（广播、通信、电视）和非功能性骚扰（开关的电弧放电）。
3、从耦合方式分 ：传导骚扰（媒体是导线）和辐射骚扰（媒体是空间） 。
4、从骚扰波形分：连续波、周期脉冲波、非周期脉冲波。
/
S W C I =
5、从频谱宽度分：宽带骚扰和窄带骚扰。
6、从频率范围分：
甚低频骚扰(30Hz以下)、
工频与音频骚扰(50Hz及其谐波)、
载频骚扰(10kHz一300kH z)、
射频及视频骚扰(300kHz一300M Hz)、
微波骚扰(300MHz一100G Hz)。
2.2.2 自然骚扰源
1．静电
当两个不同的物体相互接触时，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。
所以物体与其他物体接触后再分离，就会带上静电。
在日常生活中，脱衣服产生的静电也是因为“接触分离”产生的。
摩擦起电实质上是接触分离起电。
大多数非导体材料相互摩擦都会产生静电荷，但产生的电荷量多少是由材料起电序列决定的。
常见材料的摩擦起电序列为：人体、玻璃、云母、聚酰胺、毛织品、毛皮、丝绸、铝、纸、棉花、钢铁、木头、硬橡胶、聚酯薄膜、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(PVC)。
两种材料相差间隔越大，摩擦起电就越容易。
但并不是说，摩擦起电越容易，材料表面积累的静电荷就越多。
摩擦起电引起的电荷积累还有一些其他条件的限制，比如两种材料接近的紧密程度、分离的速率、湿度及两材料的导电性等。
比如以上序列中的铝和钢铁，两材料虽然摩擦也可以产生电荷，但因两材料均为良导体，产生的电荷会马上中和，不会产生静电荷的积累。
当然，潮湿的空气也是正负电荷中和的路径。
静电的危害主要是通过静电的放电现象引起的
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。
一定要记住的一个事实是，静电放电时产生的能量很大，频率很高(有时高达5GH z)。
人体上的电压通常会达到8～10kV
人体有感觉的静电放电电压为3000～5000V，然而，元件发生损坏时的电压仅几百伏。
对MOS器件的破环，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。
常见的防静电产品有防静电地板、防静电服装、防静电护腕。
2．雷电
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。
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，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。
雷电的破坏作用：
雷电具有以下几个特点：
1．冲击电流非常大，其电流高达几万至几十万安培。
2．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。
3．雷电流变化梯度大，有的可达10kA/µs。
4． 冲击电压高，强大的电流产生交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。
雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌3种。
雷雨天气时，不要使用电脑、电视、电话等。
浪涌：电源浪涌和信号系统浪涌
常见防雷产品：1) 接闪器 2) 低压电源避雷器 3) 通信线路避雷器 4) 接地装置
3．自然辐射
2.2.3 人为骚扰源 常见的产生骚扰的设备有： (1) 无线电通信设备 (2) 工业、科学、医疗设备 (3) 电力系统
(4) 点火系统
(5) 家用电器、电动工具及电气照明 (6) 信息技术设备 无论是自然的或人为的电磁骚扰源，按其构成威胁的程度均可分为4类：雷电、强电磁脉冲、静电放电和开关操作，其电压、电流和时域特性。
2.2.4 时域和频域 电信号可以用时域和频域两种方式表示。
在时域中，信号表示为其量值随时间变化的函数。
它比较符合人们的观察习惯，可用示波器显示信号波形。
在频域中，信号表示为其幅值、相位随频率变化的函数。
电磁兼容标准的限值是在频域中规定的，可用频谱分析仪测量信号频谱。
时域信号和频域信号可以相互转换： 时域→频域：傅里叶变换 -j -()()e d t F ωf t t ω∞
∞
=
⎰
频域→时域：傅里叶反变换 j -1()()e d 2ωt f t F ωωπ∞
∞
=⎰ 周期信号可以用傅里叶级数表示：
0()jn t n n f t c e ω∞
=-∞
=∑， 其中 000
1
()t T jn t n t c f t e dt T ω+-=
⎰
， T 是周期
2.3 电磁骚扰的传播
将传播方式按耦合机理分类： ⎧⎪
⎪⎨⎪⎪⎩传导耦合
磁场耦合
电磁骚扰传播方式电场耦合辐射耦合
传导耦合：是指一个电路中的骚扰电压或骚扰电流通过公共电路流通到另一个电路中的耦合方式。
磁场耦合（电感耦合）：是指一个回路中的骚扰电流通过链接磁通（互感）在另一个回路中感应电动势，
以传播骚扰的耦合方式。
电场耦合（电容耦合）：是指一个电路中导体的骚扰电压通过与其临近的另一电路中导体之间的相互电容
耦合产生骚扰电流，以传播骚扰的耦合方式。
辐射耦合：是指电磁骚扰在空间中以电磁波的形式传播，耦合至被干扰电路。
2.3.1 电流流通路径 什么是电流？ 电流是影响电磁兼容性的最重要的因素。
电荷的移动形成电流（传导电流I C
）；
电场的变化也形成电流（位移电流I D
）。
如何掌握电流流通路径？ ①任何电流都要返回其源； ②电流总是沿着最小阻抗路径走。
在电流流通时，它的路径受电路阻抗的影响，载流导线除了有电阻之外，还有电感、电容，在高频情况下其感抗值远大于电阻值，这在电路分析时必须考虑进来。
哪是最小阻抗路径？
电流的分配与并联支路各自的阻抗成反比。
1122
U I Z I Z ==
Z R j
L ω=+
电感与回路面积有关，并成正比。
1
22
1I Z I Z =
低频（1kHz ） 时： 路径2
2121,Z R R R I I ≈⇒
高频（10kHz ）时： 路径1
2121,Z j L L L I I ω≈⇒
电流返回路径走哪里？
在本例中，最小阻抗路径就是最小回路电感路径，也就是最小回路面积路径。
2.3.2 传导耦合
传导耦合：是指一个电路中的骚扰电压或骚扰电流通过公共电路流通到另一个电路中的耦合方式。
若两个电路共用一段电路，其中一个电路中有骚扰电流流过时，在该段公共电路（阻抗）上产生的骚扰电压就会影响到另一个电路，产生传导耦合或公共阻抗耦合。
电路1在电路2的负载Z L 2上产生干扰电压：当11c S L Z Z Z + 和22c S L Z Z Z + 时，
这里的公共电路即包括人为接入的阻抗，也包括由公共电源线和公共地线的引线电感等所造成的阻抗。
常见的公共阻抗耦合包括： 1、 公共地阻抗耦合
2、公共电源阻抗耦合
12
21122()()
S C L L S L S L U Z Z U Z Z Z Z =+
+
连接导线的模型
a) 连接导线的实际电路 b) 低频等效电路 c) 高频等效电路
（且高频时，感抗远远超过电阻）
半径为a 、长度为l 的圆柱导体： 直流电阻：2
ππDC l l
R a a a σσ=
=* σ是导体的电导率
交流电阻：2ππ2AC l l R a a σδσδ
=
=
*；
透入深度δ=
， μ是磁导率。
频率越高、导电性能越好，则导体的趋肤效应越显著、透入深度越小。
对于铜导体，在频率50 Hz f =时，透入深度9.4 mm δ=，而当频率时810 Hz f =，透入深度 6.7 m δμ=。
无限大空间中，两根半径a 、长l 、间距d （l >>d ）的平行圆柱导体构成的连接回路： 回路电感：0arccos h π2l
d L a μ⎛⎫
=
⎪⎝⎭ 导体间的电容：0πarccos h 2l
C d a ε=
⎛⎫
⎪
⎝⎭
d >>a 时：0ln πl
d L a μ⎛⎫
≈
⎪⎝⎭
；0πln l C d a ε≈
⎛⎫ ⎪⎝⎭
矩形回路的电感
★为减小传导耦合的影响，应采取如下措施： ①尽量减少与骚扰源回路的公共部分； ②采取滤波措施。
2.3.3 磁场耦合
磁场耦合（电感耦合）：是指一个回路中的骚扰电流通过链接磁通（互感）在另一个回路中感应电动势，以传播骚扰的耦合方式。
当骚扰源为低电压、大电流时，它对周围电路的影响，主要表现为磁场耦合干扰。
一般的磁场耦合是指骚扰源产生的骚扰磁场与被干扰回路存在磁通交链，从而在被干扰回路中感应电动势。
例: 半径为a 的无限长直导体通有电流I ，计算导体内的基本场变量()H r
()d c
I ⋅=∑⎰ H r l 2I
H r
φ=
π r a > ★暴露在磁场中单回路的磁场耦合
设骚扰磁场的磁通密度为B ，穿过一面积为S 的闭合回路，则该回路中感应的干扰电压为
d
d d N S
u t =-
∙⎰B S 回路固定不变，磁通密度按正弦规律变化时
j cos N
U ωBS θ=-
一个长5c m 、宽3cm 的矩形回路处于f =150kH z 、H =2A/m 的磁场中，且磁场垂直于回路平面，则回路中的感应电压为3.55mV .
由式j cos N
U ωBS θ=- 可见，为了降低感应电压，必须减小ω、B 、S 及cos θ，也就是说， 为减小暴露在磁场中单回路的磁场耦合，应采取如下措施： ① 尽量减弱骚扰磁场及其频率；
⎪⎪⎭
⎫++++
⎝
⎛-
++-++--=a w w
a h h h w h w w w w h h h w h w h L 22ln ln ln 222π222
22
2
0μ
② 减少回路包围的面积；
③ 使闭合回路面的方向与骚扰磁场的方向垂直。
注意：闭合回路面的方向定义为垂直于此面的方向，即闭合回路面的法向。
★两个平行电路之间的磁场耦合 对于两个平行电路之间的磁场耦合，可用互感M 表示。
被干扰电路中的负载上的干扰电压21222
j /()L L S L U MI Z Z Z ω=+
磁场耦合不需要直接的电连接，当骚扰信号的频率高（电流随时间变化快），被干扰电路回路面积大（互感大），被干扰电路的负载阻抗远大于其源阻抗时，磁场耦合严重。
为减小两个平行电路之间的磁场耦合，应采取如下措施： ①降低骚扰电流的频率； ②减小回路之间的互感；
③减小被干扰回路的负载阻抗。
为减小互感，可a)减小回路面积；b)增大回路间的距离；c)避免回路面平行布置；d)采取屏蔽措施。
2.3.4 电场耦合
电场耦合（电容耦合）：是指一个电路中导体的骚扰电压通过与其临近的另一电路中导体之间的相互电容耦合产生骚扰电流，以传播骚扰的耦合方式。
当骚扰源为高电压、小电流时，它对周围导体、电路的影响，主要表现为电场耦合干扰。
两个导体相互靠近就构成一个电容。
骚扰源通过电容耦合作用于被干扰电路 在导线2上产生的干扰电压为
12222211222222j ()1j ()()S L S L N
G S L S L ωC Z Z Z Z U U ωC C Z Z Z Z +=+++ 式中：1111111||j ||j L G
S
S L G
Z C U U Z Z C ωω=+ 通常情况下
22221221
()S L S L G Z Z Z Z ωC C <<
++，即2212222
()1S L G S L Z Z ωC C Z Z +<<+ 则
22121
22
j S L N S L Z Z U ωC U Z Z ≈+ 可见，通过电容耦合产生的干扰电压与骚扰源的频率、骚扰电压、骚扰电路与被干扰电路之间的耦合电容、被干扰电路的源阻抗和负载阻抗的并联值成正比。
为减小电场耦合的影响，应： ①减小骚扰电压； ②降低骚扰电压的频率；
③减小被干扰回路中源阻抗和负载阻抗的并联值； ④减小电路之间的耦合电容； ⑤采取屏蔽措施。
若
22221221()S L S L G Z Z Z Z ωC C ++ ，则 121122N
G
C U U C C ⎛⎫≈ ⎪+⎝⎭
此时，电容耦合产生的干扰电压仅取决于12C 与的分压比2G C ，而与频率无关，为了减小干扰电压，除了减少电路间的耦合电容外，还可以使导体2尽量靠近地平面，以增大2G C 。
2.3.5 辐射耦合
辐射耦合：是指电磁骚扰在空间中以电磁波的形式传播，耦合至被干扰电路。
1.电磁辐射的概念 当远离场源时，空间中的电磁场并不取决于同一时刻的场源特性，它类似于水中的波纹，即使当前时刻的场源已经消失，但前一时刻它释放出的电磁能量仍然单独存在于空间电磁场中，并以电磁波的形式按一定的速度在空间传播，这种现象称为电磁辐射。
2.辐射场强
电偶极子
近场： 远场：
磁偶极子
303
02sin 4πcos 2πj sin 4πr I
l E r I l E r
I l H r
θϕβθεβθεβθ⎧∆≈⎪⎪⎪∆⎪≈⎨⎪⎪
∆⎪≈⎪⎩
2j 0j j sin 4πj sin 4πr r
I l E e r I l H e r βθ
βϕβθωεβθ--⎧∆≈⋅⎪⎪⎨
∆⎪≈⋅⎪⎩
33
sin 4πcos 2πj sin r I S H r I S H r I S E θθθθ
⎧∆≈⎪⎪
⎪∆⎪≈⎨⎪
⎪∆≈
2j 3j j sin 4πj sin 4πr r I S H e r I S E e r
βθ
βϕβθβθωε--⎧∆≈⋅⎪⎪
⎨∆⎪≈⋅⎪
近场： 远场：
实际的辐射体：分解，叠加。
电路产生的辐射
U 为信号源，R 为负载电阻，Δl 和Δh 分别为矩形回路的长和宽，且Δl <<λ、Δh <<λ。
负载电阻很小时，
111n i
i n r
ri i n i i E E E E H H θθϕϕ===⎧=⎪⎪⎪⎪=⎨⎪⎪⎪=⎪⎩∑
∑∑ 111n i i n r ri i n i i H H H H E E θθϕϕ===⎧=⎪⎪⎪⎪=⎨⎪⎪⎪=⎪⎩
∑∑∑ 3max 0||
4πj l h U E r R L
βωε∆∆=+
负载电阻很大时
一对平行载流导线产生的辐射电场
差模电流产生的最大电场 为减小差模电流辐射，应当减小电流值，减少回路面积。
共模电流产生的最大电场 为减小共模电流辐射，应减小电流值，缩短导线长度。
22
max 00||4π4πl h l h E rZ r
ββωε∆∆∆∆=≈12CM DM CM DM I I I I I I =+⎧⎨=-⎩1212()/2()/2
DM CM I I I I I I =-⎧⎨=+⎩214max |||| 1.31610DM DM I f ld
E r -=⨯6max |||| 1.25710CM CM I f l
E r
-=⨯
3.波阻抗
空间中某点的电场强度与磁场强度的比值称为波阻抗，即 E Z H
=
在远场区：E Z H ==远
在空气中：0377Z Z ===Ω远 因此，远场的波阻抗与场源性质、场源频率及空间场点的位置无关。
在近场区
对于电偶极子： 0001j 2θE λZ Z Z H ωεr πr
ϕ===>>近 对于磁偶极子：0002j θ
E πr Z ωμr Z Z H λϕ
===<<近 在近场区，波阻抗与源的性质有关。
电偶极子或短直导线的近场为高阻抗电场，而磁偶极子或环形天线的近场为低阻抗磁场。
波阻抗随场点到场源距离的变化如下图：
4. 辐射耦合方式
辐射耦合是指电磁骚扰在空间中以电磁波的形式传播，耦合至被干扰电路
要解决辐射耦合问题，就需要正确识别和处理好无意间形成的与辐射发射和辐射接收有关的发射天线和接收天线。
常见的典型的天线结构：a )双极天线 b)单极天线 c)回路天线 d ）缝隙天线
为减小辐射，应当避免形成有效的天线结构，或将天线的两部分短接起来；
对于回路天线，应当减小回路的面积，或使其部分回路的作用相互抵消；
对于缝隙天线，应当减小缝隙的最大尺寸（一般要小于λ/20），或采用波导结构以减少低于其截止频率的辐射。
空间辐射电磁波对电路的干扰：
（1）天线耦合：有的是通过接收天线感应进入接收电路，
（2）导线感应耦合：多数是通过线缆感应，然后沿导线进入接收电路，
（3）闭合回路耦合：还有的是通过电路回路感应形成干扰。
根据电磁感应定律，闭合回路中产生的感应电压为：l U d =⎰E l 或 S U d t
∂=-∂⎰⎰B S
为减少辐射耦合的影响，应：
①降低骚扰源的强度和频率；
②避免形成天线结构及采用自屏蔽结构；
③将天线的两极短接起来；
④采取滤波措施，如共模滤波；
⑤采取屏蔽措施。
2.4 保证电磁兼容性的方法
在产品设计开发的不同阶段，可采取的技术手段及付出的代价是不同的。
设计初期，EMC 设计成本很少，可采取的措施很多；越到后期，可采取的手段越少，付出的代价也越高。
为此，应当在新产品设计阶段就首先进行电磁兼容设计。
在产品电磁兼容设计时，要注意以下几方面：
①跟据使用环境获取对系统的电磁兼容性要求；
②在方案论证初期就提出产品的电磁兼容性指标；
③把电磁兼容性设计融入产品的功能设计中，而不是采取事后的补救措施；
④通过试验、测量确认系统已达到电磁兼容性要求；
⑤对产品进行跟踪调查，保证其寿命期内的电磁兼容问题。
电磁兼容设计的内容
设计思路:从电磁干扰的三要素入手，
(1)首先，充分了解电子设备可能存在的电磁骚扰源及其性质，消除或降低电磁骚扰源的参数；
(2)其次，充分分析电磁骚扰可能的传播途径，切断或削弱与电磁骚扰的耦合通路；
(3)最后，分析和认识易于接收电磁骚扰的电磁敏感电路或单元，尽量提高其承受电磁骚扰的能力。
具体的技术措施大致可归纳为两类：
(1)设备或系统本身应尽可能选用相互干扰最小的部件、电路和设备，并予以合理的布局；
(2)通过采用屏蔽、滤波、接地、合理布线等技术，将干扰予以隔离和抑制。