电磁兼容技术的发展及典型应用技术

电磁兼容技术的发展及典型应用技术

高鹏张英会

摘要: 本文简单的介绍了电磁兼容技术的发展现状和几种典型的技术应用, 并对控制和试验技术中的电磁屏蔽技术、干扰抑制滤波技术及 EMI 诊断进行了简单的介绍和分析。最后, 对几种比较新型的试验室技术做了简单的介绍。

关键词: 电磁兼容; 控制技术; 试验技术; 干扰抑制滤波

电磁兼容是指电气设备在同一电磁环境中共存的一种特性, 即要求在同一环境中使用的电气设备正常工作而不能相互干扰, 达到兼容的目的, 更通俗的说, 要求工作中的电气设备对环境的电磁干扰值和抗干扰能力必须满足法律法规的要求, 否则该电气设备则会对其他正常工作的电气设备造成干扰或者不能再正常允许的电磁环境中正常工作。

它是与电磁环境密切相关的一门综合性极强的边缘科学。主要以电气、电子科学理论为基础, 研究并解决各类电磁污染问题, 可以说电磁兼容技术是一个正在不断发展的新型综合性学科, 也是一门工程性极强的应用技术。

1.发展现状

60 年代以来, 现代电子科学技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度、高可靠性方面发展, 其应用范围越来越广, 渗透到了社会的每个角落, 因而发达国家在EMC研究方面投入了大量的人力和物力。电磁兼容的研究在我国起步较晚, 发达的西方国家早在 20 世纪 80 年代就已经发布了对电气设备的电磁兼容指标进行强制性认证的法令, 任何电气设备必须满足相关的法律法规的要求方可投放市场, 须取得认证合格证后才允许在市场上销售。

早几年前, 我国的电气产品没有对电磁兼容指标作出具体的要求, 相关的法律法规尚在制定中, 国内的产品开发人员还没有把电磁兼容这一理念认识理解, 许多产品在设计、开发阶段根本没有考虑到电磁兼容这一问题, 加之不了解国外的电磁兼容相关标准, 使得研发的产品不能通过国外强制性的电磁兼容测试, 致使产品不能投放国外市场。设计开发的产品需要送到境外去做电磁兼容测试, 不断地修改不断地测试, 走了很多弯路, 浪费了大量的人力物力, 更浪费了宝贵的时间, 甚至错失了许多商机。

随着我国加入 WTO, 电磁兼容在我国得到了越来越高度的重视, 我国政府制定了较为完善的标准和相应的实施细则, 从多种渠道推动国内电磁兼容检测和研究工作, 开展了各种各样的围绕着电磁兼容设计、开发、测试等方面的培训活动, 使产品的开发人员认识和

领会了电磁兼容这一理论, 在一定程度上推动了这一技术的实施。

2.技术应用

2.1 电磁兼容控制技术电磁兼容性控制是一项系统工程, 应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都充分的予以考虑和实施才可能有效。科学而先进的电磁兼容工程管理是有效控制技术的重要组成部分。屏蔽、滤波、合理接地、合理布局等抑制干扰的措施都是很有效的, 在工程实践中被广泛采用。但是随着电子系统的集成化、综合化, 以上措施的应用往往会与成本、质量、功能要求产生矛盾, 必须权衡利弊研究出最合理的措施来满足电磁兼容性要求。又如新的导电和屏蔽材料以及工艺方法的出现, 使电磁兼容性控制技术又有了新的措施, 可见电磁兼容控制技术始终是电磁兼容科学中最活跃的研究课题。

电磁兼容控制策略与控制技术方案可分为如下几类:

( 1) 传输通道抑制: 具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地、布线。

( 2) 空间分离: 地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制、电场矢量方向控制。

( 3) 时间分隔: 时间共用准则、雷达脉冲同步、主动时间分隔、被动时间分隔。

( 4) 频率管理: 频率管制、滤波、频率调制、数字传输、光电转换。

( 5) 电气隔离: 变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、DC/DC变换。

2.1.1 电磁屏蔽技术

屏蔽一般分为两种类型: 一类是静电屏蔽, 主要用于防治静电场和恒定磁场的影响, 另一类是电磁屏蔽, 主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。

静电屏蔽应具有两个基本要点, 即完善的屏蔽体和良好的接地。电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一区域感应和辐射传播的方法。电磁屏蔽不但要求有良好的接地, 而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性, 对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。因而为了满足电磁兼容性要求, 常常用高导电性的材料作为屏蔽材料, 如铜板、铜箔、铝板、铝箔、钢板或金属镀层、导电涂层。在实际的屏蔽中, 电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构, 即导电的连续性。机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。

2.1.2 干扰抑制滤波技术

滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰, 为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰(EMI)滤波器两大类。

信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量, 同时是对被选择信号的幅度相位影

响最小的滤波器。电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线 EMI 滤波器、电源 EMI 滤波器、印刷电路板 EMI 滤波器、反射EMI 滤波器、隔离 EMI 滤波器等几类。

线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线, 由于导线的存在, 往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。同时, 这些导线又能接受外部的电磁干扰, 使电路对干扰很敏感。在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。脉冲信号的高频成分很丰富, 这些高频成分可以借助导线辐射, 使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少, 由于高频信号的辐射效率较高,这个高频成分的减少, 线路板的辐射将大大改善。

电源线上的干扰电路以两种形式出现。一种是在火线零线回路中,其干扰被称为差模干扰。另一种是在火线、零线与地线和大地的回路中, 称为共模干扰。通常 200Hz以下时, 差模干扰成分占主要部分。1MHz以上时, 共模干扰成分占主要成分。电源滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制作用, 但由于电路结构不同, 对差模干扰和共模干扰的抑制效果不一样。所以滤波器的技术指标中有差模插入损耗和共模插入损耗之分。

2.2 电磁兼容试验技术

我国运用电磁兼容试验技术, 多起始于60年代前后, 当时试验室条件简陋, 测量设备多半是国内自行研制的简易测量设备, 测量手段也比较落后。1966 年船舶工业先行一步, 制订了自己的行业测量标准 JB- 854-66《船用电气设备工业无线电干扰端子电压测量方法及允许值》。电磁兼容领域与其他专业相比, 要更多地依赖于测量, 而且电磁兼容测量对试验条件的要求又很严格。因此, 随着国际电磁兼容标准的应用与转化, 我国高标准的试验室陆续建成, 专业技术队伍也不断扩充壮大, 为电磁兼容试验技术的发展带来了机遇和条件保证。

2.2.1EMI 诊断

即 EMC预测试, 其特点是在产品开发初期能够及早地发现设计中的问题, 它不需要苛刻的试验条件, 也回避了购置昂贵测试设备的困难, 因此它有强大的生命力。它在整个产品的研制生产中仍是重要的测试手段, 可及时检验产品的 EMC 设计是否合理, 所采取的 EMI 抑制措施是否奏效, 使设计人员尽快了解要进一步抑制干扰需从哪些环节入手。

EMC设计应与产品电性能设计同步进行、综合考虑,这已被设计师队伍接受。一般产品的 EMC测试在产品功能测试( 即电性能)指标达标后进行。在未来的测试技术发展中,EMC 测试有与产品的功能测试融为一体的可能。如当前信息产业部通信计量中心引进的手机等

专用信息产品的 EMC测试试验室和测试设备就是在手机正常工作状态下检测相关的 EMC 指标。

2.2.2 部分新型试验设施

近十年, 人们逐渐推广使用混响室进行电磁兼容试验。混响室是一个由金属墙壁构成的试验室, 一般在测试室的天花板上装设一个大浆形状的搅拌器。将待测设备 ( EUT ) 放在室内, 当搅拌器旋转时, 使待测设备暴露于电磁场中。待测设备在场中的平均响应可通过响应对搅拌器旋转一周的时间周期进行积分来求得。混响室的金属墙壁容许在室内建成一个强场。待测设备暴露于由数个不同的极化组成的强场电平中。

最近, 国外又在推广 5 米法电波暗室。与 10 米法电波暗室相比, 这种暗室占用的空间要小得多, 因而成本会大大下降。人们正在研究如何将 5 米法测试结果等效成 10 米法的结果, 这一研究工作在国内外受到广泛关注, 进展较快, 预计在近期将会取得满意的成果。

此外, 人们还提出另一种屏蔽小室———WTEM小室, 其结构是半个 TEM小室, 但采用线阵结构而非板块结构, 它与 TEM小室相比并没有实质性的改变, 但这种结构在改善电磁场的均匀性、降低本身的耦合与提高单模带宽方面比 TEM小室更容易实现。

3.结束语

随着现代电子技术的高速发展, 电磁兼容技术被应用到越来越多的领域, 电磁兼容控制技术和试验技术更是不断进步, 先进的控制技术和试验技术不断推陈出新, 越来越走向系统化、集成化, 电磁兼容的重要性日益显著, 正在被世界各国所重视。其综合性及边缘性决定了电磁兼容研究之路途漫长。

作者单位:

高鹏, 长春市万易科技有限公司

张英会, 吉林工程技术师范学院