电磁兼容与结构设计

xxxx大学硕士生课程论文电磁兼容与结构设计电磁兼容概述（2014—2015学年上学期）姓名：学号：所在单位：专业：摘要随着用电设备的增加，空间电磁能量逐年增加，人类生存环境具有浓厚的电磁环境内涵。

在这种复杂的电磁环境中，如何减少相互间的电磁干扰，使各种设备正常运转，是一个亟待解决的问题；另外，恶略的电磁环境还会对人类及生态产生不良影响。

电磁兼容正是为解决这类问题而迅速发展起来的学科。

可以说电磁兼容是人类社会文明发展产生的无法避免的“副产品”。

电磁兼容一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作，又互不干扰，达到兼容状态。

电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科，其理论基础涉及数学、电磁场理论、电路基础、信号分析等学科与技术，其应用范围几乎涉及到所有用电领域。

关键字：电磁兼容、电磁发射、传导耦合、辐射耦合、静电放电1 引言信息技术已经成为这个时代的主题，而信息时代的最突出特征，就是将电磁作为记录和传递信息的主要载体，人们对于电磁的利用无处不在。

电磁日益渗入到金融、通信、电力、广播电视等事关国家安全的各个重要领域和社会生活的各个角落，电磁已经成为了信息时代中将经济、军事等各方面各部门联成一体的纽带，它与每个人工作和生活息息相关。

电磁空间对国家利益的实现具有越来越深刻的影响，经济社会发展、军队建设和作战对电磁空间的依赖程度日益提高[1]。

当前人类的生存环境已具有浓厚的电磁环境内涵。

一方面，电力网络、用电设备及系统产生的电磁骚扰越来越严重，设备所处电磁环境越来越复杂；另一方面，先进的电子设备的抗干扰能力越来越弱，同时电气及电子系统也越来越复杂。

在这种复杂的电磁环境中，如何减少相互间的电磁干扰，使各种设备正常运行，是一个亟待解决的问题。

另外，恶略的电磁环境还会对人类及生态产生不良影响。

对于生产厂家而言，只有出场设备具有一定的电磁兼容性并且适应目前这一复杂的电磁环境，才能使自己的产品更具有竞争力。

而对于国家安全而言，构筑电磁空间安全防御体系，已成为各国和军队建设的重要内容，随着社会信息化程度的不断提高，电磁空间对国家安全的影响也越来越大。

电磁兼容是指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干扰的能力，研究在有限的空间时间和频谱资源条件下，各种用电设备（分系统、系统、广义的还包括生物体）可以共同存在不致引起降级的一门学科。

电磁兼容涉及的频率范围宽达0~400GHz，研究对象除传统设施外，涉及芯片级，直到各型舰船、航天飞机、洲际导弹，甚至整个地球的电磁环境。

电磁兼容研究涉及许多方面，如计算机安全、典型设备、无线设备、工业控制设备、自动化设备、机器人、移动通信设备、航空航天飞机、舰船、武器系统及测量设备的电磁干扰问题，各种线缆的辐射和控制，高压输电线路及交流电气铁道的电磁影响，电磁场生物效应，地震电磁现象等。

许多工业发达国家自1996年1月1日其规定所有电子设备都要经过电磁兼容性认证，否则将禁止在市场销售。

我国电磁兼容性认证管理办法已于1999年10月颁布，从2003年8月起对电子设备实行电磁兼容强制性认证，简称3C认证。

3C认证是中国国家强制性产品认证（China Compulsory Certification）的简称实际上将CCEE（中国电子电工产品安全认证）、CCIB（中国进口电子产品安全认证）、EMC（电磁兼容性认证）三证合一。

电磁兼容测试已成为电子设备研发和生产过程中一个不可缺少的重要环节[2]。

本文主要分为三个部分，分别对电磁兼容技术的发展，电磁兼容的三要素以及电磁兼容的常见防护措施进行讨论。

2 电磁兼容技术的发展EMC (Electromagnetic Compatibility，电磁兼容)的发展经历了从“路”到“场”，从低频到高频，从狭义的电磁干扰到广义的电磁兼容的过程。

电磁兼容可以说是一门既古老又年轻的学科，说他古老，是因为对于电磁干扰的研究可以追溯到19世纪，从无线电波作为通信媒质开始就存在，当时发现火花间隙能产生电磁波，能在无线电、电报通信系统的接收机上产生干扰或噪声。

说他年轻，是指电磁兼容只是在近30年，随着数值计算的发展，该学科才得到快速的发展。

科学家及工程师们不仅可以提出模型揭示干扰隐含的物理现象，同时也可以采用计算模型更好的理解干扰现象，使干扰现象可视化，同时可以减轻干扰的作用。

电磁干扰是人们早就发现的电磁现象，1823年安培发现了电流产生磁力的基本定律。

1831年法拉第发现电磁感应现象，总结出电磁感应定律，揭示了变化的磁场在导线中产生感应电动势的规律。

1840年美国人亨利成功地获得了高频电磁振荡。

1864年麦克斯韦综合了电磁感应定律和安培全电流定律，总结出麦克斯韦方程，提出了位移电流的理论，全面地论述了电场和磁场之间的相互作用，并预言电磁波的存在。

麦克斯韦的电磁场理论为认识和研究电磁干扰现象奠定了理论基础。

1881年英国科学家希维赛德发表《论干扰》的文章，标志着研究干扰问题的开端。

1888年德国物理学家Hertz用实验证实了电磁波的存在，从此开始了人类对电磁干扰问题的实验研究。

1889年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使对干扰技术问题的研究开始走向工业化和产业化[3]。

二十世纪以来，随着电子技术的发展和应用，人们逐渐认识到对各种电磁干扰进行控制的重要性。

特别是工业发达国家格外重视干扰控制，它们成立了国家级以及国际间的组织，如德国电气工程师协会、IEC(International Electro-technical Commission，国际电工技术委员会)、CISPR(International Special Committee On Radio Interference，国际无线电干扰特别委员会)等。

为了解决干扰问题，保证设备和系统运行的电磁兼容性，四十年代初有人提出了电磁兼容性的概念。

1944年德国电气工程师协会制订了世界上第一个电磁兼容性规范VDE0878。

接着美国在1945年颁布了美国最早的军用规范JAN-I225。

从四十年代提出电磁兼容性概念起，电磁兼容学科在认识、研究和控制电磁干扰的过程中得到了发展。

它深入阐述了电磁干扰产生的原因，分清了干扰的性质，研究了干扰传输以及耦合的机理，系统地提出了抑制干扰的技术措施，促进了电磁兼容的系列标准和规范的制订，建立了电磁兼容设计、分析和预测等一系列理论体系。

放眼未来，电磁兼容还将在信息安全和生物电磁学等方面获得较大的进展。

电磁兼容技术的频率范围宽达400GHz，研究对象除传统设施外，还涉及从芯片直到各型舰船、航天飞机、洲际导弹，甚至整个地球的电磁环境。

各种测试方法和测试标准一开展了全方位的研究，例如，VDE、FTZ、FCC、BS、MIL-STD、VG、PTB、NAC-SIM、IEC、CISPR和ITU-T等标准逐年更新版本，并趋向于全球公认化。

各种规模的电磁兼容论证、设计、测试中心如雨后春笋般出现。

各国都注重电磁兼容教育和培训及学术交流。

近1994年，就举办了25次国际性的一流学术交流和培训班。

研究的热点以涉及许多方面，如计算机安全，电信设备电磁兼容，无线设备、工业控制设备、自动化设备、机器人、移动通信设备、航空航天、舰船、武器系统及测量设备等的电磁兼容问题，各种线缆的辐射和控制，超高压输电线及交流电气轨道的电磁影响，电磁场生物效应，地震现象，接地系统和屏蔽系统等。

我国对电磁兼容理论和技术的研究起步较晚，标准化工作起始于20世纪60年代。

直到80年代初才有组织系统地研究并制订电磁兼容性标准和规范。

1981年颁布了第一个航空工业部较为完整的标准HB5662-81《飞机设备电磁兼容性要求和测试方法》。

从那时起，国内的电磁兼容学术组织也纷纷成立，学术活动开始频繁起来。

而1990年在北京成功举办的第一次国际电磁兼容性学术会议，标志着我国电磁兼容学科的迅速发展并开始参与世界交流。

此后，我国在标准和规范的研究与制订方面有了较大进展，到目前已制定了近百个国家标准和家军用标准。

研制一个复杂设备或系统之前，对系统、分系统、各部件和元器件的电磁特性进行分析预测，合理分配各项指标要求，并且在系统的整个设计过程中不断地进行修正和补充，摄系统工作在最佳状态，即进行电磁兼容预测。

但电磁兼容问题作为一个极为复杂的电磁边值问题是很难用一般的方法求解的。

近10年内，电磁兼容分析、仿真和预测软件得到了快速的发展，计算方法和计算技术的改进把电磁兼容预测计算速度提高了一个数量级，国内外出现了一批专业的电磁兼容预测软件。

随着计算机、计算技术和计算方法的发展，相信电磁兼容预测会得到更大的发展。

这一技术作为直到电磁兼容技术的关键技术，它的发展必将会带动电磁兼容测试以及防护技术的进一步发展，它可以使电磁兼容设计过程中所面临的各种问题数量化、直观化，从而可以更好的去指导人们进行电磁兼容性方面的研究。

随着各种技术的不断发展和人们对复杂电磁环境的认识越来越深，可以预言，今后电磁兼容技术将得到全人类的高度重视，电磁兼容学科将获得更加迅速的发展。

3 电磁兼容三要素电磁兼容主要研究电磁能量的产生、传输、接受和抑制。

如图3-1所示。

骚扰源、耦合途径和敏感设备（或接收机、接收设备）构成了电磁兼容的三要素。

图3-1 EMC基本组成部分3.1电磁骚扰源电磁骚扰源分散性很大，按传播形式分，骚扰源可分为传到骚扰和辐射骚扰。

传导骚扰是指通过骚扰源和敏感设备之间的电路传导及低频场耦合而对敏感设备产生危害，而辐射骚扰是指通过空间辐射对敏感设备产生作用。

传导骚扰包括电压暂变、雷电效应在电源线和信号线上引起的过电压、谐波、开关投切操作及变压器分接头调整产生的操作过电压等。

辐射骚扰包括雷电电磁脉冲和核致电磁脉冲效应，无线辐射、带电物体、线路以及印刷电路板产生的辐射骚扰[4]。

另外，通常采用的一种最简单的分类方法就是根据骚扰源的起因，将环境中的电磁骚扰分为自然骚扰源和认为骚扰源两种，人为骚扰源可以进一步分为功能性发射骚扰源和非功能性发射骚扰源。

如图3-2所示。

图3-2 电磁骚扰源分类电磁骚扰产生的根本原因是导体中有电压或电流的变化，即较大的dv/dt或di/dt。

dv/dt或di/dt能够使导体产生电磁波辐射。

一方面，人们可以利用这一特点实现特定的功能，例如，无线通信、雷达和其他功能；另一方面，电子设备在工作时，导体中的dv/dt、di/dt或产生电磁辐射。

数字脉冲电路就是一种典型的骚扰源。

根据骚扰源波形的连续性将骚扰源分为连续波和暂态波，连续电磁骚扰源具有固定频率，如广播站、高功率雷达、电机噪声、固定及移动通信、计算机、可视化显示设备、打印机、高重复率的点火噪声、交流多相整流器、太阳及宇宙噪声。