電磁兼容技術簡介

電磁兼容技術簡介

高能物理所加速器中心徐中雄2002-10目錄電磁兼容基本概念電磁兼容測量電磁兼容技術接地與搭接技術屏蔽技術濾波技術

第一節(jié)

電磁兼容的基本概念學科和研究范疇電磁兼容學科定義

電磁兼容（ElectromagneticCompatibility）是研究在有限的空間、時間和頻譜資源條件下，各種電氣設備可以共同工作，并不發(fā)生降級的科學。

——一門新興的綜合性學科研究對象范疇

設備內電路模塊之間的電磁相容性設備之間的電磁相容性系統(tǒng)之間的電磁相容性電磁兼容設計的目標

設備內部的電路模塊互不產生電磁干擾，達到預期功能。設備產生的電磁干擾度低于特定極限值。設備對外界的電磁干擾有一定的抵抗力。電磁兼容三要素

—干擾源、耦合途徑、敏感設備解決EMC問題要從三要素入手，消除三個因素中的一個。干擾源敏感設備耦合途徑—輻射耦合途徑—傳導電磁兼容的工程方法系統(tǒng)設計法+測試修改法電磁兼容問題應在產品開發(fā)早期著手，這樣成本低，難度小。概念設計研制產品投用階段成本與措施成本措施軟件濾波屏蔽結構電路電磁兼容工作程序確定EMC設計要求分析系統(tǒng)內部和系統(tǒng)間電磁干擾提出EMC總方案設計圖紙審核產品EMC測試、評估EMC診斷解決問題修改EMC設計電磁兼容標準基礎和通用標準：EMC描述和定義，性能等級判據(jù)，測試方法、設備。產品類和專用產品標準：據(jù)基礎與通用標準，針對產品制訂的具體標準。典型EMC標準美國標準FCC國際無線電干擾特別委員會標準CISPR國際電工委員會標準IEC歐洲標準EN（CE標記表示通過EN標準認定。）中國民用標準GB9254（信息產品）、GB4343（家電）等大多引用CISPR和IEC標準。中國軍用標準GJB151A引用美國軍標MIL-STD-461D。

電磁兼容標準內容EMC標準發(fā)射限值EmissionLimit敏感度Susceptibility傳導輻射傳導輻射電場磁場電場磁場靜電場天線控制線電源線電源線天線FCC、CISPR傳導發(fā)射限制fMHzdBμV405060700.451.6530CISPRCISPRFCCFCCCLASSA工業(yè)環(huán)境CLASSB居民商業(yè)環(huán)境FCC、CISPR輻射極限值fMHzdBμV/m253040503090250CISPRCISPRFCCFCCCLASSA工業(yè)環(huán)境CLASSB居民商業(yè)環(huán)境3545測量距離10m電磁兼容術語定義電磁發(fā)射(EM.Emission)EME從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象電磁騷擾(EM.Disturbance)EMD可能引起設備降級或對環(huán)境、生命產生損害的電磁現(xiàn)象電磁干擾(EM.Interference)EMI由電磁騷擾引起設備或系統(tǒng)性能下降發(fā)射極限值(EmissionLimit)規(guī)定的電磁騷擾源最大發(fā)射電平發(fā)射電平(EmissionLevel)用規(guī)定方法測得的特定裝置EMD電平發(fā)射裕量(EmissionMargin)系統(tǒng)電磁兼容電平與發(fā)射極限之差電磁敏感度(EM.Susceptibility)抗擾度電平(ImmunityLevel)設備、系統(tǒng)能保持工作性能等級條件下所能承受的最大騷擾電平抗擾度極限值(ImmunityLimit)規(guī)定最小的抗擾度電平抗擾度裕量(ImmunityMargin)設備、系統(tǒng)抗擾度極限值與電磁兼容電平之間差值。電磁兼容裕量(CompatibilityMargin)設備、系統(tǒng)的抗擾度極限值與騷擾源的發(fā)射極限值之間的差值。電磁兼容各類電平的關系電平頻率抗擾度電平抗擾度極限值電磁兼容電平發(fā)射極限值發(fā)射電平抗擾度設計裕量抗擾度裕量發(fā)射裕量發(fā)射設計裕量電磁兼容裕量特種電磁兼容問題電磁信息發(fā)射干擾其他電子設備被別有用心的人接受，獲取信息（TEMPEST)第二節(jié)

電磁兼容測試EMC測試分類EMC全兼容測試——用于設備產品EMC等級認證。測試環(huán)境和手段要求嚴格，價格昂貴。

測量場地要求：屏蔽半無反射室，內部除地面外，五面貼有吸波材料的屏蔽室?；驘o反射、空間EMI少開闊地。EMC預兼容測試(PrecomplianceMeasurement)——用于設備研制設計過程中EMC性能評估和分析診斷?？稍诔Ｒ?guī)環(huán)境進行，測試成本低。

預兼容測試是在EMC設計基礎上，對樣機進行測試修改的不可缺少的步驟和手段。

電磁全兼容測試測試內容主要測試儀器騷擾源輻射發(fā)射測試接收天線，EMI分析儀騷擾源傳導發(fā)射測試人工網(wǎng)絡，EMI分析儀連續(xù)與間斷騷擾電壓、電流功率，諧波電流，電壓波動設備抗擾度測試輻射電磁場抗擾度試驗高頻信號源，發(fā)射天線射頻感應傳導騷擾抗擾度試驗信號源，電磁波室，終端阻抗靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器，放電控制設備快脈沖群抗擾度試驗快脈沖源浪涌抗擾度試驗信號源，耦合器電磁兼容測量單位—分貝（dB)功功率增益[dB]=10*log(P2/P1)電電壓增益[dB]=20*log(V2/V1)電電流增益[dB]=20*log(I2/I1)

由于在EMC測試中干擾幅度很寬，使用分貝單位描述增益比較方便。

電磁預兼容測試內容和儀器

設備電磁場輻射發(fā)射測試接收天線同軸電纜EMI分析儀測試系統(tǒng)軟件被測設備屏蔽隔離電磁預兼容測試內容和儀器設備傳導發(fā)射（騷擾電壓、電流、功率，諧波）測試EMI分析儀測試系統(tǒng)軟件限幅器阻抗匹配網(wǎng)絡LISN被測設備電源插頭電磁預兼容測試內容和儀器設備EMC問題診斷：部件檢測—EMI分析—修改EMI分析儀近場探頭被測部件測試系統(tǒng)軟件限幅器基本結構EMC分析多在頻域內進行，并且不考慮相位。國家規(guī)定分析儀標準測試頻段：

A段—9~150kHzB段—0.15~30MHzC段—30~300MHzD段—300~1000MHzEMI分析儀天線高頻衰減器前置放大器場包絡整流器頻譜分析輸出顯示控制系統(tǒng)與軟件接收天線作用：把騷擾電磁場強轉換為電壓值，供EMI分析儀分析。騷擾場強[dBμV/m]=表讀數(shù)[dBμV]+天線系數(shù)[dB]+電纜損耗[dB]天線系數(shù)A定義：電場測量A[1/m]=E[V/m]/U[V]

磁場測量

A[S/m]=H[A/m]/U[V]標準天線類型天線轉換系數(shù)是頻率的函數(shù)，有一定的工作帶寬。有源E場棒狀天線30Hz~50MHz

雙錐天線30MHz~300MHz有源H場環(huán)型天線10kHz~30MHz對數(shù)周期天線200MHz~1GHz天線阻抗匹配和電纜選擇——保持正確的轉換系數(shù)天線位置和角度的選擇——確定最大電磁泄漏方位。第三節(jié)

電磁兼容技術接地與搭接技術接地的種類和目的安全接地—保護人員和設備的安全，要直接接大地。

設備機殼接大地，防止靜電積累，設備漏電時使機殼保持地電位。防雷接地—保護人員和設備的安全，要直接接大地。AC電源地—三相電中線、單相電零線，直接接大地。工作接地—為電路正常工作提供的一個零基準電位。該基準可以接大地，也可以是電路的某一點、某一段。屏蔽接地—屏蔽要于接地配合使用，才能起到屏蔽的效果。AC電源接地保護LNPENCBAPE工作接地根據(jù)EMC要求和電路性質，工作地分為不同種類：信號地—信號電流流回信號源的低阻抗回路。信號和噪音電流將在有限阻抗產生電壓降，形成干擾。模擬量地—模擬電路零電位的公共基準。注意區(qū)別和選擇不同的接地點：高頻地、低頻地、弱信號地、功率信號地。數(shù)字地—數(shù)字電路的零電位公共基準。地線設計要考慮到數(shù)字地線上存在高頻電流成分影響。DC電源地—電源零電位公共基準。注意電源上不同用電單元的性質，正確安排接地位置。功率地—功率負載或功率驅動電路的零電位公共基準。注意與弱電路地隔離。在EMC領域不能忽視接地導線的交流電阻和電感導線直流電阻：σ—導體電導率，Sr—導線半徑，m導線交流電阻：導線電感：s—導線間距,m

ε—導體間介質介電常數(shù)，F(xiàn)/m內感μ—導體間介質導磁率,H/m外感和電容（平行雙線）接地線阻抗接地線阻抗頻率Hz導線阻抗[歐姆]d=0.65cmd=0.27cmd=0.04cm10cm1m10cm1m10cm1m1051.4μ517μ327μ3.28m13.3m133m1k429μ7.14m632μ8.91m14m144m1M426m7.12540m8.28783m1.07100M42.65477530應使S>0.83L，S-導線截面（mm2），L-導線長度（m)地線宜選用扁平線，可增加導線表面積，減小交流電阻使地線靠近地面等大容量導體，可以減小地線電感

接地方式—單點接地123串聯(lián)單點接地123并聯(lián)單點接地I3I2I1I3I2I1R3R2R1R3R2R1V3=I3R3+(I2+I3)R2+(I1+I2+I3)R1V3=I3R3單點接地適于f<10MHz，對于10MHz~30MHz頻率，單點接地時，應使地線長度L<1/20波長。串聯(lián)單點接地易產生地電位耦合擾動。接地方式—多點接地123多點接地適用于頻率>30MHz。缺點：易形成地環(huán)路，產生地環(huán)路電流，經接地阻抗形成造成差模干擾；同時地環(huán)路對電磁場敏感，降低設備抗擾度。解決措施：屏蔽線單段接地；減小環(huán)路面積。I3I2IoZ3Z2Z1屏蔽線接地方式—混合接地789456123混合接地適于f<10MHz，對于10MHz~30MHz頻率，單點接地時，應使地線長度L<1/20波長，避免產生長傳輸線波擾動。模擬地數(shù)字地屏蔽地接地線的電容影響789456123平行導體（導線）間的電容存在在不同頻率下，接地形式發(fā)生變化接地線網(wǎng)格地線網(wǎng)格提供了大量的平行地線能夠有效地減小地線電感，從而減小了地線阻抗。搭接技術

電子設備中，金屬部件之間的低阻抗連接稱為搭接。例如：電纜屏蔽層與機箱之間的搭接屏蔽體上不同部分之間的搭接濾波器與機箱之間的搭接不同機箱之間的地線搭接機柜不同部位之間的搭接EMC濾波器接地搭接

濾波器接地阻抗過大會使干擾信號通過電容從輸入端串繞到輸出端，使濾波器性能變差。濾波器搭接阻抗搭接不良的機箱

空間電磁場在機箱上的感應電流會在搭接不良處產生擾動電壓和發(fā)熱。美國標準規(guī)定：飛行器的搭接電阻要小于2.5mΩ。vI搭接工藝方法焊接—理想搭接方式。特別是熔焊，具有最佳導電性。螺釘壓接或鉚釘鉚接—連接可靠。螺釘距離不能太大，因為在非壓接處存在縫隙或氧化，造成搭接電阻很大。鋼性或軟導體搭接條—用于兩導體不能直接搭接情況。非永久性搭接—用于經常拆裝的機箱蓋板等情況。搭接面采用專門的電磁密封墊。

搭接效果可通過測量確定。搭接阻抗不能用直流電阻測量方式，要根據(jù)使用頻率，用高頻信號源測試。在頻率較高時，搭接電感和電容會發(fā)生諧振，形成高阻狀態(tài)，工作頻率要避開諧振點。接地與搭接面的材料和腐蝕接地網(wǎng)線與搭接面的氧化腐蝕是降低接地和搭接質量的主要原因，應選擇性能穩(wěn)定、不易腐蝕的材料：使用電位較低的金屬材料。盡量使用同類金屬面搭接，不同金屬搭接時，電位要盡量靠近。對易氧化的材料表面電鍍、氧化處理。金屬鎂合金鋁鋅鉻鐵鎳錫銅銀金電極電位+2.37+1.66+0.76+0.74+0.44+0.25+0.14-0.34-0.8-1.42EMC屏蔽技術EMC屏蔽技術目的和基本類型目的：切斷電磁噪聲的傳播途徑。基本類型：主動屏蔽—對電磁噪聲源的屏蔽。被動屏蔽—對電磁敏感設備的屏蔽。電磁噪聲場類型：近場（d<λ/2π)—分為電場和磁場兩類。多用于設備內部屏蔽技術分析。遠場（d>λ/2π)—屬于電磁場（波）。多用于設備之間、系統(tǒng)之間屏蔽技術分析。電場、磁場、電磁場屏蔽技術不同。屏蔽效能（SE）SEE(dB)=20log(E1/E2)SEH(dB)=20log(H1/H2)對于遠場：SEE=SEH=SE屏蔽體屏蔽前場強E1，H1屏蔽后場強E2，H2近場靜電場屏蔽+Q-Q+Q靜電場主動屏蔽靜電場被動屏蔽（不必接地）靜電場屏蔽條件：金屬體+接地金屬屏蔽體金屬屏蔽體近場交變電場屏蔽場源：交變高壓、小電流載體。交變近電場屏蔽條件：金屬體+接地GS~ZgZSUgC0USUS=jωC0ZS×Ug/[1+jωC0(Zg+ZS)]

~jωC0ZS×Ug

金屬板不接地Uj=jωC1ZS×Ug金屬板接地Uj=0US~jωC2ZS×Uj(C0’<C0)GS~ZgZSUgC1C0’C2UjUS近場低頻磁場屏蔽（<100kHz）場源：低壓大電流載體。屏蔽方法：使用高導磁屏蔽材料，形成低磁阻通路。IΦ低頻磁場主動屏蔽S低頻磁場被動屏蔽例如：電源變壓器、電抗器存在漏磁，可將器件裝入鐵殼體中，使漏磁通過鐵殼體形成閉路。S高導磁體高導磁體Φ近場高頻磁場屏蔽（>100kHz）

高頻磁場屏蔽體的材料采用金屬良導體，例如銅、鋁等。高頻磁場穿過良導體，產生大渦流，渦流的反磁場可抵消噪聲磁場。因此屏蔽體的效能與渦流大小有關。

注意：屏蔽殼體上的開縫方向要有利于渦流流通。磁場屏蔽關鍵技術磁導率隨場強變化，屏蔽體要選擇適當橫截面積，防止磁路飽和。

選擇較短磁路，盡量減小屏蔽體的接縫，保持低磁阻特性。屏蔽材料磁導率隨頻率升高而下降，注意對不同頻率噪聲磁場選用適當屏蔽材料。

高導磁材料的導磁率對加工應力敏感，注意采用合理加工方法和加工后的磁性恢復處理。單純增加屏蔽層厚度（>1.5mm）對磁場衰減效果不會明顯增加。采用多層屏蔽，可收到良好效果。高導磁層良導電層單層鐵磁材料的屏蔽效能：SEH=20log{0.22μr[1-(1-t/r)3]}μr—相對導磁率；t—屏蔽體厚度；r—屏蔽體容積等效球半徑。遠場屏蔽—電磁波屏蔽

電磁場屏蔽的分析基于電磁波（平面波）理論。波阻抗的概念ZW=E/H波阻抗ZW377Ω電場為主ZW>377E?1/r3,H?1/r2磁場為主ZW<377E?1/r2,H?1/r3平面波ZW=377ΩE?1/r,H?1/rλ/2π觀測距離r電磁波屏蔽效能的計算入射波E1反射波繼續(xù)波E2泄漏B場強距離反射損耗R1反射損耗R2吸收損耗A屏蔽效能SE=R1+R2+A+B=R+A+B電磁波屏蔽效能與屏蔽體接地無關吸收損耗的計算電磁場在介質中傳播時的衰減規(guī)律：

Et=E0e-t/δHt=H0e-t/δ介質厚度t趨膚深度δ=（2/ωμσ）1/2[m]，或δ=2.6/(fμrσr)1/2[in]

μ,σ:介質磁導率、電導率；μr,σr：介質

相對磁導率、電導率。吸收損耗

A=20log(E1/E2)=20loget/δ=8.69(t/δ)[dB]

屏蔽材料厚度越大，吸收損耗越大。

屏蔽材料磁導率和電導率越高，吸收損耗越大。被屏蔽電磁波頻率越高，吸收損耗越大。電場和磁場的反射損耗據(jù)傳輸線理論，當電磁波到達兩種介質界面時，因阻抗不匹配而發(fā)生反射，產生反射損耗。反射損耗與電磁波的空氣波阻抗和屏蔽材料波阻抗有關：R=20log[(ZW+ZS）2/4ZWZS]空氣波阻抗ZW：遠場377Ω;近電場1.8×1010/fd[Ω];近磁場

8×10-6fd[Ω]金屬屏蔽體波阻抗：ZS=3.69×10-7(fμr/σr)1/2[Ω]其中，d：場源至屏蔽體距離；f：場頻率各類場的反射損耗平面波：RW=168+10log[σr/(μrf)][dB]純電場：RE=322+10log[σr/(μrf3d2)][dB]純磁場：Rm=14.6+10log[(σrfd2)/μr][dB]電場和磁場的反射損耗（續(xù)）平面波的反射損耗與場源到屏蔽體距離無關。而電場的反射損耗以20logd的速度下降，磁場的反射損耗以20logd的速度上升。隨頻率的提高，平面波的反射損耗以-10dB/10倍頻程速率下降，電場的反射損耗以-30dB/10倍頻程速率下降，磁場反射損耗卻以以+10dB/10倍頻程速率上升。同一屏蔽材料對各類型場的反射損耗不同，通常有：

RH<RW<RE不管場型如何，不同材料的反射損耗只差常數(shù)10log(σr/μr)

鐵的反射損耗比銅小許多。fR–30dB/10倍頻程RE–10dB/10倍頻程RW+10dB/10倍頻程RH

孔洞的屏蔽效能實際屏蔽體效能主要取決于其上的孔洞和縫隙。這些不連續(xù)點造成電磁泄漏。電磁泄漏值決定于4個因素：開口最大尺寸，波阻抗，源的頻率，源到開口的距離?？锥磳ζ矫娌ǖ钠帘涡埽篠E=20log(λ/2d)；d—孔的最大尺寸。為減小孔洞尺寸，可將大孔分解為小孔。當孔距小于半個波長時，孔的數(shù)目增加，泄漏還會增加：

SE=20log(λ/2d)–10log(n)n：孔洞數(shù)目。fSE1008060401101001k20fC=3×108/2dSE=20log(λ/2d)1.5cm15cm屏蔽體縫隙的處理

屏蔽體縫隙的電磁泄漏十分嚴重，在不便焊接時的處理方法是：加電磁密封墊。

電磁密封墊基本特性：良導體且不易氧化，有彈性。

密封墊種類：金屬絲網(wǎng)（帶橡膠芯或空芯）；導電布；導電橡膠（不同導電填充物）；螺旋管襯墊（表面鍍錫）。指形彈簧（鈹銅）常用于滑動面；使用要點：壓力適當；采用電化學相容材料。

螺釘緊固。技術要求是：

要求連接面平且光潔度高。螺釘距離小于2cm。電磁密封墊截止波導管的應用原理：金屬管具有電磁波高通、低阻特性，低頻電磁波通過它產生很大衰減。這一特性用截止頻率fC描述。通過設計，可使需要屏蔽的電磁波的頻率全部落在截止區(qū)內，構成截止波導管。矩形波導管截止頻率fC=5.9×109/b(b[英寸]矩形最大尺寸）

圓形波導管截止頻率

fC=6.9×109/d(d[英寸]圓管直徑）截止波導管對電磁波衰減由吸收

損耗和反射損耗兩部分構成。圓形管損耗

SE=32t/d+20log(λ/2d)矩形管損耗

SE=27.2t/b+20log(λ/2b)t—波導管長度，f<fC/5。

顯然，波導管越長，損耗越大。頻率損耗fC截止頻率通風口的處理

穿孔金屬板截止波導通風板顯示窗的處理

顯示器隔離倉濾波器密封墊操作器件的處理

屏蔽體上開孔屏蔽體上栽截止波導管用隔離倉將造作件隔離出EMC濾波技術濾波器的作用

信號濾波器AC電源濾波器功率輸出濾波器磁鐵電源切斷電磁干擾沿輸入、輸出信號線、電源線、輸出功率線的傳導傳播途徑，與屏蔽共同構成完善的干擾防護。

傳導型干擾的種類電子設備差模電流共模電流差模干擾：施加在信號線和信號地線之間的干擾。共模干擾：同相位、同幅度地施加在所有信號線上（包括信號地）的干擾，共模干擾電流在信號電纜與大地之間流動，其本身不會對電路產生影響，但電流流經的電路不平橫，共摸干擾會轉化為差模干擾，影響電路工作。

干擾源的形成差模：不同信號線之間的耦合；各級聯(lián)電路噪聲的傳導。共模：高壓電路對地漏電阻抗；空間電磁輻射在信號線與地之間回路的感應噪聲。EMC濾波器的插入損耗和頻率特性

濾波器插入損耗定義：IL=20log(U1/U2)[dB]U1、U2

為濾波器接入前、后信號源加到負載上的電壓。濾波器的種類及其參數(shù)：截止頻率、阻帶插入損耗、過渡帶低通濾波器ILf通帶阻帶fCILf通帶阻帶fC高通濾波器ILf通帶阻帶fC1fC2阻帶ILf通帶通帶fC1fC2阻帶帶通濾波器帶阻濾波器截止頻率過渡帶低通濾波器的基本類型

~C~L~LLCC型L型T型ILC=10log[1+(ωRC/2)2]設源輸出阻抗和負載輸入阻抗均為R，

標準測試中，R等于50Ω或75Ω。ILL=10log[1+(ωL/2R)2]ILT=10log[(1-(ω2LC)2+(ωL/R–ω3L2C/2R+ωRC/2)2]低通濾波器的類型（續(xù)）

~~LC~LC~LCC反Г型Г型π型IL反Г=10log{[(2-ω2LC)2+(ωRC+ωL/R)2]/4}ILπ=10log[(1-(ω2LC)2+(ωL/2R–ω2LC2R/2+ωRC)2]低通濾波器的匹配應用

不同結構的干擾源和負載電路需要不同類型的低通濾波器匹配，才能獲得設計的衰減效果。通過電路連接（包括接地）設計，可構成共?；虿钅V波器。源阻抗濾波器型式負載阻抗高C型、π型高高Г型低低反Г型高低L型、T型低低通濾波器的級聯(lián)和階數(shù)

使用同類型或適當?shù)牟煌愋蜑V波器串聯(lián)（級聯(lián)），可以提高阻帶的衰減量，并使過渡帶變短，改善選擇性。濾波元件數(shù)為N的濾波器，稱作N階濾波器。過渡帶的斜率等于20NdB/倍頻程。fIL(dB)1000fC100fC10fCfC806040201階2階3階4階5階100單電容低通濾波器

實際電容器存在引線電感，因此衰減曲線是LC串聯(lián)網(wǎng)絡衰減曲線，在某一頻率上會發(fā)生諧振，超過諧振點，電容器呈現(xiàn)感抗特性，應選用高頻特性好的電容，或設法減小引線電感。LCfC=1/πRCfIL(dB)fR=1/2π(LC)0.5理想電容實際電容ILC=10log