第6章電磁兼容性設計

第6章電磁兼容性設計與分析6.2電磁兼容設計的基本參數(shù)6.3

電磁兼容設計的內(nèi)容6.5影響電磁兼容性的發(fā)射特性6.1電磁兼容性設計概論6.6影響電磁兼容性的天線特性6.7影響電磁兼容性的傳播特性6.8影響電磁兼容性的接收特性6.9電磁兼容性分析方法6.4

電磁兼容設計的實施電磁兼容性設計的目的：

使電子設備或系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中能正常工作、無性能降低或故障，并對電磁環(huán)境中的任何事物不構成電磁干擾，實現(xiàn)電磁兼容性。電磁兼容設計分為：電路組件級設計；設備級設計；分系統(tǒng)級設計；系統(tǒng)級設計；系統(tǒng)間級設計。6.1電磁兼容性設計概論系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容設計電路與元件系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容設計布線接地屏蔽濾波系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容設計電源線信號線吸收式反射式鐵氧體材料厚度襯墊機箱屏蔽室通風板I/O芯片SMD電路印制板搭接機箱屏蔽室電源地信號地印制板電纜互連線連接器系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容設計頻率管理系統(tǒng)間電磁兼容設計時間管理空間管理系統(tǒng)間電磁兼容設計分配與指派調(diào)制濾波脈沖波型間隔距離方位與仰角地形隔離時間共享脈沖同步時間分離時間/距離選通預選器位置隔離極化隔離敏感度閾值6.2電磁兼容性設計的基本參數(shù)敏感度門限電平值電磁干擾值電磁兼容性設計的基本參數(shù)包括：電磁發(fā)射限值失效干擾電平電磁兼容安全系數(shù)費效比1.敏感度閾值敏感度閾值是設備或系統(tǒng)不能正常工作的干擾臨界值。敏感度閾值是進行電磁兼容性設計時，決定折中選擇，確定干擾極限值的基本出發(fā)點。保守設計：考慮最惡劣的電磁環(huán)境、最敏感的頻段或頻點、最小起作用干擾電平概率設計：在一定置信度下，電磁干擾電平的概率敏感度閾值越高，設備或系統(tǒng)抗電磁干擾能力越強。敏感度閾值f騷擾電平2.敏感度門限值敏感設備受電磁干擾所呈現(xiàn)的不希望響應的最小電平敏感門限是進行電磁兼容性設計時，確定干擾允許值的基本出發(fā)點。敏感門限越大設備或系統(tǒng)抗電磁干擾能力越強。敏感度閾值敏感度限值f騷擾電平3.電磁干擾值發(fā)射限值敏感度閾值敏感度限值電磁干擾值f騷擾電平設備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中感受到的騷擾信號電平值。電磁干擾值小于敏感度門限值時，設備或系統(tǒng)能正常工作。4.電磁發(fā)射限值允許設備或系統(tǒng)在工作時對周圍環(huán)境的電磁發(fā)射電平值電磁發(fā)射限值包括輻射發(fā)射和傳導發(fā)射規(guī)定電磁發(fā)射限值是控制電磁干擾源、保護電磁環(huán)境、實現(xiàn)電磁兼容性的有力措施。5、電磁兼容性安全系數(shù)（安全裕度）MM＝PS－PIPS（dB）——設備或系統(tǒng)的敏感門限值電平M（dB）——安全系數(shù)PI（dB）——設備或系統(tǒng)實際接收的干擾電平敏感度閾值敏感度限值電磁干擾值發(fā)射限值f騷擾電平衡量設備或系統(tǒng)所具有的電磁兼容性寬余程度當PS<PI時，M

<0——設備或系統(tǒng)處于不兼容狀態(tài)當PS>PI時，M

>0——設備或系統(tǒng)處于兼容狀態(tài)當PS=PI時，M=0——設備或系統(tǒng)處于兼容的臨界狀態(tài)M的值越大，兼容性越好電磁兼容工程上對M的值的要求：一般設備：M≥3dB易燃易爆的燃油或軍械設備：M≥20dB影響安全或重要技術指標的設備或系統(tǒng)：M≥6dB6、失效干擾電平設備或系統(tǒng)不允許接受的電磁干擾電平。當不允許的電磁干擾電平進入設備或系統(tǒng)后，會使設備或系統(tǒng)的電路或元件產(chǎn)生永久性惡化或永久性失效。投資費用與EMC設計的有效性之比。7.費效比費效比設計不正確正確進展時間研制投產(chǎn)6.3電磁兼容性設計的內(nèi)容（1）制定電磁兼容大綱，規(guī)劃各種電磁兼容計劃，協(xié)調(diào)各種技術參數(shù)；電磁兼容設計的具體內(nèi)容包括（2）選用分析適用的標準與規(guī)范，對標準中的各項要求進行分析和選擇，必要時進行修改、刪減或補充，以達到最佳費效比；（3）分析設備或系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境和提出電磁兼容性要求；電磁兼容設計的基本方法是指標分配和功能分快設計，按照要實現(xiàn)的功能和電磁兼容指標進行電磁兼容設計。（4）確定頻譜要求，協(xié)調(diào)頻率配置，合理分配各分系統(tǒng)的工作頻率與功率、波形與極化特性、工作方式等指標，消除可能的干擾；（5）擬定電磁干擾控制計劃，采取合理的干擾抑制和防護技術；（6）擬定電磁兼容性分析預測方案，進行電磁兼容性分析與預測；（7）制定電磁兼容性試驗要求和試驗計劃;(8)進行系統(tǒng)總體電磁兼容性評估。6.4電磁兼容性設計的實施電磁兼容性設計通常分為四個階段論證階段定型階段工程研制階段方案階段1.論證階段分析預期的電磁環(huán)境，確定電磁環(huán)境電平提出在預期的電磁環(huán)境中的EMC技術指標要求分析費效比電磁環(huán)境是指各種電磁干擾源在不同頻率范圍內(nèi)功率或場強隨時間分布的電磁作用狀態(tài)的總和。

為獲得對于系統(tǒng)預定工作電磁環(huán)境的剖析，必須進行電磁環(huán)境分析。

電磁環(huán)境分析的內(nèi)容（2）制定電磁功率密度或場強的頻譜關系曲線，以說明在指定頻率范圍內(nèi)可能產(chǎn)生的干擾；（3）估計最惡劣的電磁環(huán)境電平，計算干擾電平不超過某一允許值的區(qū)域范圍；（4）分析綜合電磁環(huán)境電平的危害等級、區(qū)分導致系統(tǒng)性能降級的電磁環(huán)境電平與造成系統(tǒng)失效的電磁環(huán)境電平。(1)分析干擾源的空間、頻率、時間以及極化關系等特性2.方案階段制定EMC大綱確定頻譜要求制定EMC控制計劃選用和剪裁適用的標準確定試驗要求、制定試驗計劃確定系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設備的EMC要求EMC大綱是EMC設計的技術文件中最高級的管理文件。（1）規(guī)定系統(tǒng)的電磁兼容性要求，（2）選取的電磁兼容標準與規(guī)范，（3）說明為達到所提出的EMC技術要求而采用的總體途徑、規(guī)劃和設計準則，（4）制定電磁兼容控制計劃及試驗計劃。EMC大綱的內(nèi)容返回

a．頻道的需要量；b．可用頻道的數(shù)量；c．發(fā)射機的工作方式與覆蓋范圍、信號的調(diào)制方式與帶寬；d．發(fā)射機功率、天線的覆蓋范圍及工作時間和地點；e．接收機的特性；f．最低限度的地理間隔。a．所指配的頻率必須符合國際和國家的有關規(guī)定，并在規(guī)定的頻段、規(guī)定的業(yè)務范圍內(nèi)指配頻率；影響頻率指配的因素頻率指配的原則d．避免同頻干擾、鄰頻道干擾、中頻干擾、鏡像干擾以及互調(diào)干擾，必須對所指配的頻率進行電磁干擾分析預測，并根據(jù)要求確定干擾裕量及保護比；返回

c．注意避開有關保護頻率以及常規(guī)無線電廣播、電視等頻率及其諧波的影響；b．不得對本頻段同一種業(yè)務的其它臺站造成干擾，不得對本頻段的主要業(yè)務產(chǎn)生干擾；e．必須考慮發(fā)射功率、諧波與亂真電平、占有帶寬、定向發(fā)射時天線方向圖特性等。a．指導、執(zhí)行承制單位的電磁兼容性大綱人員的職責和權力；b．系統(tǒng)電磁兼容性要求和電磁兼容性資源配置；c．確保分系統(tǒng)和設備均符合GJB151和GJB152的要求d．預計問題范圍，對GJB151和GJB152尚不能解決的問題，提出解決的方法；e．系統(tǒng)天線產(chǎn)生的輻射特性，包含基波和雜散能量以及天線間的耦合；EMC控制計劃是具體的技術文件，目的在于說明如何實現(xiàn)EMC指標要求。EMC控制計劃包括以下內(nèi)容：f．系統(tǒng)、分系統(tǒng)或設備必須的特殊要求、試驗方法和限制；g．電磁兼容性要求的設計更改方法；h．進行設計審查和供、需雙方進行協(xié)調(diào)的方法；i．在方案論證、設計和實施階段應用的干擾控制規(guī)范和標準；j．建議給予電磁兼容性技術組的權限和工作細則；k．各分系統(tǒng)或設備的關鍵類別，降級準則和必要的安全系數(shù)；l．頻譜利用方案規(guī)定措施，包括發(fā)射機頻率控制、接收機帶寬控制、諧波的帶寬控制、邊帶、信號波形以及脈沖上升時間等。返回

a．指定選用的EMC標準和應執(zhí)行的相關技術文件，系統(tǒng)工程中對選用標準進行適當剪裁的具體內(nèi)容在技術文件中注明；b．設備和分系統(tǒng)級EMC測試驗收要求；c．關鍵設備列表和無線收發(fā)設備列表；d．EMC測試保證條件；e．EMC測試目的、要求及具體內(nèi)容；試驗計劃的內(nèi)容包括試驗場地、試驗測試設備、被測試對象的狀態(tài)、試驗項目、試驗方法與步驟、試驗報告等。EMC試驗大綱包含以下內(nèi)容：f．測試設備配置要求，被測系統(tǒng)的布局和參試工作模式的確定；g．EMC測試過程中發(fā)生不正常響應的判別準則；h．EMC試驗內(nèi)容和方法；i．測試數(shù)據(jù)分析和測試報告要求。a．試驗前的準備工作：包括試驗場地、測試設備以及一些與EMC測試有關的輔助設備的硬件到位，與EMC測試有關的技術文件準備齊全，被測系統(tǒng)與其環(huán)境界面的事先確定等；b．測試系統(tǒng)的自校準：包括試驗場地的背景噪聲測試，輻射擾場強校準；c．試驗項目；d．試驗步驟；f．數(shù)據(jù)采集要求和測試數(shù)據(jù)處理；g．根據(jù)標準出具測試報告；EMC試驗細則是具體的測試技術文件，內(nèi)容包括：返回

3.研制階段4.定型階段實施EMC控制計劃進行模擬試驗、改進和完善EMC設計綜合分析評估總體電磁兼容性進行總體EMC鑒定試驗審核EMC文件的完備性、提交EMC綜合評價報告對頻譜利用進行全面審核EMC設計管理電磁環(huán)境分析標準與規(guī)范EMC文件對分系統(tǒng)、設備的EMC要求通過EMC設計要求EMC分析預測EMC性能評估干擾控制措施EMC設計要求否是電磁兼容性設計實施流程通過6.5影響電磁兼容性的發(fā)射特性1.影響電磁兼容性的發(fā)射參數(shù)電磁兼容性分析中，重點關注電磁干擾能量的時間分布、空間分布和頻率分布時間分布取決于工作方式空間分布取決于發(fā)射天線的方向性頻率分布影響因素較多基本輻射功能的參數(shù)：功率（電壓），功率流密度（電場強度）、頻移、占用帶寬等；帶外輻射、諧波輻射、分諧波輻射、寄生輻射和互調(diào)輻射等。式中：fot——基波頻率；Pti——基波輸出功率的各個測量值；——工作于不同調(diào)諧頻率的發(fā)射機的基波功率平均值；M——取樣總數(shù)。2.發(fā)射幅度特性輸出功率的變化由正態(tài)分布的隨機變量表征（1）基波幅度特性——標準偏差（N≥2）——基波頻率；——第N次諧波的平均功率；A、B

——由特定發(fā)射機所決定的常數(shù)。式中：N——諧波次數(shù)，通常N≤10；（2）諧波幅度特性兩個假設：①發(fā)射機的諧波發(fā)射的平均電平隨諧波數(shù)的增加而減少；②每個諧波輻射功率是按正態(tài)律分布的，標準偏差與諧波次數(shù)無關。諧波輻射的平均功率為發(fā)射機諧波幅度模型中參數(shù)A、B、的統(tǒng)計綜合數(shù)據(jù)按基波頻率劃分的發(fā)射機類別A[dB/10倍頻]B[高于基頻的dB][dB]低于30MHZ-70-201030～300MHZ-80-3015大于300MHZ-60-4020平均值MHZ-70-3015國軍標151A—97規(guī)定，除二次和三次諧波以外，所有諧波發(fā)射至少應比基波電平低80dB；二次和三次諧波應抑制50＋10logP（P基波峰值輸出功率）或80dB，取抑制要求最小者。

——寄生輻射平均功率；f——寄生輻射頻率；、——可由發(fā)射機說明書中查詢的常數(shù)。式中：（3）寄生輻射特性——實際頻率與基帶中心頻率之間的差值——頻帶邊緣上的帶外輻射功率相對于0dB的下降值——第i頻帶范圍內(nèi)頻譜包絡函數(shù)之斜率間隔數(shù)值取決于近似法要求的準確度。3.發(fā)射頻率特性（1）基波發(fā)射頻率特性基波輻射頻率特性的調(diào)制包絡函數(shù)采用折線擬合法，由分段線性函數(shù)（頻率軸用對數(shù)坐標）來近似，可表示為 ——第i區(qū)的頻帶,P——輻射輸出概率B

——距fot有一特定頻率間隔Δf的特定頻率區(qū)間式中：H——取決于發(fā)射機種類的常數(shù)（2）諧波發(fā)射頻率特性（N≥2）（3）非諧波寄生發(fā)射頻率特性低增益天線（G<l0dB）中增益天線（10dBG25dB）高增益天線（G>25dB）6.6影響電磁兼容性的天線特性輻射功率是方向、極化、頻率等的函數(shù)1.概述天線參數(shù)天線的方向圖寬度、增益、旁瓣電平、主波束相互取向、掃描方式、掃描范圍及極化匹配等。天線的劃分

天線方向性數(shù)值化：函數(shù)擬合法；折線擬合法2.有意輻射區(qū)和無意輻射區(qū)有意輻射區(qū)：天線輻射方向圖中的主瓣部分無意輻射區(qū)：天線輻射方向圖中除主瓣外的其余部分有意輻射區(qū)無意輻射區(qū)（1）有意輻射區(qū)平均功率增益：——有意輻射區(qū)垂直面的寬度；——有意輻射區(qū)水平面的寬度；——最大功率增益。其中：設計頻率和設計極化平均功率增益與頻率的關系——設計頻率f0處功率增益平均值；——其余頻率f上的功率增益平均值；

——增益均方差；——頻帶到內(nèi)均方差值；C、D

——給定天線型號的常系數(shù)。式中：非設計頻率和設計極化在非設計極化狀態(tài)時，增益比設計要低，波束比設計極化變寬

——非設計極化增益平均值；——

設計極化增益平均值；

——增益極化修正系數(shù)式中：非設計極化修正：非設計極化有意輻射區(qū)的通用定向天線模式天線類型工作條件區(qū)的寬度平均增益[dB]GCDG頻率極化HV[dB][dB/十倍頻][dB][dB]高增益Gmax>25dB設計設計非設計設計正交任意H010H04H0V010V04V023300000-130-200中增益（10dBGmax25dB）諧振非諧振設計設計非設計非設計設計正交任意任意H010H03H0H0V010V03V0V02333000000-1000-2000低增益Gmax<10dB設計設計非設計設計正交任意H06H03600V0V018000122000000-160

頻率、極化的影響趨于隨機，不顯著。特別是高增益天線，90％以上的功率是指向有意輻射區(qū)，其余部分的平均增益為－10dB。（2）無意輻射區(qū)無意輻射區(qū)的定向天線模式參數(shù)天線類型工作條件平均增益[dB]標準偏差[dB]頻率極化高增益Gmax>25dB設計設計非設計設計正交任意-10-10-10141414中增益10dBGmax25dB設計設計非設計設計正交任意-10-10-10111310低增益Gmax<10dB設計設計非設計設計正交任意0-13-3680收發(fā)天線的極化匹配修正當發(fā)射天線與接收天線的極化不匹配時，應進行極化修正發(fā)射接收水平極化垂直極化圓極化G＜10dBG≥10dBG＜10dBG≥10dB水平極化G＜10dB00－16－16－3G≥10dB00－16－20－3垂直極化G＜10dB－16－1600－3G≥10dB－16－2000－3圓極化－3－3－3－30決定天線應用區(qū)的發(fā)射機—接收機配置示意圖3.收—發(fā)天線的配置正視圖俯視圖、——所希望發(fā)射的方位角和高低角中心；、——由干擾發(fā)射機到接收機的方向角；、——發(fā)射天線的方位角和高低角波束寬度。（1）發(fā)射天線區(qū)滿足如下條件：方位角：高低角：是設計頻率和極化的10dB波束寬度（有意輻射區(qū)波束寬度）接收機處于發(fā)射機天線有意輻射區(qū)內(nèi)、——所希望接收的方位角和高低角中心；、——由接收機到干擾發(fā)射機的方向角；、——接收天線的方位角和高低角波束寬度。（2）接收天線區(qū)滿足如下條件：方位角：高低角：是設計頻率和極化的10dB波束寬度（有意接收區(qū)波束寬度）發(fā)射機處于接收機天線有意接收區(qū)內(nèi)

xt、yt、zt——發(fā)射機坐標（m）；xr、yr、zr——接收機坐標（m）（3）角度確定方位角高低角如果發(fā)射機和接收機的位置是在直角坐標內(nèi)規(guī)定的，各個角度可按下式來確定：傳輸損耗：6.7影響電磁兼容性的傳輸特性1.自由空間傳輸損耗其中：E0—自由空間接收場強；A

—路徑的衰減因子。平均能流密度d

—電波傳播距離；λ

—波長；接收點場強的有效值接收功率Gt、Gr—發(fā)射、接收天線增益令Gt＝Gr＝0，得基本傳輸損耗衰減因子收發(fā)之間的傳輸損耗為:自由空間的傳輸損耗由于E

<

E0，所以A為負值。但習慣上，令主要傳播損耗模型：自由空間傳傳播損耗模型；表面波傳播損耗模型；視距途徑反射損耗模型；球面地超視距途徑損耗模型；楔形單峰繞射損耗模型；楔形多峰繞射損耗模型；非楔形障礙物繞射損耗模型；對流層散射損耗模型。接收特性用以表征接收機的響應特性。6.8影響電磁兼容性的接收特性接收響應包括：主接收通道響應附加接收通道響應互調(diào)、交調(diào)及減敏效應U2Δfff0傳輸頻帶

接收機理想選擇曲線f0+Δff0-ΔfUf接收機實際選擇曲線f0f0+Δf1U1U0a.描述主接收通道功能的參數(shù)：靈敏度、噪聲、通帶等；b．描述附加接收通道參數(shù)：中頻諧波、象頻諧波、調(diào)諧頻率諧波的敏感度電平、頻率等；c．描述接收機阻塞頻率選擇性參數(shù)：阻塞敏感度電平、阻塞系數(shù)、阻塞動態(tài)范圍；d．描述接收機交調(diào)頻率選擇性參數(shù)：交調(diào)敏感度電平、交調(diào)系數(shù)、交調(diào)動態(tài)范圍；e．描述接收機互調(diào)頻率選擇性參數(shù)：互調(diào)敏感度電平、互調(diào)系數(shù)、互調(diào)動態(tài)范圍；接收機的電磁兼容性參數(shù)影響接收機電磁兼容性的參數(shù)包括：主接收通道頻率選擇性

——接收機中頻選擇性(dB)；——可用區(qū)選擇性曲線斜率(dB)；——可用區(qū)帶寬(Hz)；——接收機可用區(qū)帶寬選擇性(dB)。用幾段折線擬合近似，表示為：——附加接收通道響應（dBm)；——主接收通道響應(dBm)；I、J

——對每一接收機型號確定的常數(shù)；附加接收通道響應附加接收通道響應中參數(shù)按基波頻率劃分的發(fā)射機類別I[dB/10倍頻]J[高于基頻的dB][dB]低于30MHZ25851530～300MHZ358515大于300MHZ406015平均值MHZ357515——本振諧波次數(shù)；——干擾信號諧波次數(shù)；——本振頻率——雜波響應頻率——中頻接收機亂真響應頻率或其中——接收機調(diào)諧頻率——接收機中頻帶寬、——整數(shù)接收機互調(diào)互調(diào)頻率:、——產(chǎn)生互調(diào)的兩個干擾信號的頻率兩個干擾信號導致潛在的嚴重互調(diào)的頻率準則三階互調(diào)：五階互調(diào)：七階互調(diào)：——離

最近的干擾發(fā)射頻率——離最遠的干擾發(fā)射頻率二階互調(diào)：——接收機整個60dB中頻帶寬式中：m——對應于離for最近的發(fā)射頻率的諧波次數(shù)；n——對應于離for最遠的發(fā)射頻率的諧波次數(shù)；PF——頻率

fF的干擾信號產(chǎn)生的接收機輸入功率IMF——互調(diào)系數(shù)。

式中：互調(diào)幅度互調(diào)幅度模型利用等效輸入功率電平來表示PN——頻率

fN的干擾信號產(chǎn)生的接收機輸入功率接收機鄰近頻道區(qū)中的強干擾信號可能產(chǎn)生大的交調(diào)干擾接收機交調(diào)由調(diào)幅雙邊帶干擾產(chǎn)生的交調(diào)可表示為式中：——有效干擾信號功率——交調(diào)參數(shù)，如圖所示——輸出信干比高頻甚高頻特高頻頻率間隔交調(diào)參數(shù)接收機減敏當接收機經(jīng)受在鄰近調(diào)諧頻率的頻道內(nèi)的一個或多個強干擾信號時，導致接收機前端信號的增益下降，稱為減敏效應。減敏信噪比：式中：——減敏信噪比(dB)Po——希望信號電平——基準信號電平——基準信號電平信噪比(dB)PSAT——接收機輸入端的干擾信號功率(dBm)PA——接收機前端飽和電平(dBm)R——減敏率，見圖減敏率飽和基準電平若接收機輸入端出現(xiàn)多于一個的不希望信號，則

PEQ

—