1、电磁兼容入门级知识本文介绍了电磁兼容性的定义，国内外电磁兼容标准的发展概况和电磁兼容测量所需的环境要求以及骚扰、抗干扰测量设备的有关情况。目的是使广大工程技术人员对电磁兼容有个初步了解。随着技术的发展，特别是人们环境保护意识的增强，对产品的电磁兼容性越来越重视。我国已将产品的电磁兼容性要求纳入了国家强制性产品认证范围，国家规定从 2003 年 5 月 1 日起凡列入国家强制性产品认证目录的产品未经认证不得出厂、进口和销售(ccc)。那幺什幺是产品的电磁兼容性？国内外电磁兼容标准发展情况又如何？产品的电磁兼容性测量又需要那些环境条件和测量设备。本文就上述内容作出简单介绍。电磁兼容性(electr
2、omagnetic compatibility) 缩写就是指某电子设备既不干扰其它设备，同时也不受其它设备的影响。电磁兼容性和我们所熟悉的安全性一样，是产品质量最重要的指标之一。安全性涉及人身和财产，而电磁兼容性则涉及人身和环境保护。在我们的日常生活中经常会遇到这样一些情况，在我们正常收听广播或收看电视节目的时候如果户外有汽车驶过，很容易造成收听或收看质量下降，还有当我们在家玩电子游戏机时，常常造成邻居家电视机的某些频道无法正常收看；同样邻居家在玩游戏机时也会影响自家电视机的接收效果。这样的例子足以说明，在我们日常生活的空间确实存在着另外一种环境污染电磁污染。可以这样说，凡有电、有开关的设备均
3、会产生电磁干扰。1.电磁骚扰源，指产生电磁骚扰的元件，器件，设备或自然现象；2.耦合途径或称耦合通道，指把能量从骚扰源耦合到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介；3.敏感设备，指对电磁骚扰产生响应的设备。所有的电磁干扰都是由上述三个因素的组合而产生的，称为电磁干扰三要素。EMI 和 EMS 是相互对立的两个方面，上图说明，设备的 EMI 极限值与 EMS 极限值之间应该留有足够的余量（IM）,即设备 EMI 发射要小于其抗绕度（EMS） ，这样设备才有足够的抗干扰能力。另一方面设备的 EMI,EMS 实测值应该与极限值之间有足够的余量。如 EN300 386 标准中EMI Limit 为 40
4、dBuV/m,EMS limit 为 130dBuV/m.早在一九三四年国际电工委员会就成立了无线电干扰特别委员会简称 CISPR，专门研究无线电干扰问题，制定有关标准，旨在保护广播接收效果。当初只有少数国家参加该委员会，如比利时、法国、荷兰和英国等。经过多年的发展人们对电磁兼容的认识发生了深刻的变化，1989 年欧洲共同体委员会颁发了 89/336/EEC 指令，明确规定，自 1996 年 1 月 1 日起，所有电子、电器产品须经过 EMC 性能的认证，否则将禁止其在欧共体市埸销售。此举在世界范围内引起较大反响，EMC 已成为影响国际贸易的一项重要指标。随着技术的发展 CISPR 工作范围也
5、由当初保护广播接收业务扩展到涉及保护无线电接收的所有业务。国际电工委员会 IEC 有两个专们从事电磁兼容标准化工作的技术委员会：一个就是 CISPR 成立于 1934 年；另一个是电磁兼容委员会 TC77，成立于 1981 年。CISPR 最初关心的主要是广播接收频段的无线电骚扰问题，之后在 EMC 标准化工作方面进行了不懈的努力，CISPR 共有七个分技术委员会其中 A 分会涉及无线电骚扰和抗扰度测量设备及测量方法；B 分会涉及工业、科学、医疗射频设备的 EMC；C 分会涉及架空电力线路和高压设备的 EMC；D 分会涉及车辆、机动船和火花点火发动机驱动装置的 EMC；E 分会涉及收音机和电视
6、接收机及有关设备的 EMC；F 分会涉及家用电器、电动工具及荧光灯和照明装置的EMC； G 分会涉及信息技术设备的 EMC 问题。CISPR 已基本上将通常的工业和民用产品的 EMC考虑在其标准中。CISPR 还起草了通用射频骚扰限额值国际标准草案，这样，对那些新开发的以及暂时还不能与现有 CISPR 产品标准相对应的产品，可以用射频骚扰限额值来加以限制。几年前CISPR 将其工作频率范围扩展为 DC-400GHz，目前实际工作范围为 9KHz18GHz，以前的CISPR 标准主要涉及无线电干扰限额值及其测量方法，近年来在抗扰度方面加强了研究，并已制定了一些标准。TC77 最初主要关心低压电网
7、系统的 EMC 间题（9KHz 以下频段） ，后来将其工作范围扩大到整个 EMC 所涉及的频率范围及产品。目前 CISPR 已制定有 CISPR22（1997） 信息技术设备的无线电骚扰特性的测量方法及限值等 14 个标准；TC77 也已制定了 25 个 IEC 标准，其中 IEC61000-4 系列标准是目前国际上比较完整和系统的抗扰度基础标准。我国的 EMC 测试及标准化工作始于六十年代，当时国内的一些院所建立了相对简陋的试验室，开展无线电干扰（骚扰）测试研究，同时参考前苏联和欧美国家标准制定我们国家自已的EMC 标准和技术条件，自从 1986 年成立了全国无线电干扰标准化委员会后，我国才
8、开始有组织有系统地对应 CISPR/IEC 开展国内 EMC 标准化工作。目前全国无线电干扰标准化委员会已成立了八个分技术委员会，其中七个分会与 CISPR/A.B.CF.G 分会相对应，S 分会是根据我国国情而成立的，它主要涉及无线电系统与非无线电系统之间的电磁兼容问题。目前我国已制定了六十多项 EMC 国家标准，其中基础标准为 GB/T4365-2003 电磁兼容术语；GB/T6113-2008 无线电干扰和抗扰度测量设备规范。1 国际上主要标准化组织和标准国家或组织 制订单位 标准名称 IEC CISPR CISPR Pub.XX TC77 IEC XXXXX 欧共体 CENELEC E
9、N XXXXX 美国 FCC FCC Part XX MIL MIL-STD.XXX 德国 VDE VDE XXX 日本 VCCI VCCI 电磁兼容性的测量手段主要由测试场地和测试仪器组成。EMC 测试所需埸地主要包括开阔埸、电波暗室（anechoic chamber） 、屏蔽室等。开阔埸：根据标准要求通常测试埸成椭园形，长轴是焦距的两倍，短轴是焦距的3 倍，发射与接收天线分别置椭园的两个焦点上。两个焦点的距离即是我们所要求的测量距离，根据现有标准可分为 3 米、10 米和 30 米。我国现有标准大多数规定 3 米法测量，美国的 FCC 标准、英国的 VDE 标准有 10 米法测量的要求。开
10、阔埸一般应选择远离市区、电磁环境较好的地方建造，但这给建造、试验、生活管理等带来了诸多不便，目前国内大都利用楼顶平台，因地制宜进行建造。试验埸地应设有转台和天线升降塔，便于全方位的辐射发射及天线升降测试，关于开阔埸还有一些具体要求，如要符合埸地衰减要求，埸地周围无金属反射物等等。屏蔽室(screen room) ：在 EMC 测试中，屏蔽室能提供环境电平低而恒定的电磁环境，它为测量精度的提高，测量的可靠性和重复性的改善带来了较大的益处。但是由于被测设备在屏蔽室中产生的干扰信号通过屏蔽室的六个面产生无规则的漫反射，特别是在辐射发射测量和辐射敏感度测量中表现更严重，导致在屏蔽室内形成驻波而产生较大
11、的测量误差。目前国内生产的屏蔽室的屏蔽效能在 10Kz-10GHz 频率范围内一般能大于 100dB。电波暗室(anechoic chamber): 通常所说的电波暗室在结构上大都由屏蔽室和吸波材料两部分组成。在工程应用中又分全电波暗室(fully anechoic chamber)( 六面装有吸波材料）和半电波暗室(semi anechoic chamber)( 地面为金属反射面） 。全电波暗室可充当标准天线的校准埸地，半电波暗室可作为 EMC 试验场地。电波暗室的主要性能指标有“静区” 、 “工作频率范围”等六个指标（静区是指射频吸波室内受反射干扰最弱的区域） 。但建造电波暗室的成本、难度
12、均相当高，因为暗室的工作频率的下限取决于暗室的宽度和吸收材料的高度、上限取决于暗室的长度和所充许的静区的最小截面积，所以在建造上有较大的难度。且由于吸波材料的低频特性等原因，总的测试误差有时高达几十分贝，造价需几百万元。在电磁辐射敏感度测量方面还有一种非对称横电波传输室简称 ATEM 小室（Asymmetric Transverse Electromagnetic Transmission Cell） 。通常 TEM 小室呈对称形，ATEM 小室为非对称形，其外形为中间是方形的两头为非对称的棱锥形。ATEM 小室目前还处在研究阶段，主要用于预测试，尚未正式列入标准。电磁兼容性测量所需的仪器设备
13、的技术参数在标准中都有描述，电磁兼容性的测量分干扰（骚扰）和抗干扰。电磁干扰（electromagnetic interference）简称 EMI，测量一般为两个参数即辐射干扰(Radiated interference) 和传导干扰(Conducted interference) ，所谓辐射干扰是指通过空间传播的干扰，所谓传导干扰是指通过电源端而产生的干扰。传 导 干 扰 主 要 通 过 导 体 传 播 ,通 过 导 电 介 质把 一 个 电 网 络 上 的 信 号 耦 合 （ 干 扰 ） 到 另 一 个 电 网 络,其频谱主要为 30MHz 以 下 。 而 辐 射 （ 空 间 噪 声 ）
14、 干扰 源 通 过 空 间 把 其 信 号 耦 合 （ 干 扰 ） 到另一个电网络,其频率范围比传导噪声频率宽很多,30Hz-30GHz。传导噪声干扰可以通过设计滤波电路或追加滤波器的方法来进行抑制和衰减，而辐射辐射干扰主要通过应用密封屏蔽技术，在结构上实行电磁封闭。目前为减少重量大都采用铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率的屏蔽材料。关于共模与差模：共模干扰（Common-mode）：两导线上的干扰电流振幅相等，而方向相同者称为共模干扰。 差模干扰（Differential-mode）：两导线上的干扰电流，振幅相等，方向相反称为差模干扰。关于近场
15、与远场：干扰通过空间传输实质上是干扰源的电磁能量以场的形式向四周空间传播。场可分为近场和远场。近场又称感应场，远场又称辐射场。判定近场远场的准则是以离场源的距离r也定的。r/2 则为远场 r/2 则为近场 我们常用波阻抗来描述电场和磁场的关系，常见的电场如 两 个 金 属 板 两 端 加 电 压 . 常见的磁场如两 个 磁 铁 之 间 的 磁 场 。 （ 电 磁 波 的 速 度 在 空 气 中 接 近 于 光 速 ， 波长= c/f=3x108/f = 300/F(MHz)。 ）波阻抗定义为 Zo=E/H 在远场区电场和磁场方向垂直并且都和传播方向垂直称为平面波，电场和磁场的比值为固定值，为Z
16、o=120=377欧。下图为波阻抗与距离的关系。如，F =10MHz 波长=30 米 r =波 长 /2*3.14 =4.77 米。频率为 10MHz 的 电 磁 波 发 射 源 ， 在 离 发射 源 大 于 4.77 米时，为远场，小于 4.77 米时，为近场。关于辐射干扰，电磁场有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质
17、、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。在 源 及 敏 感 设 备 外 围 加 屏 蔽 ,隔 断 辐射 路 径 ;以 及 在 敏 感 设 备 各 端 口 增 加 滤 波 电 路 ,阻 止 已 耦 合 到 端 口 上 噪 声 进入 设 备 内 可 以 减 少 辐 射 干 扰 。测量所需的主要设备有：接收天线（根据测量频率不同可以选则偶极子天线、双锥天线、对数周期天线等） 。测量接收机。人工电源网络(artificial mains network 串接在被测设备电源进线处的网络。它在给定频率范围内，为骚扰电压的测量提供规定的负载阻抗，并使被试设备与电源相互隔离） 。天线升降架、转台及部分适配
18、器。吸收钳（absorbing clamp） 。计算机、接口板、软件等。关于 EMI 测量仪器的生产厂，目前国内尚没有这方面的生产能力，国际上也只集中在少数几家公司如德国的罗德与施瓦茨公司（RS 公司）是生产 EMI 仪器的著名公司，一直紧跟标准的变化，美国的惠普公司（HP 公司，现为安捷伦公司）也以其自身的优势大量生产着 EMI 测量仪器，目前两家公司在技术、产品可靠性、售后服务、价格上各有千秋。还有美国的依顿公司、泰克公司、日本的目黑公司等也生产 EMI 测量仪器。有的可用于认证测试，有的可用于企业预测试。对抗干扰(electromagnetic susceptibility)简称 EMS
19、，这方面的测量参数一般有 10 项：静电放电、无线电频率电磁辐射场、电快速瞬变脉冲、浪涌、由射频场引起的传导、电源频率磁场、脉冲磁场、阻尼振荡磁场、电压跌落短期中断和电压变化、振荡波抗扰度试验。其中无线电频率电磁辐射场和由射频场引起的传导两项试验所需的仪器多一些如需高频信号源、高频功率放大器、功率计、场监系统、计算机及相应的专用测试软件和接口等，价格较高，另外一些大都是专用仪器或几合一的专用仪器如浪涌仪、静电发生器、电快速瞬变模拟器等。EMS 仪器国内也有生产，国际上较著名的有瑞士夏弗纳公司、哈弗莱公司，国内较著名的是日本与上海电科所合资的上海三基电子工业有限公司。广播电视及相关设备的抗扰度是 EMS 测量中最复杂的，他要求在有用信号上迭加干扰信号，目前国际上只承认德国 RS 公司生产的 TS9980 系统，该系统完全满足 CISPR 标准和 EN 标准要求。
