《電磁場與電磁波》課件-10.8節(jié)

10.8電磁兼容（EMC）

電磁兼容包含有兩層意思：任一電子設備或系統(tǒng)應具有一定的抗電磁干擾的能力，使其在電磁環(huán)境中能正常工作；設備正常工作時產生的電磁干擾應抑制在一定水平，不能對在同一環(huán)境中的其他任何事物（包括設備、人、動物和植物等）構成不能承受的電磁騷擾。為此國家制定了相應的強制標準和行業(yè)標準，所有電子、電氣設備均應通過相關的電磁兼容檢驗。電磁兼容設計

屏蔽、接地和濾波

電磁輻射的危害1.電磁兼容設計

電磁兼容設計應從EMI特性和電磁耐受(EMS)特性兩個方面進行。從EMS角度看，主要的干擾源有射頻(RF)干擾、靜電干擾、電力干擾和自干擾。在系統(tǒng)設計中降低射頻干擾的有效措施是合理地利用無線電頻譜。頻譜的分配頻譜的節(jié)約與發(fā)掘無線電是有限資源，為了合理使用無線電資源，國際上成立了EMC組織進行協(xié)調，各國均成立了專門機構對此進行管理，并制定了相應的規(guī)范，一切電子設備必須經(jīng)過這些專門機構的鑒定和批準才能進入市場。

采用各種技術措施以提高頻譜的利用率，如采用壓縮語音頻帶技術、單邊帶技術以及提高頻率穩(wěn)定度技術等來減小信道間的間隔。此外如開拓新的頻段等，從根本目的上說，都是為了提高電磁兼容能力。

頻譜利用電磁兼容設計（續(xù)）兩個重要參數(shù)敏感門限值安全系數(shù)使系統(tǒng)或設備不能正常工作的干擾臨界電平稱為敏感的門限值安全系數(shù)m(dB)：m=Ps-Pl

Ps為設備或系統(tǒng)的敏感門限電平，Pl為設備或系統(tǒng)實際接收的干擾電平。若m<0，表明設備或系統(tǒng)不兼容，處于受干擾狀態(tài)。若m=0，為臨界狀態(tài)。若m>0，設備或系統(tǒng)才處于兼容狀態(tài)，工作安全可靠。顯然，從安全出發(fā)，m越大越好。如果設備或系統(tǒng)不能滿足安全系數(shù)的要求，則應采取防護措施。2.防護措施合理布局，將干擾源與敏感設備作空間隔離，或采用時間分割，也可同時采用時間與空間分離；采用頻率分離和極化分離；增強系統(tǒng)、系統(tǒng)中某些設備、設備中的某些電路或元器件的抗干擾能力；例如合適的選用元件，采用平衡電路、觸點保護電路、整形電路等技術措施，抑制和防止干擾；采用屏蔽技術以切斷近場感應或遠場輻射等干擾的傳遞途徑；采用濾波技術抑制干擾源和消除與干擾信號間的耦合；采用良好的接地系統(tǒng)，減少通過公共地電阻而引起的相互干擾。(1)屏蔽(shield)

用銅或鋁等低阻材料或磁導率高的磁性材料制成所需形狀的容器，將需要隔離的空間包圍起來，這種防止電磁波干擾所采取的方法稱之為屏蔽。屏蔽的效果由屏蔽效能來衡量。屏蔽分為三種電屏蔽磁屏蔽電磁屏蔽屏蔽效能

屏蔽的效能一般用屏蔽前后同一點場強的比值來表征。

在線性電路中，由于干擾電壓與干擾場強成正比，所以將電屏蔽化為等效電路進行分析時，屏蔽效能又可定義為屏蔽前后同一元件上干擾電壓之比，即如果將上式用分貝表示，則

式中，UB為屏蔽前B點受電場干擾的電壓；為屏蔽后同一點受電場干擾的電壓。

(a)電屏蔽（electricalshield）

電屏蔽的作用是防止靜電場的影響，消除兩個設備或兩個電路之間由于分布電容耦合所產生的影響。有一帶正電荷Q的導體置于金屬盒中。由高斯定理不難證明金屬盒的內表面感應產生-Q電荷，在金屬盒的外表面集結+Q電荷，由外表面電荷所建立的電場將干擾其它設備。干擾其它設備如果將金屬盒接地，金屬盒與地等電位，盒外的電荷流入大地，盒內電荷產生的電場將不影響其它設備的工作，達到屏蔽的目的。(b)磁屏蔽（magneticshield）

磁屏蔽是利用高磁導率材料將磁場封閉在它的厚壁之內，一般用于10kHz以下的低頻。如果將磁干擾源屏蔽于高磁導率材料制成的殼中，稱為對外磁屏蔽或有源磁屏蔽。此時，其產生的磁力線的絕大部分將集中于磁阻很低的殼體內，只有極少的磁力線從殼體內泄漏到殼體外部，泄漏的磁通稱為漏磁通。漏磁的多少決定于殼體材料的磁導率與殼體的厚度。也可用多層磁屏蔽以減少漏磁。若磁干擾源在磁殼的外部，用以防止其對殼內設備或電路的影響，稱之為對內屏蔽或無源磁屏蔽磁。此時因屏蔽層的磁導率很高，磁阻低，磁力線通過磁屏蔽殼只有少量進入殼內空間。在理想情況下，取磁導率很大的材料制成屏蔽殼，可完全隔絕外界磁場的影響，但實際中，這是難以實現(xiàn)的。不管是有源還是無源磁屏蔽，都不需要將屏蔽殼接地。為了消除磁屏蔽殼體附近設備之間的靜電影響，才采取接地措施。(c)電磁屏蔽(electromagneticshield)

利用電磁能量在良導電媒質中急劇衰減的原理，根據(jù)所屏蔽的電磁波的頻率，選擇透入深度小的材料，制成一定厚度通常的屏蔽罩。但由于高頻時鐵磁材料的磁滯損耗大，發(fā)熱顯著，對被保護裝置不利，常采用低磁導率的金屬材料。實際上，在高頻電磁場中，電場與磁場是相互依存的，所以，只要對兩者之一進行屏蔽，另一者也將不復存在。一般情況下，采用非鐵磁材料的良導體金屬板屏蔽罩接地的方法，即可有效地屏蔽高頻電場。在不適宜用金屬板作屏蔽時，可以用金屬網(wǎng)，這時電磁波在網(wǎng)中的吸收損耗甚小，主要是反射損耗。網(wǎng)孔愈小，導線愈粗或屏蔽的空間越大，則屏蔽效果愈好。電磁屏蔽設計必須注意的事項若波源距屏蔽金屬板較近時，不僅要考慮輻射場，而且要考慮近區(qū)感應場，兩者的屏蔽效能是有差別的。屏蔽罩上的孔和縫是降低屏蔽效能的主要原因之一，由于空縫耦合可以等效為二次輻射天線，它具有方向性，使屏蔽不均勻，即可能在某些區(qū)域的屏蔽效能會很差。因此必須科學設計屏蔽罩上的空或縫。屏蔽罩具有自然諧振頻率，當合適頻率的干擾信號以較小的能量耦合到屏蔽罩內會產生較大的干擾，從而出現(xiàn)負屏蔽效能，這在設計時必須避免此類問題的發(fā)生。(2)接地

(ground)

為了減小干擾，需合理設計接地線。為電源和信號提供回路和基準電位稱為接地。常用的接地系統(tǒng)頻率較高f>10MHz或接地點的間距較大頻率較低f<1MHz或接地點的間距較小單點接地系統(tǒng)多點接地系統(tǒng)混合接地系統(tǒng)介于上述兩者之間三種接地的特點

在這種接地方法中，各支路電位僅與本身電流、地線電阻有關，各支路在自己的地線上產生的干擾電勢不會干擾其它支路。

每一級或每一裝置都各自用接地線分別就近接地，這樣每個支路的干擾電流僅能在本支路中循環(huán)，對其它支路影響較小。

地線中各段(oa、ab、bc段等)存在電阻和電感，從而造成各支路之間的干擾。但離電源最近的支路受到的干擾最小。設計中應將低電平電路單元靠近電源，依次類推，則可避免大信號單元對小信號的影響。

小結接地可分為安全地、靜電地、避雷地、電源地、電路地、屏蔽地和信號地等。安全地主要考慮操作人員和設備、系統(tǒng)的安全，要求所有電氣、電子設備的機殼和底盤都要接地，否則，機殼對地而言由于雜散阻抗的影響，可能形成高電位，人有觸電的危險。系統(tǒng)中不是專門用于流過電流的所有導電部件也應接地，特別是一些重要部件。對于供電電源要單獨建立基準接地點并通過扼流圈、旁路電容等將電源接地。電源接地與信號接地線間要相互隔離，盡可能減小其間的耦合。當電纜長度小于0.15

時，其屏蔽層可用單點接地，否則，應采用多點接地，這樣來保證電纜屏蔽層各點的地電位。對復雜的電子設備至少要分三組接地，即低電平信號地線、高電平干擾地線和機殼地線。(3)濾波(filter)

電磁干擾濾波器的特點是：干擾源的阻抗值變化范圍很大，故電磁干擾濾波器通常工作在阻抗失配的狀態(tài)；電磁干擾的頻譜范圍很寬，從低頻到超高頻直至甚高頻，故電磁干擾濾波器不能用簡單的集總參數(shù)來表示它的高頻特性；要求電磁干擾濾波器可以在大電流和高電壓的情況下長期工作，對干擾波有較高的衰減特性，而對傳輸信號的衰減應很小。

濾波器從作用上來分有低通、高通、帶通和帶阻等。在設計好濾波器后，應注意正確安裝，否則會產生不良效果。濾波器最好安裝在干擾源出口處，并與干擾源置于同一屏蔽盒內。濾波器的輸入與輸出線必須分開，相互隔離，防止相互之間的耦合。濾波器中的元件的接線應盡可能短，防止在某個頻率上由于線分布電感和其中的電容元件產生諧振，各電抗元件可相互垂直安裝，避免相互間的影響。濾波器接地線上有很大的短路電流，需防止產生電磁干擾。注意導電線間的相互隔離，避免相互交叉以減小耦合。焊接在同一插座上的每根導線都必須進行濾波，否則會破壞濾波特性。

電磁干擾濾波器通常分為LC濾波器、無源組合式濾波器、電纜濾波器、有源濾波器等。從結構上分有型、T型和型濾波器等。

3.電磁輻射的危害

電磁能量對人體及設備的危害主要是由于其產生的熱效應和場效應。

電磁能量照射到人體與電磁波照射到介質一樣，將產生能量的透射、吸收和反射，產生熱和非熱兩種效應。

實驗證明，當微波照射到人體后，若表面的功率密度10mW/cm2，則人體溫度約上升1oC。對150MHz～1GHz的波，人體表面吸收較小，大部分為人體深度吸收；1GHz～3GHz時，人體表面與深度吸收大致相當，含水量多的組織吸收大，反之則較??；3GHz以上的電磁波大部分為人體表面所吸收。電磁波的影響與電磁波的頻率、照射的功率密度、照射時間、波形及照射部位等有關。實驗證明，波長為1.25cm的微波輻射，若強度達到150mV/cm2時，5分鐘就足以導致白鼠死亡。

電磁輻射的危害眼睛對1GHz～3GHz頻率的照射最為敏感。微波高強度地照射可能使人眼晶體混濁，造成白內障。人的睪丸比眼睛更易受輻射危害，危害的門限值比眼睛約低一個數(shù)量級，其造成的危害是引起暫時性或永久性不育癥。高強度的照射還可能引起腦功能減退和加重病理反映，血液的紅、白細胞的減少以及損害骨骼組織的生長等。

高場強可以在金屬桿、線、柱等上面感應產生高電壓，尤其是這些金屬體長度接近諧振長度時。射頻感