从标准化角度回顾电磁兼容技术的发展

代健

（航天标准化研究所，北京，100071）

从标准化角度回顾电磁兼容技术的发展

代健

（航天标准化研究所，北京，100071）

文摘：阐述世界范围内电磁兼容技术的发展历程，从军事和民用两大层面，分别以MIL-STD、IEC/CISPR和IEC/TC 77等标准为代表回顾电磁兼容技术和标准融合发展的情况。

无线电干扰；电磁干扰 （EMI）；电磁兼容 （EMC）；标准化。

如果考虑宇宙微波背景辐射的话，那么电磁波和电磁辐射自宇宙诞生之初即存在了，并充满整个宇宙。姑且先不考虑自然产生的电磁场和电磁波，如果说奥斯特发现了电流磁效应、法拉第发现电磁感性现象构建了电和磁的紧密关联，麦克斯韦的电波方程构筑了电磁波理论基石的话，那么1887年赫兹的电极放电实验则首次验证了电磁波的存在，而1901年马可尼使用铜线阵列实现了首次跨大西洋的电磁波发射，使人类首次利用电磁波实现了远距离通信。之后，电磁波逐渐被人所用，实现了无线电广播与通信。

与此同时，人们也逐渐发现电和磁所带来的干扰问题。1881年，英国科学家希维赛德发表了一篇题为 《论无线电干扰》的文章，电磁干扰问题第一次被正式提出。1887年，德国电气工程师协会成立了干扰问题研究委员会；1889年，英国邮政部门开始研究了有线通信中的干扰问题。之后的20世纪，各种电气工程和电子设备快速发展，在推动整个人类社会科技进步的同时，也带来了越来越多的干扰问题，电子系统和设备的电磁兼容因此成为产品设计研发乃至正常使用过程中所关注的重点之一。

在电磁兼容发展历程中，标准作为国际通用的技术语言和研发设计的技术准绳，在推动电磁兼容技术不断进步的过程中发挥着不可替代的重要作用，并推动和促进了世界范围内电磁兼容技术的发展。

1　20世纪40年代之前——无线电干扰

自无线电广播出现后，各国都开展了广播业务。美国 Westinghouse公司的工程师 Frank Conrad建立了私营广播电台，并于1920年取得营业执照；1922年，英国不列颠广播公司（BBC）成立，法国在埃菲尔铁塔上的电台正式播音，第一个苏维埃广播电台建成。

由于接收质量受到噪声干扰，早期的无线电干扰问题逐渐引起人们重视，关于无线电干扰的技术文章在1920左右陆续出现在各种国际学术期刊上。当时的无线电接收机和收发天线比较粗糙，易受外部干扰源或内部干扰源 （如自激振荡）的干扰，但随着设计技术的提高，很多类似的问题得以消除。另外，早期的无线电通信收发设备数量很少，且相距甚远，所以电磁干扰问题的修正相对比较简单。但之后，随着电气设备（电动机、电气化铁路等）和无线电发射设备（无线电广播、雷达等）的不断发展，无线电干扰在20世纪的20至40年代迅速出现并成为主要问题，并得到人们的广泛关注。

为了解决无线电噪声干扰问题，美国全国光电协会和美国电气制造商协会联合组建技术委员会，负责研究无线电干扰问题，主要目的是研发相应的电磁干扰测量技术和制定相关标准，其成果是在20世纪30年代出版了相关技术报告以及关于电磁干扰测量方法的技术文件，并对测量仪表进行了改进。主要体现在：系统阐述了高架输电线近旁电场强度和无线电广播电台产生的电场强度的测量方法，研发出测量无线电干扰和场强的仪表，初步确定了无线电干扰容限的基本理论。

由于欧洲国家普遍领土面积较小，一国的无线电发射通常跨过国界影响到他国，因此进行跨国的技术协调、开展无线电干扰的国际合作势在必行。另外，对于出口他国的设备和仪器，其电磁干扰也必须符合进口国的要求。

1933年，有关国际组织在巴黎举办了一次特别会议，研究如何处理国际性无线电干扰问题。与会者普遍认为，为避免商品贸易和无线电业务中出现障碍，最重要的是要在规定无线电干扰测试方法和限值方面保持统一性。为了加快制定国际上一致公认的无线电干扰系统性标准，会议提出，由国际电工委员会 （IEC）和国际广播联盟 （UIR）的相关委员会代表以及有关国际组织代表共同组建 “国际无线电干扰特别委员会”（InternationalSpecialCommitteeonRadio Interference，CISPR）。1934年，CISPR召开了第一次会议，标志着CISPR正式成立。在之后的二三年里，CISPR首要工作是确定无线电干扰可接受的上限和测量这种干扰的方法，并进一步规范测量器具，明确160kHz~1605kHz频段内无线电噪声测量操作规程。

2　20世纪40至60年代——电磁干扰

第二次世界大战期间，CISPR属下的技术活动基本停滞，这对无线电干扰测量和控制技术的发展造成一定的影响。但同时，二战期间对电信和雷达技术的广泛应用，又进一步推动了对电子系统无线电干扰控制技术的发展。

在军事领域，二次世界大战期间，电子设备尤其是无线电通信收发设备、无线电导航设备和雷达设备的使用不断增加，这些电子设备之间的干扰开始迅速增多，因此无线电干扰测量和控制在军事上的影响越来越重要。通常，通过在并不拥挤的频段重新分配收发频率，或将敏感设备远离电磁骚扰源，很多无线电干扰问题可以较容易地解决，用逐个排除的办法可以实现对无线电干扰的修正。

随着军事通信、导航、雷达需求的不断增加，电磁频谱愈发拥挤，电磁频谱在相应的不断扩展，很多干扰现象超出了无线电范畴，人们将这些干扰问题统称为电磁干扰 （EMI）；与此同时，对频谱的合理规划也逐渐提上日程。二战期间，电子通信、导航和雷达系统作为影响战局的重要因素，其EMI测量和控制技术也成为军方关注的焦点，甚至成为强制性要求，军用标准则成为这种强制要求的具体体现。

军方对EMI的重视、CISPR的标准化推动以及其他协会组织的技术研究，为EMI测量和控制技术向更高层次发展奠定了坚实基础。

1945年，美国制定了第一部规范EMI测量的军用标准JAN-1-225《150kHz~20MHz无线电干扰测量方法》，该标准总结了CISPR等组织在EMI测量方面的经验，规范了美陆军、海军无线电干扰的测量方法，使各种设备的EMI测试结果更具有效性和可比性。1946年，JAN-1-225由美国国家标准学会 （ANSI）改为C 63.1；1963 年C63.1修订为C 63.2，测量频率提高到30MHz；1964年再次修订为C 63.3，频率范围上限达到1000MHz；2009年，ANSI C 63.4发布，频率范围覆盖9kHz~40GHz，标准名称改为 《低压电子电器设备无线电噪声发射测量方法》。由JAN-1-225向ANSI C 63.4的演化，频率覆盖范围越来越大，为美国军用标准的民用化铺平了道路。

另外，在上世纪50至60年代，美军又制定并发布了一些EMI控制标准，如：1950年的MIL-I-6181《干扰控制要求》、1958年的 MILSTD-826《航空设备干扰控制要求》等。除了对单一设备的EMI测量和控制措施外，美军也尝试开展了军用系统层面的EMI控制要求方面的技术研究，逐步成为美军用规范 MIL-E-6051《系统电磁兼容要求》的前身。

在民用领域，二战后CISPR技术活动逐渐恢复，并成为IEC所属的一个特别委员会。CISPR逐渐成为国际上无线电干扰测量方法和测量仪器设备技术研讨的权威组织，其标准出版物被国际社会广泛认可和使用。随着更高频率的开发利用，相应的EMI测量方法和设备也逐渐改进，CISPR在技术协调和达成一致意见方面发挥了重要的作用。此后，有越来越多的亚洲国家和其他地区国家以及国际无线电咨询委员会 （CCIR）等几个对无线电科学感兴趣的国际组织也开始参加CISPR会议。各国参与者的增多和所从事技术领域的扩展，使CISPR会议逐渐成为就电磁干扰问题进行国际交流合作的重要载体。

通过CISPR的推动，用于更高频率的测量技术和详细测量方法逐渐发展，技术内容的更新也不断反映在CISPR的出版物中。上世纪50至60年代，由于EMI在广播电视、通信、家用电器、汽车和工业/科学/医疗 （ISM）设备等民用领域影响的逐渐凸显，CISPR进一步完善了针对这些民用设备EMI测量方法，并组织开展了很多实际测量，积累了大量数据，为后续明确EMI控制的限值要求奠定了基础。

除了 CISPR外，很多国家和地区的相关协会、组织也开展了大量相关技术研究工作，如欧洲电工标准化委员会 （CENELEC）、德国电气工程师协会 （VDE）、美国电气和电子工程师协会（IEEE）等。这些技术研究工作，不仅限于EMI的测量，而且更深入研究了EMI产生的机理以及如何抑制EMI的设计方法等。

3　20世纪60至80年代——电磁兼容

在EMC技术发展过程中，无论是军事领域还是民用领域，人们在研究电子系统EMC过程中，认识到为了使若干设备和分系统在同一时间段内共存于有限空间，必须对这些设备和分系统的EMI发射限值进行某种约定。在实践总结和经验积累的基础上，人们编制了各种EMC标准。这些标准规定了各种电磁干扰应控制在某些限值内，同时也规定了敏感设备必须具备一定的抗干扰能力，同时所有这些约定均应通过标准规定的试验方法进行验证。

在军事领域，美国军方一直致力于EMC技术和标准的研究工作。对于设备和分系统级EMC，1964年美国国防部组织专门小组制定三军统一的EMI测量和控制要求标准，这就是著名的MIL-STD-461/462系列标准；1967年美军出版了MIL-STD-462《电磁干扰特性的测量》；1968年出版了MIL-STD-461《控制电磁干扰的电磁发射和敏感度要求》，这两个标准相互配套，共同使用。1965年，发布了军用规范 MIL-E-55301《电磁兼容》，首次将 “电磁兼容”概念引入军事领域。同时，美军也逐渐意识到，即使组成系统的各个设备符合461/462军标要求，也不能保证各设备组成系统后能够在所处的电磁环境中兼容工作，因此系统级EMC逐渐提上日程。

系统级EMC涉及范围广泛，研究难度很大，不但包括组成系统各设备间实现电磁兼容，还要求系统对所处的电磁环境实现兼容。从上世纪60年代开始，对于系统EMC要求和相关的试验，美军方也一直处于研究和探索阶段，并且这一阶段的研究是保密的，对外公开的资料少之又少。具有讽刺意味的是，一次偶然的灾难事件加速了美军对系统EMC要求相关标准的制定和发布。1967年7月29日，在越南战争中动用的“福莱斯特”号航母由于EMC事故，使F-4机翼下的 “阻尼空地火箭”意外点火，引发连环爆炸，造成134人死亡，21架飞机被毁，受损严重的 “福莱斯特”号航母草草结束了在越南的作战。这次惨痛的教训，使美军彻底认识到系统级EMC的重要性。同年9月7日，美军即发布了军用规范 MIL-E-6051D《系统电磁兼容要求》（这是在1960年发布的MIL-E-6051C基础上修订的，更早版本未见全文），规定了系统电磁兼容性总要求，包括危险程度、降级准则、线缆、电源、接地、雷电防护、静电放电、人身危害、对火工品的危害等。该标准在适用范围中虽未特指，但其标准内容主要针对航空装备。

在民用领域，随着电子电气设备的快速发展，EMI的干扰频段更加宽泛。为了进一步规范更宽频带的EMI测试，CISPR组织开展了一系列测量技术和仪器的改进，并组织制定相关标准。1958年，当时测试频带最高仅到30MHz，1961年则提高至300MHz，直至1968年，更达到1000MHz。同期，CISPR出版了 CISPR-4《300MHz~ 1000MHz的无线电干扰测量规范》和 CISPR-5《无线电干扰测量仪器非准峰值检波器》。

1973年 6月，IEC/TC77电磁兼容技术委员会成立，CISPR和 TC77虽然都属于 IEC，但其各有分工。在电磁兼容顾问委员会 （ACEC）的协调下，这两个机构按照各自分工组织开展EMC技术标准的制定。1973年，欧洲经济共同体内部成立了欧洲电工标准化委员会（CENELEC），负责在欧共体内制定设备电磁干扰和性能限值方面协调一致的欧洲标准。

除了一些国际性、区域性的组织外，一些发达国家也率先出台了一些EMC管理政策。美国联邦通信委员会 （FCC）出版了关于电磁干扰测量进行国家管理的政策措施。例如：1968年出版的 《美国联邦通信委员会规章与条例》第二卷第18篇和1979年颁布的 《电磁发射限值规范》，都要求所有在美国销售的 “数字电子产品”的电磁发射必须低于某一限值，否则不能在美国销售。

另外，由于无线数据传输需求的迅猛增长，无线频谱资源变得越来越拥挤，这就需要对频谱资源进行合理规划和利用。国际电信联盟 （ITU）（ITU成立于1865年5月17日，是世界各国政府的电信主管部门之间协调电信事务方面的国际组织）下属的无线电通信部门 （ITU-R）的核心工作就是管理国际无线电频谱和卫星轨道资源。ITU的《组织法》规定，ITU有责任对频谱和频率指配，以及对卫星轨道位置和其他参数进行分配和登记，“以避免不同国家间的无线电电台出现有害干扰”。至此，频率通知、协调和登记的规则程序成为国际频谱管理体系的依据。ITU-R所从事的频谱管理和协调原则上不属于EMC的领域范畴，但其重要作用直接和间接促进了EMC发展，ITU-R所从事的频谱管理活动直到今天仍然活跃。

贾建芳在《中国特色社会主义“特”在哪里？》一文中指出，“中国特色社会主义的‘特’，既体现在中国特色社会主义道路上，又体现在中国特色社会主义理论体系上。”“把科学社会主义的基本原则与我国实际和时代特征相结合的社会主义就是中国特色社会主义。”蒋学模认为，“中国特色社会主义”之“特”体现在独特的历史道路、独特的所有制结构、独特的经济运行体制、独特的人文条件等方面［18］。

20世纪60至80年代，在EMC工程领域，其技术发展与标准的制定和实施密不可分，EMC标准在产品开发研制与验收中均发挥重要作用，“依据EMC限值要求进行设计，采用专用手段对EMC进行控制，按照EMC试验方法进行验证”的一整套EMC活动日趋成熟。同时，EMC测量工具设备的不断发展、精度的逐步提高，干扰滤波、屏蔽搭接等EMC控制手段的不断完善，也有效地带动了EMC工程技术的发展。

在EMC学术领域，由于EMC与电磁学紧密相关以及宏观电磁学的发展，也不断推动EMC理论的进步，尤其是各种EMC数学模型的构建、计算电磁学的应用，使EMC理论不断丰富完善。理论与工程的相互印证、相互促进，使EMC技术迅速发展，成为电子学的重要交叉学科和前沿领域，成为军事装备和民用电子产品所必须考虑的重要问题。

4　20世纪80年代至今——EMC和E3的深入发展

20世纪80年代，数字电子技术得到普及并迅速发展，深深影响了EMC有关问题的发展。首先，基本数字电路对瞬态EMI非常敏感，在其影响下，数字逻辑关系很容易失效。与此同时，数字电路和设备由于采用周期非常短的脉冲频率，且上升和下降沿十分 “陡峭”，可视为瞬态脉冲，又带来了大量的宽带电磁噪声。另外，数字电子设备广泛采用固体元器件和集成电路，而固体元器件很容易被瞬态EMI损坏，集成电路的大规模密集布线也容易受到电磁干扰和自身信号的干扰。因此，元器件、集成电路的EMC十分重要，需要运用专门的设计和工程方法来保护灵敏的半导体器件免遭电磁环境的损伤，该领域的研究至今仍颇受重视，在EMC技术领域有着特殊重要地位。

人们逐渐发现，对于元器件在PCB板的安装和布局、元器件和PCB板本身的各项参数、高速信号的布线等问题都会影响信号传输的质量，导致系统工作不稳定，甚至完全不能工作，这就引出了EMC的另一个分支领域——信号完整性。信号完整性，本质上是指信号在传输路径上的质量，其目标是使电路中信号能以要求的时序、持续时间、电压幅度和波形进行传输并到达指定的功能部位 （芯片管脚或执行单元）。器件级EMC和信号完整性使得EMC逐渐引入微观技术领域。

在宏观领域，随着电子学和计算机科学的飞速发展，无论是军事装备还是民用设备，其电子系统越来越复杂，无线互联和射频设备应用愈发广泛，电磁环境较以往愈发复杂。利用传统电磁学理论和模型分析EMC问题变得愈发困难，致使EMC计算机仿真分析技术逐渐兴起，相关的商用软件也逐渐成熟，有效地促进了EMC分析、设计和预测，尤其是并行电磁学仿真计算技术的发展，使得电大尺寸 （几何尺寸比波长大很多）EMC仿真分析成为可能。与此同时，EMC技术在军事领域和民用领域应用的深度和广度不断提高。

在军事领域，EMC技术发展和标准活动一直未曾停滞。自从美军标MIL-STD-461/462发布后，随着军用电子设备日趋复杂和先进，电磁干扰现象愈发频繁。为了进一步加强和规范军用设备的EMC，MIL-STD-461/462经历了几次大的改版。MIL-STD-461E将MIL-STD-461D和MIL-STD-462D整合为一个标准；目前最新版本为2007年发布的MIL-STD-461F《设备和分系统电磁干扰特性控制要求》。MIL-STD-461F反映了美军近50年来，在EMI测量和控制领域的技术经验积累，得到了全球的公认，很多国家将该标准作为本国武器装备研制和使用中EMI测量和控制的准则。目前，MIL-STD-461G也正在编制过程中。

另外，随着军事装备向大系统、集成化方向发展，在系统级EMC领域，尤其是1982年马岛海战中英舰 “谢菲尔德”号事件，美军方意识到系统EMC对适应未来战争中复杂系统电磁环境、提高战斗力有着特殊重要作用。为此，“系统EMC要求”成为美军方在采购过程中所必须遵从的准则。1992年，美军对MIL-E-6051D进行了修订改版，改版后形成MIL-STD-1818《系统电磁效应要求》；1993年，美军又对其进行修订，形成 MIL-STD-1818A，该标准主要应用范围是空军装备，包括飞机、地面支持设备等，较MIL-E-6051D有较大的改进和提升。

在1993年之前，美军关于系统级EMC的标准，主要针对的是航空武器装备；随着水面和水下舰艇、航天系统、地面武器装备向复杂大系统发展，美军着手开展顶层的、三军通用的，适用范围广泛的系统级EMC标准研究，并将EMC的概念进一步扩展，提出了电磁环境效应（Electromagnetic Environment Effect，E3）的理念。1997年，MIL-STD-464《系统电磁环境效应要求》发布，该标准首次将航空装备、水面和水下舰艇、航天系统、地面装备和军火等的EMC通用要求全部囊括，明确了美军在上述装备采购过程中的EMC考核要求，发布之日起即在全军范围内施行，包括新研装备和其改进型。MIL-STD-464标准的发布，是美军系统级EMC研究的里程碑，之后的所有系统级EMC要求都在该版本上进行改进。随着技术的发展，MILSTD-464经历了3次修订，2002年更新为A版，2010年10月更新为B版，2010年12月更新为C版，也就是目前最新的MIL-STD-464C。

为了支撑针对MIL-STD-464C的试验考核，美军不惜耗费巨资，建设许多大型的试验场地，用于系统级电磁环境效应的试验验证和考核，如美国马里兰州帕图克森特海军航空作战中心的E3试验场地，其最大规模的暗室达到了 55m× 55m×18m，可容纳整机的E3试验；美国海军海上作战中心达尔格伦分部为海军水面舰船进行E3研究、测试和评估。通过MIL-STD-461F标准对设备和分系统的EMC要求和试验进行规范，MIL-STD-464C对整个系统的E3提出要求，并进行试验考核，确保了美军武器装备能够具备在战场复杂电磁环境条件下执行任务的能力。

在民用领域，CISPR主导的无线电收发设备、电子产品、工业/科学/医疗射频设备、信息技术设备等的EMC干扰限值和测量方法不断发展，所对应的标准出版物更新频繁，比较著名的有CISPR 16《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范》系列、IEC 61000-6-3/4《电磁兼容》等。CISPR 16标准自1984年首次发布以来，经历了三次较大规模的调整和修订：1989年完成了第 1次修订，出版了 CISPR 16：1989（第2版）；1993年对篇幅庞大的CISPR 16按测量设备规范、测量方法和统计方法进行拆分，形成3个标准；2002年再次对标准结构进行重大调整，拆分成14个分标准，直至2006年历时5年完成了CISPR有史以来工程浩大、耗时最长、结构合理、系统性强的标准制修订工作，截至2009年 CISPR 16共包含 16个分标准。此外，CISPR 16与其他标准协调配套，形成了较为完备的EMC标准体系。IEC/TC77自80年代以来，与CISPR分工协作，主要制定了EMC基本文件，即 IEC 61000系列出版物，涉及电磁环境、发射、抗扰度，试验程序和测量技术等的规范，特别是处理与电力网络、控制网络以及与其相连设备等的EMC问题。

除了CISPR和TC77这2个专门制定EMC标准的国际组织外，IEC还有一些产品委员会制定其各自应用领域和授权范围的EMC标准，这些标准通常都是各个行业配套使用的系列标准。另外，国际电信联盟电信标准化部（ITU-T）中SG 5（第5研究组-电磁环境影响的防护）在研究电信系统的电磁兼容方面是最有经验的国际组织，特别是在过电压 （过电流）保护方面，制定了一系列权威标准，比较著名的有ITU-T K系列建议书《电磁兼容和干扰防护》、《防雷手册》、《接地手册》等。

除了国际EMC专业技术领域之外，EMC在国际经济贸易领域也有着特殊重要的地位。在国际贸易领域，随着欧洲自由贸易区的发展，80年代的欧洲国家开始关注制定和管理电磁干扰发射和抗扰度限值的通用性能标准，通过统一的方法和标准的实施使得欧洲企业能够在全欧洲销售自身的产品。由CENELEC制定的各种指导书涵盖了诸如无线电和电视接收机、信息技术设备、工业/科学/医疗设备等各种电气电子设备。CENELEC指导书紧密地建立在CISPR和IEC的其他出版物的基础上。CENELEC制定的欧洲标准，只是为取得各国对EMC认同的第一步，并经 CISPR审议通过，促进了欧洲商品贸易的发展。之后，随着贸易全球化，欧盟根据 89/336/ EEC指令，从1996年1月开始，对在欧盟销售的电子类产品开始强制执行EMC标准，这在世界范围内掀起了对电气电子类产品开展EMC研究和测试的热潮。

除欧盟外，世界其他各国无论是从保护本国对外贸易出口还是改善本国电磁环境方面，都意识到实施EMC标准的重要性。

为应对国际贸易中的EMC技术壁垒，满足相关EMC标准要求，国际EMC检测认证产业随之发展起来，只有经过检测认证达到各国EMC相关要求的产品，才能进入各国市场销售；尤其像汽车、心脏起搏器等与人身健康和安全密切相关的消费类产品，更是需要严格的EMC检测认证。

EMC技术与电子类产品生产销售直接相关，更促进了民用领域EMC测量技术和工程应用的发展。高精度EMC测量设备、宽屏带EMC测试手段、先进EMC测试场地，有效保障了EMC试验与测量。工业硅钢、铁镍合金、导电高分子材料、新型屏蔽材料等电磁兼容工程材料的发展，有效地支撑了EMC工程技术的应用。

当今，国际领域EMC技术发展十分迅速，EMC理论研究与工程应用极大地促进了经济社会的发展和军事技术的变革。其中，EMC标准更是助推了EMC技术的发展，尤其为加强武器系统电磁兼容性、提高武器装备作战效能，实施电子产品EMC认证、促进国际经济贸易发展奠定了坚实的技术基础。

［1］全国无线电干扰标准化委员会/全国电磁兼容标准化技术委员会．电磁兼容标准实施指南［M］，北京：中国标准出版社，2010．

［2］C.R.Paul．电磁兼容导论 （第 2版）［M］．北京：人民邮电出版社，2007．

［3］MIL-STD-461F．Requirements for the control ofelectromagneticinterferencecharacteristics ofsubsystemsandequipment［S］ ． US Department of Defense，2007．

代健 （1984年—），男，硕士，现主要从事航天领域电磁兼容技术和标准化研究。