电磁兼容性原理技术及试验分析研究

郭成功，汪文兵，霍智伟，杨国威，武军，王路兴

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018；2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃 天水 741018）

随着人类文明和科学技术的不断进步，人们在生产和生活中所使用的电子设备日益增加，同时，军事技术、工业、民用设备和成套系统的电子化和自动化水平也在不断提高。这些设备在工作时往往会产生一些有用或无用的电磁能量，而这些能量恰恰可能会影响到其他信息设备的正常工作，从而形成电磁干扰，所以电磁干扰（EMI）、电磁抗扰度（EMS）和电磁兼容性（EMC）的问题日益突出［1］。所谓电磁干扰是指一切与有用信号无关且不希望有的或会导致电气及电子设备产生不良影响的电磁发射。电磁抗扰度是指电气及电子设备在正常工作时，对于邻近电气及电子设备发出的电磁干扰自身所具备的抗干扰能力。电磁兼容性对于现代人们并不陌生，在日常生活中我们经常能够遇到，但如何做好预防和有效解决却是一个极为复杂的问题，所以从理论和实践两方面加强对电磁兼容性的认识和研究就显得非常迫切。

1 电磁兼容性的发展

随着工业、民用电气、军工业的蓬勃发展，电磁兼容性问题越来越被重视。上世纪30年代，国际上就成立了相关组织，如无线电干扰特别委员会等，开始研究电磁兼容性问题。上世纪50年代，随着大功率无线电装置及远程打击导弹武器等的投入使用，电磁辐射对设备使用的危害就日益暴露了出来，电磁兼容性问题的迫切性在世界上得到更进一步的重视。上世纪60年代以后，欧洲一些国家全面深入开展电磁兼容性测试仪器设备及技术的研究，并制定了一些标准规范。上世纪70年代后，先进国家通过前期经验的积累和分析研究，对相关标准、规范进行了修改完善。

就我国而言，对电磁兼容性问题的关注也是来源于军事。在我国海军发展起步阶段，舰船由于电子设备及整体设计时并没有提出电磁兼容性要求，导致投用的舰船设备间相互干扰，使其通信、导航能力等大幅度下降，从而引起了广泛重视，并随后筹建了国内第一个电磁兼容性实验研究室［2］。后来国内电子及电气设备研究单位和设计制作单位都纷纷配备了电磁兼容性设计人员。截止目前，我国已制定了一整套完整的相关标准及技术规范，涉及军标、国标、民标，相关的检测实验室以及生产设计单位都具备了较为全面的电磁兼容性方面的解决能力，电磁兼容性问题正在逐步得到完善和解决。

2 电磁兼容性的原理

所谓电磁兼容性，即设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容性（EMC）包括两个方面的要求：

第一，设备在正常运行条件下对所在环境产生的电磁骚扰不能超过一定限值（EMI）［3］。

第二，设备对所在环境中存在的电磁骚扰具有一定程度的抗扰度（EMS）。

电磁干扰的三个要素分别为干扰源、耦合路径和敏感设备。根据传播途径的不同,可把传播方式分为线路传导和空间辐射。传导是指经过金属路线的传输，而辐射则是空间的传播。传导发射和辐射发射可以用来描述发射器的特性，传导抗扰度和辐射抗扰度可以用来描述接收器的特性。信号传播路径示意图如图1所示。

图1 信号传播路径示意图

传导发射和传导抗扰度的强弱是用电压和电流表示的，其单位为V、dBV、dBμV和A、dBA、dBμA。辐射发射和辐射抗扰度的强弱是用场强表示的，其单位有V/m、dBV/m、dBμV/m等。干扰源的分类如图2所示。

图2 干扰源的分类

3 电磁干扰的抑制

实现电磁兼容性是一项非常复杂的技术任务，目前，比较有效的方式主要包括以下两个方面：

第一，在设备和系统设计时就注意选用一些干扰较小的元件、部件和电路，并合理布线以确保元件、部件的电磁兼容性。

第二，采用接地、屏蔽、滤波等技术，降低或抑制产生的干扰，从传播路径上阻碍干扰信号的传递［4］。

上述提到的接地、屏蔽、滤波是有效抑制电磁干扰的三大技术。虽然它们每一项技术在电路和系统设计上都有着各自的特点，但它们之间也是相辅相成的，例如，良好的接地能有效降低设备对屏蔽的要求，设备屏蔽做得好也可以降低设备对滤波的要求［3］。

所谓的“地”一般指的是电路或系统的参考零电位，不一定为实际的大地。接地一般是指电路或系统与“地”之间建立低阻值的通路。一般采用的接地方式有浮地、单点接地、多点接地和混合接地。接地要求如下：接地平面应为零电位；理想的接地平面应为零电阻的实体，电流在平面流过时不会产生压降，也就是说各个接地点之间没有电位差，亦或是这个电位差可以忽略不计；良好的接地平面与布线间有比较大的分布电容，而引线电感又很小，能够吸收信号，从而使设备稳定工作，一般选用非磁性的金属薄板；良好的接地能够降低回路骚扰电压的产生，减少其他信号通过地线的耦合干扰。

屏蔽是一种利用屏蔽体来阻挡或减小电磁传播，使其内外两侧空间进行电磁性隔离的技术。屏蔽首先会反射一部分干扰，进入屏蔽体内部的能量（没有被反射的），在内部向前传播时能量会被屏蔽材料衰减（吸收）。在屏蔽体内尚未减掉的剩余能量，会在屏蔽层内反复反射。不同的材料屏蔽效果也不一样，如铜、铝这种导体制成的屏蔽体，对电磁波具有很好的反射消耗，适合做电屏蔽。而某些特殊合金磁性材料，对磁场波有很大吸收消耗，适合做磁屏蔽。但无论是什么屏蔽体，最后均由屏蔽体的屏蔽效能来评价。屏蔽效能定义为空间某点上未加屏蔽时的电场或磁场强度和加了屏蔽后该点的电场或磁场强度的比值，表达式如下：

上式中：SEH为磁场屏蔽效能，单位为分贝（dB）；H1为无屏蔽室时的磁场强度，单位为微安每米（μA/m）；H2为屏蔽室内的磁场强度，单位为微安每米（μA/m）。

非线性计算公式如下：

上式中：SEE为电场屏蔽效能，单位为分贝（dB）；E1为无屏蔽室时的电场强度，单位为微伏每米（dBμV/m）；E2为屏蔽室内的电场强度，单位为微伏每米（dBμV/m）。

滤波是指利用某些电子元件的特性，将无用的信号过滤或者吸收。通常人们把能够实现滤波功能的电路或器件称之为滤波器。滤波器是分布参数的电阻、电感和电容构成的一种网络。这种网络允许某些频率通过，而对其他频率的成分加以抑制。但对于某些设备，可能遇见某些不常见的瞬时高压脉冲，需要特定的器件来进行高压的泄放，如主回路上的避雷器或者控制回路的压敏电阻等，才能确保设备在希望的预期条件下可靠工作。

4 试验分析研究

试验从最终的考核目标上来讲，可以分为改造型试验和认定型试验。改造型试验就是产品经过生产方研发后通过试验的方式来对该类产品所修改的内容进行一个相应考核，并通过试验结果现象对产品的改造再进行一个完善调整。而认定型试验则是对已研制成型的产品就其性能是否满足标准要求进行一个认定,进而为产品在实际使用前就其性能提供验收依据。

电磁兼容性试验依据标准涉及军用标准［5］、国家标准［6-7］、企业标准、电力标准等，不同产品依据不同的标准所涉及的检测项目也分很多类型。同一试验项目依据不同的标准，其现场布局、试验参数等也会有不同要求。常见的电磁兼容性试验项目有发射试验、辐射抗扰度、传导抗扰度、电快速脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度、阻尼振荡抗扰度、磁场抗扰度试验等项目。

本文就以电快速脉冲群抗扰度［8］试验来举例说明。试验主要考核电子设备对来自切换瞬态过程中（切断感性负载、继电器触点弹跳等）的各种类型瞬变骚扰抵抗能力。电快速瞬变脉冲群具有脉冲电压幅值高、上升时间短、能量相对较低、重复率高等特点。试验时应根据不同的产品标准选择试验端口和电压等级，并设置脉冲输出频率、脉冲群持续时间及施加时间。

电路未设计高频干扰滤波处理，在试验过程中会出现各类型的性能降低，如：屏幕出现闪烁，指示灯出现闪烁，有些接触器频繁动作，数据传输出现断续传输、数据错误甚至出现元器件的损坏等。对于有些产品的性能降低是允许的，试验结果为通过。但对产品的某些重要性能是不允许降低的，重要性能的降低会增加设备出现风险的可能性。

针对上述出现的性能降低，主要通过以下方式来进行解决：通过添加滤波元器件，如增加磁珠，通过磁珠的感抗阻碍高频信号的传输，最后通过发热来泄放；增加光耦，可以将无用的干扰全部过滤；通过给某些容易干扰的线路增加屏蔽，保证传输信号的可靠性；通过增加接地，减小回路面积，有效降低辐射的电磁信号。通过以上的合理整改搭配，就能够确保电子化产品在电磁兼容环境下的工作稳定性，从而有效降低风险发生。

5 结论

本文详细介绍了电磁兼容性的原理，从发展背景到技术要点，从产品设计分析到试验过程，对重点试验环节进行了详细的举例分析。随着全球电气装备业的不断发展和自动化智能化水平的不断提高，电磁兼容性的设计要求也在不断升级，各实验室针对电磁兼容性试验的能力和试验覆盖面也在不断扩充完善。解决好电磁兼容性技术问题、更好服务于客户、更好服务于行业发展，将是未来各实验室发展的主导方向。