[科普中国]-电磁兼容设计

电磁兼容是指系统、分系统、设备在共同的电磁环境中能协调地完成各自功能的共存状态。电磁兼容设计是通过提高产品的抗电磁干扰能力以及降低对外的电磁干扰，避免由于干扰导致的产品故障，从而提高产品的可靠性。电磁兼容设计一般需要从抑制干扰源、切断干扰传播途径等方面进行设计。

设计要素要实现系统内或系统间的电磁兼容需从分析形成电磁干扰后果的基本要素出发。由电磁骚扰源发射的电磁能量，经过耦合途径传输到敏感设备，这个过程称为电磁干扰效应。因此，形成电磁干扰后果必须具备3个基本要素。

电磁骚扰源任何形式的自然现象或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其他生物受到伤害，或使其他设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，这种自然现象或电能装置称为电磁骚扰源。

耦合途径耦合途径即传输电磁骚扰的通路或媒介。

敏感设备敏感设备是指当受到电磁骚扰源发射的电磁能量作用时，会受到伤害的人或其他生物以及会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁骚扰源又是敏感设备。

为了实现电磁兼容，必须从上面3个基本要素出发，运用技术和组织两方面措施。技术措施就是从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有效的技术手段，抑制骚扰源、消除或减弱骚扰的耦合、降低敏感设备对骚扰的响应或增加电磁敏感性电平；为了对人为骚扰进行限制，并验证所采用的技术措施的有效性，还必须采取组织措施，制定和遵循一套完整的标准和规范，进行合理的频谱分配，控制与管理频谱的使用，依据频率、工作时间、天线方向性等规定工作方式，分析电磁环境并选择布置地域，进行电磁兼容性管理等。1

目的电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或系统规定的功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证。必须在设备或系统功能设计的同时，进行电磁兼容设计。

电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。其要求是使电子设备或系统满足EMC标准的规定并具有两方面的能力：①能在预期的电磁环境中工作，无性能降低或故障；②对该电磁环境不是一个污染源。

为了实现电磁兼容，必须深入研究以下5个问题。

(1)电磁骚扰源的研究。包括电磁骚扰源的频域和时域特性、产生的机制以及抑制措施等的研究。

(2)电磁骚扰传播特性的研究。即研究电磁骚扰如何由骚扰源传播到敏感设备，包括对传导骚扰和辐射骚扰的研究。传导骚扰指沿着导体传输的电磁骚扰，辐射骚扰指由器件、部件、连接线、电缆或天线以及设备或系统辐射的电磁骚扰。

(3)对于敏感设备抗干扰能力的研究。这种抗干扰能力常以电磁敏感性或抗扰度表征，电磁敏感性电平越小，抗扰度越低，抗干扰能力越差。

(4)对于测量设备、测量方法与数据处理方法的研究。由于电磁骚扰十分复杂，测量与评价需要有许多特殊要求，例如，测量接收机要有多种检波方式，多种测量带宽、大过载系数、严格的中频滤波特性等，还要求测量场地的传播特性与理论值符合得很好等。如何评价测量结果也是个重点问题，需要应用概率论、数理统计等数学工具。

(5)对于系统内、系统间电磁兼容性的研究。系统内电磁兼容性指在给定系统内部的分系统、设备及部件之间的电磁兼容性，而给定系统与它运行时所处的电磁环境，或与其他系统之间的电磁兼容性即系统间电磁兼容性．这方面的研究需要广泛的理论知识与丰富的实践经验。2

设计内容在电子系统的开发中，要考虑到系统、分系统与周围环境之间的相互骚扰。每个设计者都应意识到电磁骚扰(EMI)问题，在电子系统的开发与设计过程中采取正确的防护措施减小电子系统本身的EMI发射。有80%的骚扰问题可以在设计与开发过程中解决。否则，当整个系统完成以后，工程师们将要花双倍的力气去解决系统的骚扰问题。抗扰度问题也是这样。

电磁兼容设计又可分为系统内和系统间两部分，主要是对系统之间及系统内部的电磁兼容性进行分析、预测、控制和评估，实现电磁兼容和最佳效费比。1

电磁兼容设计就是针对电磁干扰进行的，它与可靠性一样，要保证控制系统在有电磁干扰的环境下可靠地工作，就必须对它进行电磁兼容设计。电磁兼容设计的理论基础是电磁场理论、电路理论和信号分析等，电磁兼容设计包括接地技术、滤波和吸收技术、屏蔽和隔离技术以及结构设计等。电磁兼容设计的基本方法有问题解决法、规范法和系统法。电磁兼容设计的内容包括电磁环境分析、频率选用、EMC指标和电磁兼容设计技术应用等。应用那些已由理论和实践证明的、能保证系统相对地免除电磁干扰的设计方法，可以对干扰加以控制。理论分析、实验室测量和系统性能检查可以验证设计是否符合EMC要求。EMC设计内容包括：

(1)明确系统的EMC指标。所设计的控制系统在多强的电磁干扰环境中应能正常工作；控制系统干扰其他系统的允许指标。

(2)在了解所设计的控制系统干扰源、被干扰对象、干扰的耦合途径的基础上，通过理论分析将这些指标逐级地分配到各分系统、子系统和单元电路上。

(3)根据实际情况采取相应措施抑制干扰源，隔断干扰途径，提高电路的抗干扰能力。

(4)通过实验来验证是否达到了原定的指标要求，若未达到则进一步采取措施，循环多次，直到最后达到原定指标为止。

电磁兼容学科是在早期单纯的抗干扰方法基础上发展形成的，两者的目标都是为了使设备和系统达到在共存的环境中互不发生干涉，最大限度地发挥其工作效率。但是早期的抗干扰方法和现代的电磁兼容技术在控制电磁干扰策略思想上有着本质的差别。

单纯的抗干扰方法在抑制干扰的思想方法上比较简单，或认识比较肤浅，主要的思路集中在怎样设法抑制干扰的传播上，因此处于极为被动的地位，解决问题的方法也是单纯的对抗式的措施。而电磁兼容技术在控制干扰的策略上采取了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方针。人类在征服大自然各种灾难性危害中，总结出的预防和救治、对抗和疏导等一系列策略，在控制电磁危害中同样是极其有效的思维方法。形成电磁干扰必然具备三个基本要素是电磁干扰源；耦合途径或传播通道；敏感设备。电磁兼容设计的出发点就是这三个基本要素。针对电磁干扰的三要素，提出三种解决电磁干扰问题的方法是：

(1)抑制干扰源产生的电磁干扰（滤波、屏蔽和接地）。

(2)切断干扰的传播途径。

(3)提高敏感设备抗电磁干扰的能力（降低对于扰的敏感度）。

为了实现电磁兼容，必须从电磁干扰的三个基本要素出发，运用技术和组织两方面措施。3

故障诊断电磁兼容设计与故障诊断步骤如下：

1)描述问题和现象，界定问题相关的环境范围。

2)画结构图：包括问题结构、参数结构。

3)分析结构中包括的分布参数。

4)画等效电磁兼容电路图：辐射、传导。

5)求解和分析，求耦合参数。

6)进行测试或验证性试验设计。

7)提出整改措施，实施改进措施。

8)测试，比较EMC性能的变化。

9)重复上述过程，进行新一轮的分析。4

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学