電磁輻射的危害防護及測試

1、一.電磁輻射的危害：(1)它極可能是造成兒童患白血病的原因之一。醫(yī)學(xué)研究證明，長期處于高電磁輻射的 環(huán)境中，會使血液、淋巴液和細胞原生質(zhì)發(fā)生改變。意大利專家研究后認為，該國每年有 400多名兒童患白血病，其主要原因是距離高壓電線太近，因而受到了嚴重的電磁污染。(2)能夠誘發(fā)癌癥并加速人體的癌細胞增殖。電磁輻射污染會影響人體的循環(huán)系統(tǒng)、免 疫、生殖和代謝功能，嚴重的還會誘發(fā)癌癥，并會加速人體的癌細胞增殖。瑞士的研究資 料指出，周圍有高壓線經(jīng)過的住戶居民，患乳腺癌的概率比常人高7. 4倍。美國得克薩斯州癌癥醫(yī)療基金會針對一些遭受電磁輻射損傷的病人所做的抽樣化驗結(jié)果表明，在高壓 線附近工作的工人，其

2、癌細胞生長速度比一般人要快24倍。(3)影響人的生殖系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為男子精子質(zhì)量降低，孕婦發(fā)生自然流產(chǎn)和胎兒畸形(4)可導(dǎo)致兒童智力殘缺。據(jù)最新調(diào)查顯示，我國每年出生的 2000萬兒童中，有35萬 為缺陷兒，其中25萬為智力殘缺，有專家認為電磁輻射也是影響因素之一。世界衛(wèi)生組 織認為，計算機、電視機、移動電話的電磁輻射對胎兒有不良影響。(5)影響人們的心血管系統(tǒng)，表現(xiàn)為心悸，失眠，部分女性經(jīng)期紊亂，心動過緩，心搏 血量減少，竇性心率不齊，白細胞減少，免疫功能下降等。如果裝有心臟起搏器的病人處 于高電磁輻射的環(huán)境中，會影響心臟起搏器的正常使用。(6)對人們的視覺系統(tǒng)有不良影響。由于眼睛屬于人體對

3、電磁輻射的敏感器官，過高的 電磁輻射污染會引起視力下降，白內(nèi)障等。高劑量的電磁輻射還會影響及破壞人體原有的 生物電流和生物磁場，使人體內(nèi)原有的電磁場發(fā)生異常。值得注意的是，不同的人或同一 個人在不同年齡階段對電磁輻射的承受能力是不一樣的，老人、兒童、孕婦屬于對電磁輻 射的敏感人群。二、有5種人特別要注意電磁輻射污染：(1)生活和工作在高壓線、變電站、電臺、電視臺、雷達站、電磁波發(fā)射塔附近的人員;(2)經(jīng)常使用電子儀器、醫(yī)療設(shè)備、辦公自動化設(shè)備的人員；(3)生活在現(xiàn)代電器自動化環(huán)境中的工作人員；(4)佩戴心臟起搏器的患者；(5)生活在以上環(huán)境里的孕婦、兒童、老人及病患者等。三、電磁污染的防護措施

4、：(1)家電的擺放：不要把家用電器擺放得過于集中，以免使自己暴露在超劑量輻射的危 險之中。特別是一些易產(chǎn)生電磁波的家用電器，如收音機、電視機、電腦、冰箱等更不宜 集中擺放在臥室里。室內(nèi)不要放置閑雜金屬物品，以免形成電磁波的再次反射?？稍陔娔X桌上放置一盆仙人掌，這樣有助于減少輻射?？梢苑艓灼克针姶挪?，必須是塑料或玻 璃瓶，絕對不能是金屬杯盛水。(2)各種家用電器、辦公設(shè)備、移動電話等都應(yīng)盡量避免長時間操作，同時盡量避免多 種辦公和家用電器同時啟用。(3)手機的使用：手機接通瞬間釋放的電磁輻射最大，在使用時應(yīng)盡量使頭部與手機天 線的距離遠一些，最好使用分離耳機和話筒接聽電話。(4)保持安全距離

5、：注意人體與辦公和家用電器距離，對各種電器的使用，應(yīng)保持一定的安全距離，離電器越遠，受電磁波侵害越小。如彩電與人的距離應(yīng)在4至5米，與日光燈管距離應(yīng)在2至3米，微波爐在開啟之后要離開至少1米遠，孕婦和小孩應(yīng)盡量遠離微波爐。(5)保持室內(nèi)通風(fēng)，減少熒屏產(chǎn)生的致癌物質(zhì)澳化二苯并味喃；(6)如果住房臨近高壓線、變電站、電臺、電視臺、雷達站、電磁波發(fā)射塔，一定要請 專家進行電磁輻射檢測，如果經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)超過國家規(guī)定標準，要及時采取措施。四、利用電磁場高速自動掃描技術(shù)測量電磁輻射電磁兼容測試對即將進入市場的電子產(chǎn)品是非常重要的一項測試，但以往的測試只能得出能否通過的結(jié)果，不能提供更多有用信息。本文介紹利

6、用高速自動掃描技術(shù)測量電磁輻射， 檢測PCB板上電磁場的變化情況，使工程技術(shù)人員在進行電磁兼容性標準測試前就能發(fā) 現(xiàn)相關(guān)問題并及時予以糾正。隨著當今電子產(chǎn)品主頻提高、布線密度增加以及大量BGA封裝器件和高速邏輯器件的使用，設(shè)計人員不得不通過增加 PCB板的層數(shù)來減少信號與信號間的相互影響。同時在大量便攜式終端設(shè)備中，為了降低系統(tǒng)功耗必須采用多電平方案，而這些設(shè)備還有模擬或者RF電路，需要采用多種地，又必須使用電源平面和地平面分割的技術(shù)。因此 PCB板上的信號之間存在大量輻射干擾，造成設(shè)備功能故障或者工作不穩(wěn)定，而且所有信號對外形成很強電磁輻射，使得 EMC測試也成為產(chǎn)品上市的一個障礙。目前大部

7、分硬件工程師還只是憑經(jīng)驗來設(shè)計PCB,在調(diào)試過程中，很多需要觀測的信號線或者芯片引腳被埋在 PCB中間層，無法使用示波器等工具去探測，如果產(chǎn)品不能通過功 能測試，他們也沒有有效的手段去查找問題的原因。要想驗證產(chǎn)品的EMC特性，只有把產(chǎn)品拿到標準電磁兼容測量室去測量，由于這種測量只能測產(chǎn)品對外輻射情況，就算沒有通過也不能為解決問題提供有用的信息，因此工程師只能憑經(jīng)驗去修改PCB,并重復(fù)試驗。這種試驗方法非常昂貴，而且可能耽誤產(chǎn)品的上市時間。當然，現(xiàn)在有很多高速 PCB分析和仿真設(shè)計工具，可以幫助工程師解決一些問題，可是目前在器件模型上還存在很多限制，例如能解決信號完整性(SI)仿真的舊IS模型就

8、有很多器件沒有模型或者模型不準確。要精確仿真EMC問題，就必須用 SPICE模型，但目前幾乎所有的ASIC都不能提供SPICE模型，而如果沒有 SPICE模型，EMC仿真是無法把器 件本身的輻射考慮在內(nèi)的(器件的輻射比傳輸線的輻射大得多 )。另外，仿真工具往往要在 精度和仿真時間上進行折中，精度相對較高的，需要的計算時間很長，而仿真速度快的工具，其精度又很低。因此用這些工具進行仿真，不能完全解決高速 PCB設(shè)計中的相互干 擾問題。我們知道，在多層 PCB中高頻信號的回流路徑應(yīng)該在該信號線層臨近的參考地平面(電源層或者地層)上，這樣的回流和阻抗最小，但是實際的地層或電源層中會有分割和鏤空，從 而

9、改變回流路徑，導(dǎo)致回流面積變大，引起電磁輻射和地彈噪聲。如果工程師能清楚電流路徑的話，就能避免大的回流路徑，從而有效控制電磁輻射。但信號回流路徑由信號線布 線、PCB電源和地分布結(jié)構(gòu)以及電源供電點、去耦電容和器件放置位置和數(shù)量等多種因素 所決定，故而對復(fù)雜系統(tǒng)的回流路徑從理論上進行判定非常困難。所以在設(shè)計階段排除輻射噪聲問題非常關(guān)鍵。我們用示波器能看到信號的波形，從而可幫助解決信號完整性問題，那么有沒有設(shè)備能看到輻射的圖形”以及電路板上的回流呢?電磁場高速掃描測量技術(shù)在各種電磁輻射測量方法中，有一種近場掃描測量方法能解決這個問題，該方法基于這樣 的原理設(shè)計，即電磁輻射是被測設(shè)備 （DUT）上的

10、高頻電流回路形成的。如加拿大EMSCAN公司的電磁輻射掃描系統(tǒng) Emscan就是根據(jù)這個原理制成的，它采用H場陣列探頭（有32X40= 1280個探頭）來探測DUT上的電流，在測量期間，DUT直接放在掃描器的上面。這些探頭可以檢測由于高頻電流發(fā)生變化而引起的電磁場的變化，系統(tǒng)可提供RF電流在PCB上空間分布白視覺圖像（圖1）。Emscan電磁兼容掃描系統(tǒng)已經(jīng)在通信、汽車、辦公電器以及消費電子等工業(yè)領(lǐng)域得到廣 泛應(yīng)用，通過該系統(tǒng)提供的電流密度圖，工程師在進行電磁兼容性標準測試前就能發(fā)現(xiàn)有 EMI問題的區(qū)域并采取相應(yīng)措施。近場掃描原理Emscan的測量主要在活性近場區(qū)域 （r<<入/2

11、邊行，DUT上發(fā)出的輻射信 號大部分被耦合到磁場探頭上，少量能量擴散到自由空間。磁場探頭耦合了近H場的磁通線以及PCB上的電流，另外它也獲取一些近E場的微量成分。大電流低電壓電流源主要與磁場相關(guān)，而高電壓小電流電壓源則主要與電場相關(guān)，在PCB上，純電場或者純磁場都是很少見的。RF和微波電路中，電路的輸入阻抗以及連接用的微帶或者微帶線，其阻抗都被設(shè)計為50歐姆，這種低阻抗設(shè)計使得這些元器件產(chǎn)生大電流和低電壓變化，此外數(shù)字電路的趨勢也是使用更低電壓差的邏輯器件，同時活性近場區(qū) 域內(nèi)的磁場波阻抗遠小于電場波阻抗。綜合這些因素，大部分 PCB活性近場區(qū)域能量都 包含在近磁場中，因此 Emscan掃描系

12、統(tǒng)采用的磁場環(huán)適合于這些PCB的近場診斷。所有的環(huán)是一樣的，然而它們在反饋網(wǎng)絡(luò)中的位置不同，因此反饋網(wǎng)絡(luò)可感應(yīng)各個環(huán)的響 應(yīng)，每個環(huán)相對參考源的響應(yīng)都被測量出來并考慮為濾波轉(zhuǎn)移函數(shù)。為了保證測量的線性 度，Emscan測量的是這個轉(zhuǎn)移函數(shù)的倒數(shù)。由于采用了陣列天線和電子自動切換天線技術(shù)，因此測量速度大大加快，比手工單探頭測量方案快幾千倍，也比自動單探頭測量方案快幾百倍，能夠快速有效判斷電路修改前后的 效果（圖2）?？焖賿呙杓夹g(shù)及其先進幅度保持掃描技術(shù)和同步掃描技術(shù)使該系統(tǒng)能有效捕捉 瞬態(tài)事件，同時它采用能提升頻譜分析儀測量精度的技術(shù)，提高了測量的精確性和可重復(fù) 性。評彳t PCB近場輻射干擾的

13、測量方法PCB輻射干擾情況的檢查可分幾步進行。首先確定需要掃描的區(qū)域，然后選擇能充分采樣 掃描區(qū)域的探頭（柵格7.5mm）,在100kHz3GHz的頻率范圍內(nèi)進行頻譜掃描，并存儲每 個頻率點的最大電平。注意，比較大的頻率點可利用空間掃描在掃描區(qū)域內(nèi)作進一步檢查， 這樣可以定位干擾源以及關(guān)鍵電路路徑。被測板必須盡可能靠近掃描器板，因為隨著距離增加，接收信噪比會降低，而且還會有分離”效應(yīng)。實際測量中，這個距離應(yīng)該小于1.5cm。我們可以看到，對元件面的測量有時候可能會因為元器件的高度而使測量出現(xiàn)問題，因此元器件的高度必須要考慮，以對測量的 電壓電平進行校正。在基本檢查中，需考慮分離距離校正因子。我

14、們可以很快得到測量結(jié)果，但是這些結(jié)果不能評判產(chǎn)品是否符合EMC特性，因為它測量的值是PCB板上的高頻電流產(chǎn)生的電磁近場。而標準EMC測試是要求在開闊場地（OATS）或者在暗室進行的，距離為 3米（即遠場）。盡管Emscan的測量不能取代標準 EMC測試，但是實踐證明，它確實有很多用途。通過 對測量結(jié)果的分析，可以得出很多結(jié)論以利于產(chǎn)品的后續(xù)開發(fā)。除了得到電壓電平外，下 列信息也非常重要：干擾產(chǎn)生點、干擾分布、覆蓋大區(qū)域的干擾傳導(dǎo)路徑、干擾被限制在PCB上的狹窄區(qū)域以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)或臨近I/O模塊間的耦合等，還可以看到數(shù)字電路和模擬電路分開的效果。上述測量可作為 PCB設(shè)計質(zhì)量評估的一個標準，進一步

15、來說，如果我們已經(jīng)知道了一個 類似的PCB的EMC特性，我們完全可以在產(chǎn)品開發(fā)早期對EMC特性進行比較可靠的評估，例如是否應(yīng)該采用屏蔽手段等。特別值得一提的是，電磁場高速掃描系統(tǒng)還能揭示瞬態(tài)EMI問題，瞬態(tài)EMI問題在電磁兼容性測量中往往不會被檢測到，但是它們會影響產(chǎn)品的性能和可靠性。PCB抗干擾性能的評估 在實際使用中，所有電子設(shè)備都會受到電磁場的干擾，如果一個設(shè)備不能滿足抗干擾要求，也不進行屏蔽，那么該設(shè)備的性能就會受電磁干擾的影響。事實表明，干擾信號的頻率可能會有幾百MHz ,這些干擾主要通過連接的導(dǎo)體進行耦合，因此 I/O模塊的抗干擾設(shè)計非 常重要。為了增強產(chǎn)品的抗干擾性能，有時不得不增加濾波等手段，這意味著會增加產(chǎn)品 的成本。從這種角度上看，尋找一種能優(yōu)化所有電路和元器件的解決方案非常重要。通過適當修改上面提到的測量方法，在產(chǎn)品開發(fā)和測試階段就能夠正確評估產(chǎn)品的抗干擾 性能。改進后的方法如下：把 PCB放在掃描器板上進行頻譜掃描以決定PCB的干擾頻率，然后把該頻率正弦波干擾信號用夾子或者適當耦合設(shè)備（如平衡線上用的T-LISN