課程電磁兼容理論與應(yīng)用課件

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電磁兼容理論與應(yīng)用

021305

蘇東林北京航空航天大學(xué)精品課程

電磁兼容理論與應(yīng)用

021305課程教學(xué)大綱課程名稱：電磁兼容理論與應(yīng)用課程代碼：021305課程學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)課程的目的與地位：電磁兼容現(xiàn)象普遍存在于現(xiàn)代通信、測(cè)量系統(tǒng)中，如主頻已達(dá)到1GHz以上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、射頻通信系統(tǒng)及電器、電氣系統(tǒng)等中都普遍存在電磁兼容問(wèn)題。為了培養(yǎng)滿足社會(huì)需求的合格人才，開(kāi)設(shè)本課程。2課程教學(xué)大綱課程名稱：電磁兼容理論與應(yīng)用2課程教學(xué)大綱講授及學(xué)習(xí)方法：課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、講座與撰寫(xiě)實(shí)習(xí)報(bào)告考核方式：考試（30%），實(shí)驗(yàn)（20%），平時(shí)（20%：出勤，作業(yè)），實(shí)習(xí)報(bào)告（30%）

課程教材：工程電磁兼容——原理、測(cè)試、技術(shù)工藝及計(jì)算機(jī)模型，人民郵電出版社，V.PrasadKodali著，陳淑鳳、高攸綱、蘇東林、周碧華譯

3課程教學(xué)大綱講授及學(xué)習(xí)方法：課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、講座與撰寫(xiě)實(shí)習(xí)報(bào)目錄導(dǎo)論設(shè)備和電路產(chǎn)生的電磁干擾概率和統(tǒng)計(jì)物理模型4目錄導(dǎo)論4一.導(dǎo)論電磁環(huán)境歷史沿革EMI和EMC概念與有關(guān)定義頻譜管理EMI和EMC綜述分析計(jì)算舉例5一.導(dǎo)論電磁環(huán)境51.電磁環(huán)境我們生活中不可缺少的部分；許多設(shè)備：無(wú)線電、電視廣播臺(tái)、通信發(fā)射機(jī)、雷達(dá)導(dǎo)航設(shè)備等，在正常工作時(shí)，會(huì)同時(shí)輻射電磁能量——有意將電磁能量輻射到空中；另一些設(shè)備：汽車點(diǎn)火系統(tǒng)、工業(yè)控制裝置等工作時(shí)，也會(huì)向外輻射電磁能量——無(wú)意輻射電磁能量；上述有意或無(wú)意輻射的電磁能量達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)干擾許多電子電氣設(shè)備和系統(tǒng)的正常工作。61.電磁環(huán)境我們生活中不可缺少的部分；6電磁環(huán)境電磁輻射，無(wú)線電頻譜SomeIntentionalRadiators:BroadcastandCellTowersRadarsCellularPhones7電磁環(huán)境電磁輻射，無(wú)線電頻譜SomeIntentionalElectromagneticRadiation101

…andSomeUnintentionalMotorComponentsPowerfulElectronicsArcWeldersFluorescentLights8ElectromagneticRadiation101

2.歷史沿革第二次世界大戰(zhàn)前20世紀(jì)20年代：認(rèn)識(shí)到電磁環(huán)境干擾20世紀(jì)30年代：出版相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)發(fā)相應(yīng)測(cè)試技術(shù)高架輸電線近旁電場(chǎng)強(qiáng)度和無(wú)線電廣播電臺(tái)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量方法、測(cè)量無(wú)線電噪聲和場(chǎng)強(qiáng)的儀表、確定無(wú)線電噪聲容限；國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)家廣播聯(lián)盟聯(lián)手處理電磁干擾問(wèn)題；關(guān)心的頻率為<18MHz；1933年成立國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)（CISPR），規(guī)定了干擾容限：以調(diào)幅深度為20%的1mV/m的場(chǎng)強(qiáng)為參考，信噪比達(dá)到40dB。92.歷史沿革第二次世界大戰(zhàn)前92.歷史沿革第二次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)爭(zhēng)使CISPR活動(dòng)停頓下來(lái)軍事用途促使可靠測(cè)量電磁干擾的儀器和軍用標(biāo)準(zhǔn)迅速發(fā)展；關(guān)心的頻率為20MHz@40年代，30MHz@50年代，1000MHz@60年代；電磁干擾概念以及有效消除干擾是航空航天系統(tǒng)及衛(wèi)星中的頭等大事；戰(zhàn)后的前25年CISPR恢復(fù)活動(dòng)1967年出版MIL-STD-462“電磁干擾特性的測(cè)量”1968年出版MIL-STD-461“用于控制電磁干擾的電磁發(fā)射和敏感度要求”102.歷史沿革第二次世界大戰(zhàn)102.歷史沿革戰(zhàn)后的后25年出版涵蓋EMI技術(shù)的定義和測(cè)量單位的MIL-STD-463出版MIL-STD-461和MIL-STD-462的修訂版出版的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了系統(tǒng)電磁兼容性，包括：雷達(dá)、飛機(jī)電源、空間系統(tǒng)、海軍泊場(chǎng)、移動(dòng)通信等設(shè)計(jì)和性能要求；80年代：關(guān)注數(shù)字設(shè)備和儀器對(duì)電磁噪聲敏感問(wèn)題；以及數(shù)字電路和設(shè)備產(chǎn)生的寬帶噪聲問(wèn)題；時(shí)鐘頻率產(chǎn)生電磁噪聲；固體元器件和集成電路容易受到瞬態(tài)電磁感干擾；今后不同國(guó)家之間的貿(mào)易壁壘將建立在工藝和技術(shù)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，而不再是迄今慣用稅率及其制度。112.歷史沿革戰(zhàn)后的后25年113.EMI和EMC概念與有關(guān)定義關(guān)于電磁騷擾和電磁干擾電磁騷擾：可能引起一個(gè)器件、一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)系統(tǒng)性能降級(jí)的任何一種電磁現(xiàn)象；電磁干擾：由電磁騷擾造成的一個(gè)器件、一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)系統(tǒng)的性能下降。射頻干擾與射頻干擾射頻騷擾：具有射頻范圍分量的電磁騷擾；射頻干擾：接收有用信號(hào)時(shí)由射頻騷擾造成的接收效果下降；123.EMI和EMC概念與有關(guān)定義關(guān)于電磁騷擾和電磁干擾121313電磁兼容定義JointPub1-02,DoDDictionaryMilitaryAndAssociatedTermsWithJMTGMChanges,23MARCH1994definesEMCas:

所有使用電磁頻譜工作的系統(tǒng)、裝備和裝置的一種能力。這種能力保證它們?cè)诩榷ǖ墓ぷ鳁l件下，不會(huì)因電磁發(fā)射或響應(yīng)而造成不能接受的或者未預(yù)知的性能降級(jí)。

Theabilityofsystems,equipment,anddevicesthatutilizetheelectromagneticspectrumtooperateintheirintendedoperationalenvironmentswithoutsufferingunacceptabledegradationorcausingunintentionaldegradationbecauseofelectromagneticradiationorresponse.14電磁兼容定義JointPub1-02,DoDDict電磁兼容三要素干擾源耦合通道敏感體

產(chǎn)生電磁干擾的實(shí)體、自然現(xiàn)象或環(huán)境指把能量從干擾源耦合（或傳輸）到敏感體所通過(guò)的媒介指對(duì)電磁干擾發(fā)生響應(yīng)的實(shí)體15電磁兼容三要素干擾源耦合通道電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線電源線纜電源線纜信號(hào)線纜控制線纜信號(hào)線纜控制線纜16電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線電源線纜電源線電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線①?gòu)脑粗苯虞椛涞浇邮諜C(jī)——途徑1電源線纜電源線纜信號(hào)線纜控制線纜信號(hào)線纜控制線纜17電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線①?gòu)脑粗苯虞椛潆姶鸥蓴_如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線②從源直接輻射，然后被與接收機(jī)連接的電源電纜或信號(hào)/控制線線纜拾取，電磁干擾經(jīng)傳導(dǎo)過(guò)程到達(dá)接收機(jī)——途徑2電源線纜電源線纜信號(hào)線纜控制線纜信號(hào)線纜控制線纜18電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線②從源直接輻射電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線③③電磁干擾由源的電源電纜、信號(hào)電纜或控制線纜輻射——途徑3電源線纜電源線纜信號(hào)線纜控制線纜信號(hào)線纜控制線纜19電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線③③電磁干擾由電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線④電源線纜電源線纜信號(hào)線纜控制線纜信號(hào)線纜控制線纜電磁干擾從源通過(guò)公用電源電纜或通過(guò)公用信號(hào)線纜/控制線纜直接傳導(dǎo)到接收機(jī)——途徑420電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線④電源線纜電源電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線①②③③④電磁干擾由與源相連的各種電源/信號(hào)/控制電纜攜帶時(shí)，它會(huì)耦合進(jìn)與接收機(jī)相連接的電源/信號(hào)/控制電纜中，尤其是把這些線纜綁扎成捆時(shí)。電源線纜電源線纜信號(hào)線纜控制線纜信號(hào)線纜控制線纜21電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線①②③③④電磁電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線①②③③④電磁干擾由與源相連的各種電源/信號(hào)/控制電纜攜帶時(shí)，它會(huì)耦合進(jìn)與接收機(jī)相連接的電源/信號(hào)/控制電纜中，尤其是把這些線纜綁扎成捆時(shí)。電源線纜電源線纜信號(hào)線纜控制線纜信號(hào)線纜控制線纜電磁干擾從源到達(dá)接收機(jī)主要機(jī)制：傳導(dǎo)+輻射22電磁干擾如何從源傳播到接收機(jī)源接收機(jī)公用電源線①②③③④電磁回憶電磁兼容定義接收機(jī)即能夠在他所處的電磁環(huán)境中滿意的發(fā)揮其功能，有沒(méi)有把超過(guò)容限的電磁騷擾引入此環(huán)境中而影響任何其它任何系統(tǒng)正常工作的能力。電磁干擾的一些實(shí)例輸電線：高電場(chǎng)強(qiáng)度不僅存在于輸電線的正下方，而且存在于離開(kāi)中心線一定距離處；電源線：架空輸電線容易拾取來(lái)自閃電和雷暴的電磁噪聲；工廠和家庭中的電源線會(huì)攜帶由開(kāi)關(guān)、斷路器、重負(fù)載開(kāi)關(guān)等產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖，能夠損害計(jì)算機(jī)和許多信息技術(shù)產(chǎn)品的正常工作。電話設(shè)備：電話中心機(jī)房的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電話設(shè)備的正常工作至關(guān)重要。通常要求電磁場(chǎng)強(qiáng)小于1V/m（120dBuV/m）；23回憶電磁兼容定義接收機(jī)即能夠在他所處的電磁環(huán)境中滿意的發(fā)揮其電磁干擾的一些實(shí)例飛機(jī)導(dǎo)航：某客機(jī)導(dǎo)航設(shè)備中觀察到嚴(yán)重誤差，原因?yàn)槟陈每驼谟^看一臺(tái)便攜式電視機(jī)；在飛機(jī)起飛或著陸期間，某旅客操作一臺(tái)計(jì)算機(jī)，嚴(yán)重干擾了飛機(jī)的導(dǎo)航設(shè)備；軍用設(shè)備；安全可靠的通信；集成電路：EMI已成為最大威脅。EMI會(huì)使這些器件燒壞，EMI會(huì)增大數(shù)字電路的誤碼率，EMI會(huì)增大模擬電路的噪聲電平。EMI和EMC已是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，它提醒我們?cè)谌侩姎馀c電子設(shè)備和系統(tǒng)，特別是通信與控制設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)際使用中，必須重點(diǎn)關(guān)注電磁兼容問(wèn)題。24電磁干擾的一些實(shí)例飛機(jī)導(dǎo)航：某客機(jī)導(dǎo)航設(shè)備中觀察到嚴(yán)重誤差，4.頻譜管理電磁頻譜是一項(xiàng)有限的資源；為了提高各種廣播、通信、導(dǎo)航和其他服務(wù)，對(duì)頻譜資源的需求成倍的增加；各種代理和服務(wù)機(jī)構(gòu)不得不與其他用戶共享頻譜資源，因此電磁兼容問(wèn)題就具有頭等重要性。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)頻譜空間發(fā)展趨勢(shì)254.頻譜管理電磁頻譜是一項(xiàng)有限的資源；25①發(fā)射機(jī)和接收機(jī)不同的服務(wù)以及完成不同服務(wù)的設(shè)備被指定工作在不同的頻段；對(duì)電磁兼容會(huì)產(chǎn)生影響的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)主要參數(shù)為：發(fā)射機(jī)：輸出功率、頻率、帶寬、帶外發(fā)射、雜散發(fā)射（諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、交互調(diào)、變頻等）接收機(jī)：靈敏度、選擇性、鏡頻抑制、雜散抑制、鄰頻道抑制26①發(fā)射機(jī)和接收機(jī)不同的服務(wù)以及完成不同服務(wù)的設(shè)備被指定工作在②頻譜空間頻譜使用需考慮的主要因素為：頻率/頻帶、時(shí)間、距離/地區(qū)時(shí)間復(fù)用（某頻率不同時(shí)使用，可通過(guò)分時(shí)使用相同頻率）頻率復(fù)用（通過(guò)減少場(chǎng)強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)在不同區(qū)域使用相同頻率）使用的頻譜空間=使用的頻帶寬度（B）×通過(guò)潛在干擾謝絕其他用戶的地區(qū)面積（A）×系統(tǒng)使用戶發(fā)射該頻譜的時(shí)間百分率（T）27②頻譜空間頻譜使用需考慮的主要因素為：頻率/頻帶、時(shí)間、距離③發(fā)展趨勢(shì)信息壓縮數(shù)字語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音處理算法新的調(diào)制方案多能級(jí)、部分響應(yīng)、信道編碼更高效的頻道間隔減小傳輸帶寬、提高頻率穩(wěn)定度（頻率合成器、溫度補(bǔ)償振蕩器）通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與配置上的新措施頻道復(fù)用技術(shù)（蜂窩式無(wú)線電話）、采用系統(tǒng)控制器28③發(fā)展趨勢(shì)信息壓縮285.EMI和EMC綜述電磁兼容三個(gè)發(fā)展階段問(wèn)題解決階段規(guī)范設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段295.EMI和EMC綜述電磁兼容三個(gè)發(fā)展階段29電磁兼容三個(gè)發(fā)展階段一問(wèn)題解決階段

這一階段的特點(diǎn)是：在電氣電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不作綜合的電磁兼容考慮，出現(xiàn)電磁干擾問(wèn)題時(shí)，再分析原因

，尋找解決辦法，對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，如果沒(méi)有統(tǒng)一的考慮，出現(xiàn)干擾可能性極大，而且不易分析原因所在，有時(shí)甚至無(wú)法解決干擾問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗。30電磁兼容三個(gè)發(fā)展階段一問(wèn)題解決階段30電磁兼容三個(gè)發(fā)展階段二規(guī)范設(shè)計(jì)階段對(duì)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、各部件、元器件，制定一系列詳細(xì)的電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范，嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試，將電磁干擾出現(xiàn)的可能性降為最低。但是由于沒(méi)有進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，制定的規(guī)范不可避免地帶有一定的盲目性，指標(biāo)要求太低，可能導(dǎo)致電磁兼容設(shè)計(jì)失敗，指標(biāo)要求太高，又會(huì)造成必要的體積、重量、成本等的浪費(fèi)。31電磁兼容三個(gè)發(fā)展階段二規(guī)范設(shè)計(jì)階段31電磁兼容三個(gè)發(fā)展階段三系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段

對(duì)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、各部件、元器件電磁特性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，合理分配各項(xiàng)指標(biāo)要求，并且在系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷地進(jìn)行修正和補(bǔ)充，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。這一階段的工作充分吸收了前兩個(gè)階段的優(yōu)點(diǎn)，能夠克服前面兩個(gè)階段的局限性，是目前電磁兼容技術(shù)的最高階段。32電磁兼容三個(gè)發(fā)展階段三系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段326.分析計(jì)算舉例非線性N階非線性電路，輸出電壓Vout(t)與輸入電壓Vin(t)之間的關(guān)系為336.分析計(jì)算舉例非線性336.分析計(jì)算舉例直流分量二次諧波分量輸入頻率分量輸入與噪聲差拍分量噪聲分量346.分析計(jì)算舉例直流二次諧波輸入頻率輸入與噪聲噪聲分量346.分析計(jì)算舉例直流分量二次諧波分量輸入頻率分量輸入與噪聲差拍分量噪聲分量輸出信號(hào)中各頻率分量的噪聲取決于輸入噪聲及輸出電路的帶寬，可看成由非線性產(chǎn)生的電磁干擾源356.分析計(jì)算舉例直流二次諧波輸入頻率輸入與噪聲噪聲分量輸出信6.分析計(jì)算舉例輸出信號(hào)中各頻率分量的噪聲取決于輸入噪聲及輸出電路的帶寬，可看成由非線性產(chǎn)生的電磁干擾源；結(jié)論：非線性產(chǎn)生了新的潛在干擾頻率（EMI源），這些干擾將通過(guò)傳導(dǎo)或輻射途徑傳輸?shù)诫娐坊蛟O(shè)備的其他部分；舉例：二極管檢波器、放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、限幅器、混頻器、開(kāi)關(guān)電路、脈沖電路等；鐵氧體器件：環(huán)行器、隔離器等；濾波器、接頭、線纜等；脈沖上升沿、脈沖重復(fù)頻率（上升沿為tr的脈沖產(chǎn)生的干擾頻率為1/3.14/tr）366.分析計(jì)算舉例輸出信號(hào)中各頻率分量的噪聲取決于輸入噪聲及輸6.分析計(jì)算舉例電抗耦合電磁能量從電路的一部分耦合到另一部分是通過(guò)與電感或電容相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng)或電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的。以下圖電感耦合電路為例ML1L2I2I1R1R2V1376.分析計(jì)算舉例電抗耦合ML1L2I2I1R1R2V1376.分析計(jì)算舉例ML1L2I2I1R1R2V1386.分析計(jì)算舉例ML1L2I2I1R1R2V138