《工程電磁兼容》課件-第4章

第4章電磁兼容性控制4.1分析和解決電磁兼容性問題的一般方法4.2電磁騷擾的抑制策略4.3空間分離4.4時間分隔4.5頻率劃分和管制4.6電氣隔離習題

一般而論,實現(xiàn)電路、設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性,需要采取的技術(shù)措施可分為兩大類:第一類是盡可能選用相互干擾最小、符合電磁兼容性要求的器件、部件和電路,并進行合理布局、裝配,以組成設(shè)備或系統(tǒng);第二類是考慮形成電磁干擾的三要素,實施屏蔽、濾波、接地和搭接等技術(shù)抑制和隔離電磁干擾。這兩大類控制電磁兼容性的技術(shù)措施緊密相連、相互影響,所以組合使用可以獲得最佳效果。

例如電路、設(shè)備和系統(tǒng)選擇合適的信號電平、阻抗、工作頻率以及電路、設(shè)備的合理布局將會降低對屏蔽、濾波、接地的要求。同樣的,電路、設(shè)備和系統(tǒng)的良好接地又可以降低它們對屏蔽和濾波的技術(shù)要求;良好的接地、屏蔽還可以降低電路、設(shè)備和系統(tǒng)對濾波器的技術(shù)要求。因此,從系統(tǒng)電磁兼容性的要求出發(fā),采用并行和系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計,全面、合理實施抑制電磁干擾的策略和技術(shù)措施,是保障電磁兼容性的前提。

4.1分析和解決電磁兼容性問題的一般方法

4.1.1問題解決法問題解決法(theproblem-solvingapproach)是指在建立電路、設(shè)備和系統(tǒng)之前不專門考慮電磁兼容性問題,而是先進行研制,然后根據(jù)研制成的電路、設(shè)備和系統(tǒng)在裝配、調(diào)試中出現(xiàn)的電磁干擾問題,應用各種抑制干擾的技術(shù)去解決。

用問題解決法分析和解決電路、設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性問題,首先必須正確地確定騷擾源。為了做到這一點,要求從事電磁兼容工作的工程師和技術(shù)人員能夠比較全面地熟悉各種騷擾源的特性。在調(diào)試、裝配現(xiàn)場清楚地確定下列問題將有利于解決電磁騷擾問題:

①干擾多久發(fā)生一次?是連續(xù)的還是周期性的?是否有規(guī)律?

②干擾的頻率是多少?是否是周圍電路、設(shè)備工作頻率的諧波造成的?

③干擾的幅度是多大?

④干擾是寬帶的還是窄帶的?

4.1.2規(guī)范法

為了滿足電磁兼容性要求,各國政府和工業(yè)部門尤其是軍事部門都指定了許多強制執(zhí)行的標準和規(guī)范,例如美國軍用標準MIL－STD－461/2(MIL－STD－461/2apply

toequipment

and

subsystems

only)、MIL－STD－464

(is

a

document

applicable

to

all

a

gencies

of

the

Department

of

Defense

in

the

United

States

that

contains

system

level

EMCrequirements),中國的國家標準GB4824-1996《工業(yè)、科學、醫(yī)療射頻設(shè)備電磁騷擾特性的測量方法和限值》。

隨著電磁兼容性標準和規(guī)范的完善和發(fā)展,電磁兼容性分析、設(shè)計方法發(fā)展成比較合理的規(guī)范法。規(guī)范法(thespecificationapproach)是指按照已經(jīng)頒布的電磁兼容標準和規(guī)范進行設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計、制造、裝配。這種方法可以在一定程度上預防電磁干擾問題的出現(xiàn),比問題解決法更為合理。但由于標準和規(guī)范不可能是針對某個設(shè)備和系統(tǒng)制定的,因此,試圖解決的問題不一定是要解決的問題,只是為了適應規(guī)范而已。另外,規(guī)范是建立在電磁兼容經(jīng)驗基礎(chǔ)上的,沒有進行電磁干擾的分析和預測,因而往往導致過量的預防儲備,可能使設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)成本增加。由于電磁兼容性標準和規(guī)范在一定程度上反映了設(shè)備或系統(tǒng)中存在的共性問題以及解決問題的規(guī)則,因此規(guī)范法對系統(tǒng)電磁兼容性分析、設(shè)計提供了預見性和綜合性。

必須注意的是,滿足電磁兼容性標準和規(guī)范的部件裝配成的設(shè)備,不一定滿足設(shè)備的電磁兼容性要求;滿足電磁兼容性標準和規(guī)范的設(shè)備組成的系統(tǒng),不一定滿足系統(tǒng)的電磁兼容性要求。

4.1.3系統(tǒng)法

系統(tǒng)法(thesystemapproach)是采用計算機技術(shù),按照預測程序,針對某個特定設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)計方案進行電磁兼容性分析和預測的方法。系統(tǒng)法從設(shè)計階段開始就用分析程序預測在設(shè)備、系統(tǒng)中將要遇到的那些電磁干擾問題,以保障設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性,并在設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)計、試驗、制造、裝配過程中不斷對其電磁兼容性進行分析和預測。

一般在設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)計早期若考慮電磁兼容性設(shè)計,則比較容易采取有效的技術(shù)措施,所需經(jīng)費較少。根據(jù)美國貝爾實驗室分析論證,在新產(chǎn)品設(shè)計階段能把電磁干擾抑制在電路組件級、設(shè)備級或分系統(tǒng)級,就可以消除電磁干擾的80%~90%。反之,如果在產(chǎn)品試制成功后,發(fā)現(xiàn)電磁干擾再來解決它,問題就顯得困難多了,無論在抑制電磁干擾的技術(shù)上,還是在投資的費用以及體積、質(zhì)量上都會成倍增長,使費效比上升,造成很大的浪費。

4.2電磁騷擾的抑制策略

電磁兼容性學科是在早期單純的抗干擾方法基礎(chǔ)上發(fā)展形成的,兩者的目標都是為了使設(shè)備、系統(tǒng)在共存的電磁環(huán)境中互不產(chǎn)生干擾,最大限度地發(fā)揮其工作效能。但是,早期單純的抗干擾方法和現(xiàn)代的電磁兼容技術(shù)相比,兩者在控制電磁騷擾的策略、技術(shù)和實施方法上有著顯著的差別。

單純的抗干擾方法在抑制電磁干擾的策略上比較簡單,或者認識比較膚淺,主要的思路集中在怎樣設(shè)法抑制電磁騷擾的傳輸上,因此工程技術(shù)人員處于極為被動的地位,哪里出現(xiàn)電磁干擾就在哪里就事論事地給予解決,當然經(jīng)驗豐富的工程師也會采取預防措施,但這僅僅是被動的、依據(jù)經(jīng)驗的、局部的、單純對抗式的解決方法。然而,電磁兼容技術(shù)在抑制電磁騷擾的策略上則采用了主動預防、整體規(guī)劃、“對抗”與“疏導”相結(jié)合的思想方法。人類在征服大自然產(chǎn)生的各種災難性危害中,總結(jié)出的預防和救治、對抗和疏導等一系列策略,在抑制電磁危害中同樣是極其有效的思維方法。

就抑制電磁騷擾的方法而言,除了采用眾所周知的抑制電磁騷擾傳輸?shù)募夹g(shù)措施,例如屏蔽、濾波、接地、搭接、合理布線等方法以外,還可以采取回避和疏導的技術(shù)處理,例如空間方位分離、時間閉鎖分隔、頻率劃分與回避、吸收和旁路等。有時這些回避和疏導技術(shù)簡單、巧妙,可以替代成本昂貴、體積和質(zhì)量較大的抑制電磁騷擾的裝置,收到事半功倍的效果。精明的工程師們經(jīng)常采用回避和疏導技術(shù)。

在抑制電磁騷擾的時機選擇上,建議從問題解決法轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)法。也就是由電路、設(shè)備和系統(tǒng)研制后期暴露出不兼容問題而采取挽救、修補措施的被動控制方式,轉(zhuǎn)變?yōu)樵陔娐?、設(shè)備和系統(tǒng)研制的初始設(shè)計階段就開展電磁兼容性的預測、分析和設(shè)計的主動控制方式。預先全面規(guī)劃電路、設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性實施細則和步驟,檢驗、計算電磁兼容性,做到防患于未然。將電磁兼容性設(shè)計和可靠性設(shè)計、維護性和維修性設(shè)計、基本功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等同時進行,并行展開。

表4－1列出了電磁兼容性控制策略和電磁騷擾抑制方法的分類情況。

4.3空間分離

空間分離是抑制空間輻射騷擾和感應耦合騷擾的有效方法。它通過加大騷擾源和接收器(敏感設(shè)備)之間的空間距離,使騷擾電磁場到達敏感設(shè)備時其強度已衰減到低于接受設(shè)備敏感度門限,從而達到抑制電磁干擾的目的。由電磁場理論可知:在近區(qū)感應場中,場強分布按1/r3衰減;遠區(qū)輻射場的場強分布按1/r減小。因此,空間分離實質(zhì)上是利用干擾源的電磁場特性來有效抑制電磁騷擾的。

空間分離的典型應用在電磁兼容性工程中經(jīng)常遇到。例如,在空間距離允許的條件下,為了滿足系統(tǒng)的電磁兼容性要求,盡量將組成系統(tǒng)的各個設(shè)備間的空間距離增大;在設(shè)備、系統(tǒng)布線中,限制平行線纜的最小間距,以減少串擾;在印制電路板(PCB)設(shè)計中,規(guī)定印制線(trace)條間的最小間隔。

空間分離也包括在空間有限的情況下,對騷擾源輻射方向的方位調(diào)整、騷擾源電場矢量與磁場矢量的空間取向控制。例如,艦船、飛機和導彈上有許多通信設(shè)施,由于空間條件的限制,它們只能安裝在有限的空間范圍內(nèi)。為了避免天線間的相互干擾(天線對天線的耦合),常用控制天線方向圖的方位角來實現(xiàn)空間分離。為了使電子設(shè)備外殼內(nèi)的電源變壓器鐵芯泄漏的低頻磁場不在印刷電路板中產(chǎn)生感應電動勢,應該調(diào)整變壓器的空間位置,使印制電路板上的印制線與變壓器泄漏的磁場方向平行。

4.4時間分隔

當騷擾源非常強,不易采用其他方法可靠抑制時,通常采用時間分隔的方法,使有用信號在騷擾信號停止發(fā)射的時間內(nèi)傳輸,或者當發(fā)射強騷擾信號時,使易受騷擾的敏感設(shè)備短時關(guān)閉,以避免遭受損害。人們把這種方法稱為時間分隔控制或時間回避控制。時間分隔控制有兩種形式:一種是主動時間分隔,適用于有用信號出現(xiàn)時間與干擾信號出現(xiàn)時間有確定先后關(guān)系的情況;另一種是被動時間分隔,它是按照干擾信號與有用信號出現(xiàn)的特征,使其中某一信號迅速關(guān)閉,從而達到時間上不重合、不覆蓋的控制要求。

對于有用信號出現(xiàn)時間與干擾信號出現(xiàn)時間有確定先后關(guān)系的情況,應采用主動時間分隔方式。例如干擾信號出現(xiàn)在t1至t2的時間內(nèi),而有用信號在時間t1之前出現(xiàn),此時應提前(在時間t1前)發(fā)送有用信號,或者加快有用信號的傳輸速度,使有用信號在干擾信號出現(xiàn)之前盡快傳輸完畢。如果有用信號出現(xiàn)在干擾信號之后,可采用延遲發(fā)射電路讓干擾信號通過后再使有用信號發(fā)射。這樣就可以使接收信號的設(shè)備在時間上將干擾信號與有用信號區(qū)分開來,達到剔除干擾的目的。

如果干擾信號是陣發(fā)性的,而有用信號出現(xiàn)時間又是不可能預先確定的,這樣就不能確定干擾信號和有用信號的出現(xiàn)時間,只能由其中一個來控制另一個,使干擾信號與有用信號分隔。例如飛機上的雷達工作時,發(fā)射強功率電磁波,是機載電子設(shè)備的強干擾源。為了不使無線電報警裝置接收干擾信號而發(fā)出警報,可采用被動時間分隔法。由雷達先發(fā)送一個封鎖脈沖,報警器接收封鎖脈沖后立即將其電源關(guān)閉。這樣雷達工作時,報警器就不會發(fā)出虛假警報,實現(xiàn)了時間分隔。雷達關(guān)閉后,報警器又重新接通電源恢復工作。時間分隔還可以應用于系統(tǒng)的不同任務剖面。

時間分隔方法在許多高精度、高可靠性的設(shè)備或系統(tǒng)中經(jīng)常被采用,例如衛(wèi)星、航空母艦、武器裝備系統(tǒng)等。它已經(jīng)成為簡單、經(jīng)濟而行之有效的抑制干擾的方法。

4.5頻率劃分和管制

頻率劃分或頻率分配(FrequencyAllocation)是指給某一種業(yè)務劃定一個或一組使用頻率的范圍。任何信號都是由一定的頻率分量組成的,利用信號的頻譜特性將需要的頻率分量全部接受,將干擾的頻率分量加以剔除,這就是利用頻率特性來控制電磁干擾的指導思想。在這個原則下形成了許多具體方法,如頻譜管制、濾波、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸、光電傳輸?shù)染唧w技術(shù)方法。

4.5.1頻譜管制

為了防止電磁信號相互干擾,人們把頻譜資源進行了合理分配和管理,以減少有意發(fā)射電磁波的相互干擾。例如將頻譜劃分成許多頻段,不同用途的電磁波只能在自己的頻段內(nèi)工作和傳播。我國現(xiàn)行的無線電波段名稱和頻率范圍見表4－2。

習慣上又將微波波段劃分成若干頻段并賦以相應的命名,詳見表4－3。

4.5.2濾波

濾波技術(shù)是一種常用的抑制電磁騷擾的技術(shù)措施。濾波的實質(zhì)是將信號頻譜劃分成有用頻率分量和騷擾頻率分量,剔除和抑制騷擾頻率分量。詳細內(nèi)容我們將在后續(xù)章節(jié)中介紹。

4.5.3頻率調(diào)制

通常在長距離信號傳輸過程中容易引入騷擾,而且這種騷擾的頻譜較寬,頻率范圍難以確定。為了提高信號傳輸質(zhì)量,可采用頻率調(diào)制的方法。信號調(diào)制分為幅度調(diào)制和頻率調(diào)制,詳細內(nèi)容參見其他通信原理方面的書籍。

4.5.4數(shù)字傳輸

數(shù)字傳輸技術(shù)是將待傳輸?shù)男盘柦?jīng)過高速采樣、模/數(shù)轉(zhuǎn)換,使之變成數(shù)字信號,成為一系列對應于原信號幅度的調(diào)制脈沖。

數(shù)字傳輸技術(shù)的采樣頻率應大于兩倍以上傳送信號的最高頻率成分,否則信號的信息就不能全部包含在數(shù)字信號中。經(jīng)過采樣后,將連續(xù)變化的信號波形變成階梯形狀的波形,通常稱為量化。量化會帶來誤差,其誤差大小取決于采樣頻率。當信號電平較小時,可提高采樣頻率來縮小量化誤差。在數(shù)字傳輸技術(shù)中,還可以采用非線性量化的壓縮和擴展技術(shù),使量化噪聲均勻。

信號的數(shù)字傳輸技術(shù)實質(zhì)上也是一種頻率變換的方法。

4.5.5光電傳輸

隨著光纖技術(shù)的發(fā)展,通信工程中越來越廣泛地采用光纖傳輸信號。因為光信號的波長遠小于一般電磁騷擾的波長,所以如同頻率劃分一樣,它不會受電磁干擾。光電傳輸過程是:采用光電二極管或半導體激光器將電信號轉(zhuǎn)換成紅外光或可見光,使光的強度與電信號成比例變換,然后通過光導纖維傳輸,到達接收器后,再由光敏器件將光信號還原成電信號。

4.6電氣隔離

電氣隔離是避免電路中傳導干擾的可靠方法,同時還能使有用信號正常耦合傳輸。常見的電氣隔離耦合原理有機械耦合、電磁耦合、光電耦合等。機械耦合是采用電氣—機械的方法,例如用繼電器將線圈回路和觸頭控制回路隔離開來,產(chǎn)生兩個電路參數(shù)不相關(guān)聯(lián)的回路,實現(xiàn)電氣隔離,但控制指令卻能通過繼電器動作從一個回路傳遞到另一個回路中。

電磁耦合采用的是電磁感應原理。例如變壓器初級線圈中的電流產(chǎn)生磁通,此磁通再于次級線圈中產(chǎn)生感應電壓,使次級回路與初級回路實現(xiàn)電氣隔離,而電信號或電能卻可以從初級傳輸?shù)酱渭?。這就使初級回路的干擾不能由電路直接進入次級回路。變壓器是電源中抑制傳導干擾的基本方法,常用的電源隔離變壓器有屏蔽隔離變壓器。隔離變壓器(isolationtransformer)的隔離方法,要求信號內(nèi)沒有直流分量。當信號的頻域?qū)拸V時,把含直流分量的信號調(diào)制成交流信號,經(jīng)電壓互感器或電流互感器將其送到接收器再進行解調(diào),這種隔離方法常用于工業(yè)檢測領(lǐng)域。

光電耦合是采用半導體光電耦合器件實現(xiàn)