1、第3章 電磁環境及電磁污染途徑 電磁騷擾源的分類：按頻譜寬度：窄帶騷擾源和寬帶騷擾源；按作用時間：瞬態波騷擾和延續波騷擾；普通：自然電磁騷擾源和人為電磁騷擾源。1第3章 電磁環境及電磁污染途徑3.1 自然電磁環境根據電磁波產生的機理不同，普通將電磁干擾劃分為自然電磁干擾和人為電磁干擾兩種。非人為要素產生的電磁波，構成了電磁環境的一部分，把這部分電磁波所構成的電磁環境稱為自然電磁環境。在自然電磁環境中，靜電、雷電和自然輻射是3種最重要的電磁干擾。 2自然電磁騷擾源：來源于大氣層的噪聲和地球外層空間的宇宙噪聲，包括宇宙干擾、大氣干擾、熱噪聲和堆積靜電干擾等。宇宙干擾來自太陽系、銀河系的電磁騷擾，包

2、括太陽、月亮、恒星、行星和星系發出的太空背景噪聲、無線電磁噪聲等，普通在250MHz的頻率范圍內干擾明顯。受干擾對象主要是衛星通訊和廣播信號以及航天飛機等。大氣干擾主要是雷電，頻譜在30MHz以內，對無線電通訊的干擾較大。此外，沙暴、雨霧等自然想象也可以產生電磁噪聲。熱噪聲是由于熱力形狀變化引起導體無規那么的電起伏。堆積靜電噪聲指飛行器高速接觸大氣中的塵埃、雨點、雪花、冰雹時產生的電荷積累。引起火花放電、電暈放電等。影響通訊和導航。34頻譜的運用與管理頻譜是一個有限的自然資源。頻譜分配必需以頻譜利用的有效性和合理性為根底，既要充分有效地利用頻譜資源，又要保證相互之間不存在電磁干擾，即滿足電磁兼

3、容性。頻譜管理就是為了實現電磁頻譜的有效管理、維護和合理利用等，確保各類無線電業務的有效進展，包括了無線電頻譜資源的頻率劃分、指配和控制。5頻譜管理全世界分為三個區域：一區包括歐洲、非洲和原蘇聯的亞洲部分、小亞細亞和阿拉伯半島；二區包括北美洲和南美洲含夏威夷；三區包括澳大利亞和亞洲俄羅斯的亞洲部分除外。國際電信聯盟ITU規定了各個頻段的用途。各個國家根據國際電信公約和國際無線電規那么設立國家級的頻譜管理機構，為本國分配和管理電磁頻譜。在我國那么由全國無線電管理委員會擔任頻譜的分配、協調和管理。6頻譜管理人類目前利用的電磁頻譜大約在0Hz-3000GHz，并向更高的頻段開展。運用最多的依然在中頻

4、300-3000kHz、高頻3-30MHz、甚高頻30-300MHz、超高頻300-3000MHz、特高頻3-30GHz。通訊、電視、廣播、導航、雷達、測控均在此頻段范圍內。7頻譜分配8頻譜分配9電磁騷擾的耦合途徑按耦合機理10 3.1.1 靜電 靜電的構成 如以下圖所示，繞原子A的原子核旋轉的電子，在外力的作用下，分開原來的原子A而侵入其他的原子B。A原子因短少電子數而呈帶正電景象，稱為陽離子，B原子因添加電子數而呈帶負電景象，稱為陰離子。當外力繼續作用時，陽離子和陰離子的分布會變得越來越不均勻，對外將表現為帶電景象。11 當兩個不同的物體相互接觸時，就會使得一個物體失去一些電子(如電子轉移

5、到另一個物體)而帶正電，另一個得到一些剩余電子的物體那么帶負電。假設在分別的過程中電荷難以中和，電荷就會積累使物體帶上靜電。12 潮濕的空氣也是正負電荷中和的途徑。人體是良好的靜電載體，可以經過摩擦起電充電到幾千伏。經過人的活動，這些不受歡迎的靜電荷就會被帶到一些敏感區域晃來晃去。這些大量的靜電一旦找到適宜的放電途徑，就會產生放電景象。 1314靜電的放電與人體放電模型 當人體接近導電物體時(最壞的情況是接觸到一個金屬物體，例如儀器外殼、集成電路的管腳等)，假設空氣氣隙上的電位梯度足夠高，電荷會以火花的方式轉移到那個物體上。 以下圖給出了人體靜電放電的等效電路。15圖中：CR人體和大地之間的電

6、容。RR人體的電阻。16LR人體的電感。CS人手臂與大地之間的電容。Co1人手臂與金屬體之間的電容。RS人手臂放電途徑的電阻。LS人手臂放電途徑的電感。Co2人手、手指與金屬體之間的電容。CJ金屬體與大地之間的電容。RJ金屬體的接地電阻。LJ金屬體的接地電感。17 人體靜電放電的過程受很多要素影響，詳細的放電過程也因各種分布參數的不同而不同。典型的人體靜電放電電流波形如以下圖所示。 18 在這個波形中，低頻成分轉移的電荷比高頻成分多，但是高頻成分會產生更強的場，對電路的危害也最為明顯。由實驗得出的各個參數的范圍如下： Tr(上升時間)=200ps100ns Ts(尖峰寬度)=0.5ns10s

7、Tt(繼續長度)=100ns2ms 靜電放電過程的不同不僅表如今電流波形在時間特性上差別很大，而且幅度也會在1A200A范圍內變化。 19 正是由于不同條件下靜電放電的特性差別很大，所以電子設備對靜電放電的呼應很難預測。所幸的是，我們可以用統計的方法來處置這個問題。一定要記住的一個現實是，靜電放電時產生的能量很大，頻率很高(有時高達5GHz)。 20靜電的危害 靜電場的強度取決于充電物體上的電荷數量和與它的電荷量不同的物體之間的間隔。人體上的最高電壓應該是20kV左右。假設一個元件的兩個針腳或更多針腳之間的電壓超越元件介質的擊穿強度，就會對元件呵斥損壞，這是MOS器件出現缺點最主要的緣由。另一

8、種缺點是由于節點的溫度超越半導體硅的熔點(1415)時所引起的。靜電放電脈沖的能量可以產生部分發熱，使半導體部分熔斷損壞。 21 器件遭到靜電放電的影響后，也能夠不立刻出現功能性的損壞。這些遭到潛在損壞的元件通常被稱為“跛腳，一旦加以運用，將會對以后發生的靜電放電或傳導性瞬態表現出更大的敏感性。整體的性能表現為電子設備的性能越來越差，直至完全損壞。相對于自然界的靜電來說，電子器件是非常嬌貴的，正是基于這一要素，能否采取了防靜電措施是衡量電子器件質量好壞的一個非常重要的目的。 22設備漏電，尤其是不會對人呵斥觸電損傷的微弱漏電雖然不屬于靜電放電景象，但其性能卻與靜電放電類似。所以普通將設備漏電也

9、納入靜電防護體系中來思索。靜電放電(ESD)及電氣過載(EOS)對電子元器件呵斥損害的主要機理有：熱二次擊穿、金屬鍍層熔融、介質擊穿、氣弧放電、外表擊穿和體擊穿等。23 3.1.2 雷電雷電的構成 人們通常把發生閃電的云稱為雷雨云，其實有幾種云都與閃電有關，如層積云、雨層云、積云和積雨云，最重要的是積雨云，普通專業書中講的雷雨云就是指積雨云。積雨云構成過程中，在大氣電場、溫差起電效應和破碎起電效應的同時作用下，正負電荷分別在云的不同部位積聚。當電荷積聚到一定程度，就會在云與云之間或云與地之間發生放電，也就是人們平常所說的雷電。 24 當云層放電時，由于云中的電流很強，通道上的空氣瞬間被燒得灼熱

10、，溫度高達600020000，所以發出耀眼的強光，這就是閃電，而閃道上的高溫會使空氣急劇膨脹，同時也會使水滴汽化膨脹，從而產生沖擊波，這種劇烈的沖擊波活動構成了雷聲。25雷擊通常有3種方式：直擊雷、感應雷和球形雷。直擊雷是帶電的云層與大地上某一點之間發生迅猛的放電景象。感應雷是當直擊雷發生以后，云層帶電迅速消逝，地面某些范圍由于散流電阻大，出現部分高電壓，或在直擊雷放電過程中，強大的脈沖電流對周圍的導線或金屬物產生電磁感應，發生高電壓而發生閃擊景象的二次雷。球形雷比較多見于山區，其登堂入室的報道常見于報端。 2627雷電的破壞作用 雷電以其宏大的破壞力給人類社會帶來了繁重的災難。雷電具有以下幾

11、個特點：沖擊電流非常大，其電流高達幾萬至幾十萬安培。繼續時間短，普通雷擊分為3個階段，即先導放電、主放電和余光放電，整個過程普通不會超越60s。雷電流變化梯度大，有的可達10KA/s。沖擊電壓高，強大的電流產生交變磁場，其感應電壓可高達上億伏。雷電危害可分成直擊雷、感應雷和浪涌3種。 28在雷暴活動區域內，雷云直接經過人體、建筑物或設備等對地放電所產生的電擊景象，稱為直接雷擊。感應雷的破壞也稱為二次破壞。雷電流變化梯度很大，會產生強大的交變磁場，使得周圍的金屬構件產生感應電流，這種電流能夠向周圍物體放電，如附近有可燃物就會引發火災和爆炸，而感應到正在聯機的導線上就會對設備產生劇烈的破壞性。29

12、感應雷主要有兩種：靜電感應雷和電磁感應雷。 靜電感應雷：帶有大量負電荷的雷云所產生的電場E將會在架空明線上感生出被電場束縛的正電荷。當雷云對地放電或對云間放電時，云層中的負電荷在一瞬間消逝了(嚴厲說是大大減弱)，于是在線路上感應出的這些被束縛的正電荷也就在一瞬間失去了束縛，在電勢能的作用下，這些正電荷將沿著線路產生大電流沖擊，從而對電器設備產生不同程度的影響。 30電磁感應雷：雷擊發生在供電線路附近，或擊在避雷針上會產生強大的交變電磁場，此交變電磁場的能量將感應于線路并最終作用到設備上(由于避雷針的存在，建筑物上落雷時機反倒添加，內部設備遭感應雷危害的時機和程度普通來說是添加了)，對用電設備呵

13、斥極大危害。 最常見的電子設備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發生時在電源和通訊線路中感應的電漂泊涌引起的。浪涌電壓可以從電源線或信號線等途徑竄入電腦設備，我們就這兩方面分別引見如下： 31 (1)電源浪涌 電源浪涌并不僅源于雷擊，當電力系統出現短路缺點、投切大負荷時都會產生電源浪涌。電網綿延千里，不論是雷擊還是線路浪涌發生的幾率都很高。當間隔幾百公里的遠方發生了雷擊時，雷擊浪涌經過電網光速傳輸，經過變電站等衰減，到他的電腦時能夠依然有上千伏，這個高壓繼續很短，只需幾十到幾百個微秒，或者缺乏以燒毀電腦，但是對于電腦內部的半導體元件卻有很大的損害。 3233 (2)信號系統浪涌 信號系統

14、浪涌電壓的主要來源是感應雷擊、電磁干擾、無線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如線)遭到這些干擾信號的影響，會使傳輸中的數據產生誤碼，影響傳輸的準確性和傳輸速率。排除這些干擾將會改善網絡的傳輸情況。 34常見防雷產品 現代防雷產品種類繁多，大致可分為4大類： (1)接閃器 避雷針是最早的接閃器，也是目前世界上公認的最成熟的防直擊雷安裝。避雷帶、避雷網、避雷線是避雷針的變形，其接閃原理是一致的。 35常見防雷產品 現代防雷產品種類繁多，大致可分為4大類： (2)低壓電源避雷器 信息產業部的分析統計闡明：通訊站80%的雷擊事故是由雷電波侵入電源線呵斥的。因此，低壓交流避雷器開展非常迅速，而以MOV資料為

15、主的避雷器在市場上占有統治位置。 36 (3)通訊線路避雷器 通訊線路避雷器的技術要求較高，由于除了滿足防雷技術要求外，還須保證傳輸目的要求。加上與通訊線路相連的設備耐壓很低，對防雷器件的殘壓要求嚴厲，因此在選擇防雷器件時較困難 。 (4)接地安裝 接地是防雷的根底，規范規定的接地方法是采用金屬型材鋪設程度或垂直地極，在腐蝕劇烈的地域可以采用鍍鋅和加大金屬型材的截面積的方法抗腐蝕，也可以采用非金屬導體做地極，如石墨地極和硅酸鹽水泥地極。更合理的方法是利用現代建筑的根底鋼筋做地極，有事半功倍之效。 37接地網38 3.1.3 自然輻射自然輻射干擾源的種類非常多，主要有電子噪聲、大地外表磁場、大地

16、磁層、大地外表的電場、大地內部的電場、大氣中的電流電場、閃電和雷暴的電場、太陽無線電輻射和銀河系無線電輻射等。電子噪聲主要來自設備內部的元器件，是決議接納機噪聲系數的重要要素。常見的電子噪聲源包括熱噪聲、散彈噪聲、分配噪聲、l/f噪聲和天線噪聲等。熱噪聲具有極寬的頻譜，能量隨溫度而變化，溫度越低，噪聲越小。 39在地球外表存在著地磁場，它是一種自然場。只需拿一枚小小的磁針就能察看到它的存在。根據觀測知，地磁場的場強分布根本上是軸對稱的，磁軸和地軸不重合，它們之間偏移一個角度，稱為磁偏角。在海拔高度500km處存在著大氣電離層。由此人們可以想象地球和這個電離層組成一個宏大的球形電容器。 大氣中的

17、電荷在電場作用下沿電場方向挪動，構成一個恒定的電流流入大地，從而把正電荷保送到大地上。對整個地球來說可產生1.5kA數量級的電流，因此地球很像一個宏大的發電機。 40宇宙噪聲主要來自太陽輻射和銀河系無線電輻射。太陽輻射可分為熱輻射和非熱輻射兩類，熱輻射頻譜從十幾兆赫到30GHz，在太陽黑子猛烈活動期的輻射強度比靜止期大60dB。銀河系無線電輻射頻率在150MHz200MHz頻段內。因此宇宙噪聲在20MHz500MHz頻率范圍內影響相當明顯。 由太陽飛出的帶電粒子的輻射，不論是對地球上受太陽光照亮的半球，還是對黑暗的半球，即不論是在白天還是在黑夜，都能引起磁場的變化。由太陽飛出的帶電粒子引起磁場

18、的改動就是地球上的磁暴。 413.2 人工電磁干擾3.2.1 輻射干擾源輻射干擾是指以電磁波方式傳播的干擾。這類干擾的能量是由干擾源輻射出來，經過介質(包括自在空間)以電磁波的特性和規律傳播的。構成輻射干擾源有兩個條件：一個是有產生電磁波的源泉；另一個是能把這個電磁波能量輻射出去。42 電磁輻射場區普通分為遠區場和近區場。以場源為中心，在一個波長范圍內的區域，通常稱為近區場，也可稱為感應場；半徑為一個波長之外的空間范圍稱為遠區場，又稱為輻射場。通常，對于一個固定的可以產生一定強度的電磁輻射源來說，近區場輻射的電磁場強度較大，所以，我們應該格外留意對電磁輻射近區場的防護。常見的信息輻射干擾源有發

19、送設備、本地振蕩器、非線性器件和核爆脈沖等。43發送設備：發送設備經過發送天線輻射出去，有時經過編織屏蔽層和通風管道輻射出去，經過銜接電纜向外輻射。本地振蕩器：在多數設備中，主要的發射源是印制電路板(PCB)上電路(時鐘、視頻和數據驅動器，及其他振蕩器)中流動的電流。設備功能非線性產生的輻射：所謂設備功能非線性所產生的輻射干擾，指的是電路中器件任務在非線性形狀時所產生的干擾。44核電磁脈沖輻射 核電磁脈沖輻射是能量很大的一種特殊的輻射干擾源。爆炸核武器時，核輻射與周圍環境相互作用，使帶電粒子劇烈運動，由此產生核電磁脈沖。電弧輻射 當開關、繼電器觸點開啟和閉合時，觸點間會產生電弧。特別是在驅動電

20、感負載時，這種景象更為明顯。4546 3.2.2 傳導干擾源 傳導干擾指經過導體傳播的干擾。傳導干擾與輻射干擾的界限并不是非常明顯，除頻率非常低的干擾信號外，許多干擾信號的傳播可以經過導體和空間混合傳輸。在某些場所，干擾信號先以傳導的方式，經過導體將能量轉移到新的空間，再向空中輻射。而在另一些場所，干擾信號先在空中傳播，在其傳播的過程中遇到導體，就會在導體中感應出干擾信號，變成傳導干擾，沿導體繼續傳播。 47 1. 傳導干擾源 傳導干擾源按帶不帶信息可以分為信息傳導干擾源與電磁噪聲傳導干擾源兩類。信息傳導干擾源指的是帶有信息的無用信號對電子設備產生的干擾。電磁噪聲傳導干擾源指的是不帶任何信息的

21、電磁噪聲對電子設備的干擾。 下頁表是常見的信息傳導干擾源及產生這種干擾的緣由。 48表3.8是常見的電磁噪聲傳導干擾源及產生這種干擾的緣由。 下表是常見的電磁噪聲傳導干擾源及產生這種干擾的緣由。 4950 2. 傳導干擾源的頻譜 任何種類的干擾都與干擾源的功率、頻率有關。下表是常見傳導干擾源的干擾頻譜。丈量闡明，傳導頻譜由最低可測的頻率到1GHz以上的頻譜。通常情況下，傳導干擾的頻率最高為幾十兆赫以下，這是由于當頻率升高時，由于導體損耗以及布線電感和分布電容的作用，使傳導電流大大衰減。51目前，對電子設備影響最大的傳導干擾要數經過供電線路傳導的干擾。這些干擾源經過電網可以將干擾信號傳播到非常廣

22、的范圍。 52 3.3 電磁干擾三要素 實際和實驗的研討闡明，不論復雜系統還是簡單安裝，任何一個電磁干擾的發生必需具備3個根本條件：首先應該具有干擾源；其次有傳播干擾能量的途徑(或通道)；第三還必需有敏感器件。在電磁兼容性實際中把被干擾對象統稱為敏感設備(或敏感器)。因此干擾源、干擾傳播途徑(或傳輸通道)和敏感設備稱為電磁干擾的三要素。 下頁圖為電磁干擾三要素的表示圖。 53 關于電磁干擾的傳播途徑普通分成兩種方式，即傳導耦合方式和輻射耦合方式。敏感設備是被干擾對象的總稱，它可以是一個很小的元件或者一個電路板組件，也可以是一個單獨的用電設備，甚至可以是一個大系統。543.3.1 敏感設備的敏感

23、度度量 由于敏感設備是以不同電路原理、不同構造和不同元器件構成的詳細用電設備，它們受同一電磁干擾作用的呼應程度差別很大，通常用敏感度來描畫敏感設備對電磁干擾呼應的程度。敏感度越高，表示對干擾作用呼應的能夠性越大，也可以說闡明該設備抗電磁干擾的才干越差。不同敏感設備的敏感度值需求根據詳細情況加以分析和實踐測定。55模擬電路系統敏感度分析 對于模擬電路系統，敏感度表示為 式中，Sv為以電壓表示的模擬電路敏感度； Nv為熱噪聲電壓； B為電路的頻帶寬度； K為與干擾有關的比例系數。 模擬電路的敏感度經常用分貝(dB)表示SdBV，其計算公式如下： 56 其中，GdBV是用分貝表示的設備靈敏度，普通靈

24、敏度值比較小，多為毫伏級或微伏級數值。數字電路系統敏感度分析 對于數字電路系統，敏感度表示為： 式中，Sd為數字電路敏感度； B為電路的頻帶寬度； Ndl為數字電路的最小觸發電平。57 普通數字電路的最小觸發電平Ndl遠比模擬電路的噪聲電平要大得多，因此數字電路比模擬電路的敏感度值要小得多，闡明數字電路有較強的抗干擾才干。 數字電路的敏感度也常以分貝(dB)表示，上式寫為： 電子設備的敏感度可以在很大范圍內變化，大致的數量概念在80dB230dB之間為多數。 58 普通將80dB230dB的敏感度分成7類，小于80dB為極不敏感類，80dB110dB為較不敏感類，110dB140dB為稍敏感類

25、，140dBl70dB為中等敏感類，170dB200dB為敏感類，200dB230dB為非常敏感類，大于230dB為極敏感類。59 3.3.2 傳播干擾能量的途徑 在實踐中，存在兩類傳播干擾能量的途徑：系統內部耦合和設備間的外部耦合。無論是系統內部耦合還是設備間的外部耦合，均存在以下幾種耦合方式。干擾源就是經過這些能量耦合方式將干擾施加于敏感設備。60直接耦合方式 電導性耦合最普遍的方式是干擾信號經過導線直接傳導到被干擾電路中而呵斥對電路的干擾。這些導線可以是設備之間的信號連線、電路之間的銜接導線(如地線和電源線)以及供電電源與負載之間的供電線等。這些導線在傳送有用信號能量的同時，也將干擾信號

26、傳送給對方。 以下圖為直接耦合的表示圖。 61 其中：Rs為干擾源的內阻； Us為干擾源信號的干擾電壓； Rz為銜接導線的等效電阻，該電阻隨著干 擾信號的頻譜的改動而改動； RL為敏感部件的等效負載電阻，該電阻也 隨著干擾信號的頻譜的改動而改動。62 Rz和RL隨著干擾信號的頻譜的改動而改動的主要緣由是：當干擾信號的頻率升高時，導線的趨膚效應將越來越明顯，導線的等效橫截面積越來越小，等效的交流電阻也越來越大。 63漏電耦合方式 漏電耦合是電阻性耦合方式。當相鄰的元件或導線間的絕緣電阻降低時，有些電信號便經過這個降低了的絕緣電阻耦合到邏輯元件的輸入端而構成干擾。 漏電耦合傳導干擾能量的情形與直接

27、耦合方式的根本一樣。兩者不同之處是：直接耦合方式是由導線傳送能量，在傳送干擾信號的能量的同時，還傳送有用信號的能量；而漏電耦合方式是由漏電阻傳送能量，并不傳送有用信號，其危害性比直接耦合方式更具隱蔽性。64公共阻抗耦合方式 公共阻抗耦合是噪聲源和信號源具有公共阻抗時的傳導耦合。公共阻抗隨元件配置和實踐器件的詳細情況而定。只需其中某一電路的電流發生變化，便會使其他電路的供電電壓發生變化，構成公共阻抗耦合。 公共耦合普通發生在兩個電路的電流流經一個公共阻抗時，一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路，如以下圖所示。常見的公共阻抗耦合有公共地和電源阻抗兩種。以下圖是公共地線的連線的內阻而產生的耦合。65 為了防止公共阻抗耦合，應使耦合阻抗趨近于零，經過耦合阻抗上的干擾電流和產生的干擾電壓將消逝。此時，有效回路與干擾回路即使存在電氣銜接