电磁干扰的危害和电磁兼容性设计

（武汉职业技术学院 机电工程学院，湖北 武汉 430074）︱杨忠旭

电磁干扰是指在电气和电子设备工作过程中出现的与有用信号无关的，并且对电气电子设备或信号传输和人类本身或人类的生产生活有害的电磁变化现象。在一百多年以前，人类一直生活在没有人造电磁辐射的自然环境中。那时，自然界产生的电磁辐射主要是太阳的光辐射、宇宙射线、地球磁场辐射和各种热源产生的热辐射等，天然的电磁已达到了一种动态平衡，人类已经适应了这种天然的电磁环境。今天，多种多样的电气和电子设备已广泛应用于国民经济和人们生产生活的各个方面，而且还在迅速地扩大和发展。与此同时，电磁干扰现象也随之增大并日趋严重，它不仅在通信领域中对信号的产生、传播和接收造成了极大的影响，而且给人类社会的生产与生活带来了不容忽视的危害。

一、电磁干扰对人类的危害

1 电磁干扰是无线电的大敌

在上世纪五十年代，一部50W的短波电台通信距离可达1000km，到了八十年代，一部250W的短波电台通信距离一般小于500km，其根本原因是八十年代电磁干扰比五十年代增强了许多倍。现代社会日益增多的电磁干扰正在侵入地球空间的每一个角落，像毒雾般污染无线电频谱资源。无线电通信首当其冲地受到电磁干扰的危害，受害规模越来越大。

2 电磁干扰刺激功率竞赛，加剧电磁污染

无线电通信需要一定的信号噪声比，电磁干扰大，信噪比就会下降，使无线电通信距离变短。为保证一定的通信距离，只好增大发射机功率，以保证接收机所需要的信噪比。这就是八十年代250W短波电台勉强完成五十年代50W短波电台工作的原因。发射机数目逐年增多，功率随之加大，电磁干扰场强也不断增大。面对这种状况，人类会不会陷入“发射机功率增大和数量增多→电磁干扰场强增大→信噪比下降→再次增大和增多发射机功率和数目”的恶性循环！这确实是一个值得注意的问题。电磁干扰危害的加剧，可能会刺激发射机功率和数目竞赛，复又导致更严重的电磁污染。

3 电磁干扰日益社会化

电磁干扰社会化趋势，给人民生活带来许多不便。从机场起飞或降落的飞机会对下面的电视机产生严重干扰，飞机起降时地处飞机下面的居民区电视图像抖动；使用大功率无绳电话、手机、家用游戏机等能发射电磁波的电子装置时，电视屏幕上会出现讨厌的明暗条纹、雪花、闪烁和抖动；病房内使用手机很容易引起电子心脏起搏器停搏、输液泵电子开关误动作，中断病人输液等，直接危及病人的安全。电磁干扰日趋社会化，给人们的和平生活带来不安和危险。

电磁干扰与无线电是一对孪生兄弟，人类发明了无线电它便诞生了。无线电频谱线上每一个频率只能供一个客户使用，如果在有限的空间内，两个以上客户同时使用一个频率，就会产生干扰。由于收信、发信均占有一定的带宽，这就增大了干扰机会。电磁理论指出，一切用电设备在运转的过程中均会伴随着电磁现象发生，并以电磁场形式向四周传播。例如，日光灯开启瞬间，收音机会传出“喀，喀喀”声音。这是由于电灯开关和荧光灯起辉闪烁瞬间有电磁干扰辐射场产生，被收音机接收而发出声响。当今社会的生产与生活已经实现电子化、电气化和自动化，伴随产生的无用的电磁场就像烟雾一样笼罩着地球，无所不在，无处不有。因此，环保科学把电磁辐射列为继水污染、空气污染、噪声污染、环境污染之后的第五公害，称之为电磁污染。

二、电磁干扰对电子装置造成的危害

电磁干扰对电子设备造成的各种损失是通过电子装置有效性能或技术指标下降来体现的。

1 降低技术性能指标

(1) 话音系统

无线和有线电话，受到电磁干扰会使信号发生畸变失真，严重时可完全被电磁干扰淹没。电磁干扰使语言清晰度变坏，电磁干扰越强，信噪比越小，语言清晰度越差。

(2) 图像显示系统

雷达显示器、传真、电视、图示和字母数字读出器等图像显示系统，在电磁干扰作用下会变得模糊并出现差错。轻微干扰也会使图像质量变差、清晰度变低和误差变大。而出现严重干扰时则根本无法判读和观看。

(3) 数字系统

电磁干扰使数字系统误码率增大，降低了信息的可靠性，严重时会发生错误和信息丢失。由于电磁干扰的存在，无线电通信误码率只能维持在10－5水平(一般数据传输误码率在10－7水平，电子计算机内总数据传输误码率在10－12水平)。

(4) 指针式仪表系统

传统电子设备和仪器仪表中有许多是指针式的。电磁干扰会使指针指示错误、抖动和乱摆，降低系统使用功能。

(5) 控制系统

自动控制系统受到电磁干扰时，可能出现失控、误控或误动作，使控制系统的可靠性和有效性降低，并危及安全。控制系统中除灵敏电子设备、装置和电路对电磁干扰敏感外，灵敏电机、电器(如低压电磁开关、继电器、微型电机等)也对电磁干扰十分敏感而成为电磁干扰接受器。

2 电磁兼容性故障

电磁干扰降低系统(设备)技术性能指标的现象极为普遍。日常生活中最容易受到干扰的就是电视机和收音机，但当干扰源关机或者远离时干扰随之消失，一切又都恢复正常。出现灾难性电磁干扰危害，被称为“电磁兼容性故障”。

3 误燃

电磁干扰使金属之间因电磁感应电压而产生电火花或飞弧，引燃该处易燃气体导致易燃物燃烧。燃油等易燃液(气)体在容器内或管道内流动摩擦产生静电积累，在一定条件下发生静电放电也可能误燃。

4 误爆

电爆装置暴露在强电磁干扰的环境中有可能发生误爆。在安装有电爆装置的系统设备中，同电爆装置相连接的导线电缆、金属构件、器件等，由电磁干扰产生的感应电流或来自其它设备的电磁干扰传导电流施加到电爆装置上时，就可能发生误爆。电磁干扰误爆会使功能爆炸失控、早爆和误爆，危及系统设备和人员的安全。

5 电磁泄密

电磁干扰中含有大量信息，电脑产生的电磁辐射中就含有各种数据信息。除经过专门反窃密设计的电子系统设备外，一般电子系统设备均有电磁泄漏。现代侦测系统很容易从电磁干扰中得到重要信息。电磁干扰辐射可能造成政治、军事、经济和工业等保密信息的泄密。

6 电磁暴露

电磁干扰是严重的电磁暴露。国家利益需要的科研、军事、工业等隐蔽设施项目，在成果尚未投入使用前，试制调整试验过程产生的外泄电磁干扰可能会造成电磁暴露。

7 电磁辐射危险

电磁波作用到人体和动植物上，可以被反射、吸收和穿透。这种非电离射频辐射生物效应，一直被人类关注。因为在一定条件下，电磁辐射可导致中枢神经系统机能障碍和植物神经功能紊乱、眼睛损伤、诱发癌症或免疫缺陷性疾病。电磁辐射危险，强场比弱场严重，高频比低频严重，时间长比时间短严重。人类应远离大功率设备，但也不应忽视小功率危险。

三、电磁兼容性设计

电子、电气产品电磁兼容性设计的目的，是使产品在预期的电磁环境中能正常工作、无性能降低或故障，并具有对电磁环境中的任何事物不构成电磁干扰的能力。电磁兼容性设计的基本方法是指标分配和功能分块设计。也就是说，首先要根据有关标准和规范，把整个产品的电磁兼容性指标要求，细分成产品级的、模块级的、电路级的、元器件级的指标要求；然后，按照各级要实现的功能要求和电磁兼容性指标要求，逐级进行设计，采取一定的防护措施等。如果在产品的开发阶段，同时进行电磁兼容性设计，就可以把80%—90%的电磁兼容性问题解决在产品定型之前。那种不顾电磁兼容性，只按常规进行产品设计，然后对样品进行电磁兼容性技术测试，发现问题再进行补救的做法，非但在技术上会造成很大问题，而且还会造成人力、财力的极大浪费，这是—种非常冒险的做法。所以，对于任何一种产品，尽早进行电磁兼容性设计都是非常必要的。

1 电磁兼容性设计的方法

（1）有源器件选择与电子电路分析

在完成产品的电子线路设计后，应对各有源器件和电子电路进行仔细分析，特别注意分析那些容易产生干扰或容易受到干扰的器件和电路。一般来说，高速逻辑电路、高速时钟电路、视频电路和一些含有电接点的电器等，都是潜在的电磁干扰源，这些电路以及微处理器、低电平模拟电路等也很容易被干扰而产生误动作；组合逻辑电路、线性电源及功率放大器等，则不易受到干扰的影响。 模拟电路具有一定的接收频带宽度，如果电磁干扰的有效频带全部或部分地落在模拟电路的接收带宽内，则干扰就被接收并迭加在有用信号上，与之一起进入模拟电路，当干扰与有用信号相比足够大时、就会影响设备的正常工作。一些频带宽度达几兆赫的视频电路通常还同时成为干扰源；模拟电路的高频振荡也将成为干扰源，因此要正确选择相位和反馈，以避免自激振荡。数字电路工作在脉冲状态，其高频分量可延伸到数百兆赫以上。另一方面，外来干扰脉冲很容易使数字电路误触发。所以，数字电路既是干扰源，又容易受到干扰。选用较低的脉冲重复频率和较慢的上升／下降沿，将降低数字电路产生的电磁干扰。由于只有当干扰脉冲的强度超过一定容许程度后，才能使数字电路误触发，这种 “容许程度” 就是敏感度门限，包括直流噪声容限、交流噪声容限和噪声能量容限。CMOS和HTL电路具有效高的噪声容限，应优选使用。 在对有源器件的电磁干扰发射特性和敏感特性进行筛选，并对电子电路进行改进后，应对干扰源电路，易受干扰影响的电路进行分类和集中，以减小相互影响和便于采取防护措施。

2 印制电路板设计

数字电路是一种最常见的宽带干扰源，而瞬态地电流和瞬态负载电流是传导干扰和辐射干扰的初始源，必须通过印制电路板设计予以减小。当数字电路工作时，其内部的门电路将发生高低电压之间的转换，在转换的过程中，随着导通和截止状态的变换，会有电流从电源流入电路，或从电路流入地线，从而使电源线或地线上的电流产生不平衡而发生变化，这就是瞬态地电流，亦称ΔI噪声电流。由于电源线和地线存在一定电阻和电感，其阻抗是不可忽略的，ΔI噪声电流将通过阻抗引发电源电压的波动，即ΔI噪声电压，严重时将干扰其它电路或芯片的工作。为此，应尽量减小印制板地线和电源线的引线电感，如果使用多层板中的一层作为电源层，另选合适的一层作为接地层，ΔI噪声电压将减至最小。瞬态负载电流是由于门电路驱动线对地电容和门电路输入电容在数字电路转换时所产生的瞬变电流。瞬态负载电流与瞬态地电流复合后构成传导干扰和辐射干扰。所以应尽量缩短驱动线的长度和选用单门输入电容小的门电路。为了控制印制电路板的差模辐射，还应将信号和回线紧靠在一起，减小信号路径形成的环路面积。因为信号环路的作用就相当于辐射或接收磁场的环天线。共模辐射是由于接地面存在地电位造成的，这个地电位就是共模电压。当连接外部电缆时，电缆被共模电压激励形成共模辐射。控制共模辐射，首先要减小共模电压，例如采用地线网络或接地平面，合理选择接地点；其次可采用板上滤波器或滤波器连接器滤除共模电流；也可以采用屏蔽电缆抑制共模辐射，但应注意使屏蔽层与屏蔽机箱构成完全的屏蔽体，才能取得较好的效果。当然，降低信号频率和电平也是减小辐射的重要措施。为了减小印制板导线的辐射，设计时还应满足20H准则，这里， H是双面板的厚度，即元件面应比接地面缩小20H宽度，避免因边缘效应引起的辐射。高频或高速电路还应满足2W准则，这里，W是印制板导线的宽度，即导线间距不小于两倍导线宽度，以减小串扰。此外，导线应短、宽、均匀、直，如遇转弯，应采用45°角，导线宽度不要突变，不要突然拐角。

应当注意，单面板虽然制造简单、装配方便，但只适用于一般电路要求，不适用于高组装密度或复杂电路的场合；而双面板适用于只要求中等组装密度的场合；因此应当优选多层板，并将数字电路和模拟电路分别安排在不同层内，电源层应靠近接地层，干扰源应单独安排一层，并远离敏感电路，高速、高频器件应靠近印制板连接器。

有源器件选择与电子电路分析以及印刷电路板设计，是使产品达到电磁兼容性指标要求的关键，必须予以足够的重视。完成印制电路板设计后，应使得板上各部分电路都能正常工作．相互之间不会产生干扰，并能减小电磁干扰发射，提高抗干扰性能。

3 地线设计

地线设计是最重要的设计，往往也是难度最大的一项设计。“地线”可以定义为信号流回源的低阻抗路径，它可以是专用的回线，也可以是接地平面，有时也可以采用产品的金属外壳。理想的“地” 应是零电阻的实体，各接地点之间没有电位差。但在实际产品内，这种“地”是不存在的，任何“地”或“地线”既有电阻又有电抗，当有电流通过时，必然产生压降，使地线上的电位如同大海中的波浪一样，此起彼伏，并非处是零电位，两个不同的接地点之间就存在地电压。因此，当电路多点接地、并且电路间有信号联系时，就将构成地环路干扰电压，并在信号连线中产生共模电流，叠加在有用信号上一起加到负载端，由于电路的不平衡性，每根连线上的电流不同，还会转换成差模干扰电压，对电路造成干扰。为了减小地环路干扰，一般可采用切断地环路的方法。但这样做仅在低频时有效，当频率较高时，电路板与机壳之间的分布电容仍有可能构成地环路。此外，可以用平衡电路代替不平衡电路，使电路间信号连线上的共模电流相等，而不会转换成差模干扰电压。也可以在两个电路之间插入隔离变压器、共模扼流圈或光电耦合器等，均可取得一定效果。目前流行的方法是在屏蔽机壳上安装滤波器连接器，由于它的每根插针或每个插扎上都装有一个低通滤波器，可以有效地滤除因地环路干扰引起的高频共模电流。此外，在两个电路之间的连线或电缆上套以铁氧体磁环，也可以有效地滤除高频共模干扰。

大型复杂的产品中往往包含多种电子电路以及各种电机、电器等干扰源，这时地线设计需按以下步骤进行：

（1）分析产品内各电路单元的工作电平、信号类型等干扰特性和抗干扰能力；

（2）将地线分类，例如分为信号地线、干扰源地线、机壳地线等，信号地线还可分为模拟地线和数字地线等；

（3）画出总体布局图和地线系统图。

4 综合使用接地、屏蔽、滤波等措施

要有效地抑制电磁干扰，必须综合使用接地、屏蔽、滤波等措施。

静电屏蔽的必要条件是屏蔽体接地，为了同时屏蔽磁场和高频电场，当然，也应将屏蔽体接地。而电磁屏蔽则是用屏蔽体阻止电磁波在空间传播的一种措施，为了避免因电磁感应引起屏蔽效能下降，屏蔽体也应接地。同时，为了避免地电压在屏蔽体内造成干扰，还应当单点接地。屏蔽电缆是在绝缘导线外面再包一层金属薄膜，即屏蔽层。屏蔽层的屏蔽效能主要不是因反射和吸收所得到的，而是由屏蔽层接地所产生的。也就是说，屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起到屏蔽作用。如果把屏蔽层接地，则干扰被短路至地，不能再耦合到馈线上，屏蔽层起到了屏蔽作用。但电缆用于磁场屏蔽时则要求屏蔽层两端接地。对于低频电路，可单端接地，当信号源公共端接地，放大器不接地时，屏蔽层应接信号源公共端。对于高频电路，应双端接地，而且当电缆长于1／20波长时，应每隔1／10波长距离接一次地。屏蔽层接地的方法是使屏蔽层与连接器屏蔽外壳呈360度良好焊接；同时，将连线器屏蔽外壳与屏蔽机壳严密相连，使屏蔽电缆成为屏蔽机箱的延伸，才能取得良好的屏蔽效果。由此可见，屏蔽与接地是有密切关系的。

电磁干扰入侵屏蔽体的主要途径是I／O接口和电源线输入口。实际上，屏蔽体内部的电磁干扰可以耦合到连接I／O接口的导线或电缆以及电源线上，并产生干扰电流，传导到屏蔽体外，造成传导干扰和辐射干扰；同样，外界电磁干扰也可以通过连接到I／O接口的导线或电缆以及电源线传导进入屏蔽体，或通过电磁感应产生干扰电流进入屏蔽体，同时又对屏蔽体内造成辐射干扰。为了抑制干扰电流流入或流出，使屏蔽体保持较高的屏蔽效能，可以在I／O接口和电源线输入口分别采用滤波器连接器或馈通滤波器。此外，屏蔽体上安装的蜂窝状通风窗口是由截止波导管组成的高通滤波器，当面板上需要穿过可调器件的非金属轴承时，也可以将轴承穿过截止波导管。用导电玻璃制成的屏蔽视窗，实质上也是高通滤波器。由此可见，为了保证屏蔽效能，屏蔽与滤波是密切相关的。

除了特别说明允许不接地的滤波器外，各类滤波器都必须接地。因为滤波器中的共模旁路电容只在接地时才能有作用。特别是л型滤波器，当接地不良时，等于将电容和电感并联，完全失去了滤波作用。此外，安装滤波器时，还应借助于屏蔽，将输入端和输出端完全隔离，才能发挥滤波器的抑制作用。所以滤波与接地、屏蔽都有密切的关系。

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