电磁干扰的危害与电磁兼容技术

吉林省辽源市第五中学 田 雨 唐生亮 于海英

电磁干扰的危害与电磁兼容技术

吉林省辽源市第五中学 田 雨 唐生亮 于海英

随着电子设备的广泛应用，电磁干扰问题逐渐得到关注。本文分析了电磁干扰可能对电子设备的影响和对人的身体健康构成的威胁，并简单介绍了电磁兼容的发展过程、主要研究内容和应用方向。

电磁干扰；电磁兼容技术；电磁兼容标准；电磁屏蔽；滤波

1.引言

自上世纪中期开始，电子技术迅速兴起并得到了高速发展。在各种新型电子设备不断给人类社会带来改变的同时，也带来了很多新兴的社会问题和环境问题，而电子设备的电磁干扰问题就是众多问题中的一个。现在，电子设备不仅应用于电器、电力电子、医学等传统行业，更广泛应用于航空航天、通信、计算机等新兴行业。随着集成电路的高速迭代，电子技术也向高频、高能量密度的方向发展，更使电磁环境更加恶劣[1]。

本文首先分析了电磁干扰对电子设备和人体健康带来危害的严重性；回顾了电磁兼容技术的兴起与发展以及电磁兼容标准的制订；并分别从电磁屏蔽、电磁吸收、滤波和接地几个方面，简单介绍了电磁兼容技术。

2.电磁干扰的危害

目前，各种各样的电子设备已经融入现代生活的各个领域，成为人们生活不可侵害的一部分。但与此同时，电磁干扰的问题也日益突出，影响着电子设备的稳定工作，甚至是人们的身心健康[2]。

2.1 电磁干扰对电子设备的危害

电磁干扰一般可以分为自然干扰和人为干扰，其中自然干扰主要由各种自然现象所造成，而人为干扰则是由于人工装置所产生。自然干扰的主要原因包含：大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声、沉积静电噪声及热噪声。人为干扰源又可以分为功能性干扰和非功能性干扰。功能性干扰指的是有一定功能的电子设备(如雷达、电视、通信设备等)在工作时，产生的电磁能量对其他设备造成影响；非功能性干扰指电子设备在实现自身特定功能时，伴随发出的副作用而形成的电磁干扰，比如开关导通或关断过程中产生的放电电弧、汽车点火时产生的电火花等。

以上所分析的电磁干扰，会以辐射电磁干扰或传导电磁干扰的形式，对空间的电子设备或处于同一回路的电子设备造成干扰，影响其他设备的稳定工作，甚至引起灾难性后果。比如，在医用电子领域，从短波到微波的各种电疗设备、外科用高频手术刀等，在工作时电磁能量的对外发射，会产生空间辐射干扰，影响其他设备的可靠运行。又如，在飞机机舱内使用手机、笔记本电脑等电子设备时，产生的电磁干扰噪声也会通过空间辐射，影响飞机上大量的传感器的工作，如果引发飞机的导航等系统的故障，甚至会导致空难的发生。

2.2 电磁干扰对人体健康的危害

人类正在被各种电子设备所包围，并暴露于电磁辐射之中。当电磁辐射强度超过人体所能承受的限度时就构成了电磁辐射污染，甚至导致健康风险问题[3]。电磁辐射能量通过对人体组织器官的作用而产生伤害，其主要表现包括热效应和非热效应两个方面。

热效应是指在电磁辐射的强度较大(＞10cm/cm2)时，使身体或器官的温度升高。电磁辐射对细胞加热，会使人体的血液流通加快，引起发热，产生生理或神经反应等。另外研究表明，射线能透过深度与电磁干扰的频率有关，低于1GHz的射线能透入深部组织，而高于3GHz的电磁辐射，能量主要被皮肤吸收。

非热效应是在电磁辐射的强度低于10cm/cm2的环境中长期作用所引起的。非热效应的机理目前还有待进一步研究，但其对人体的危害确实存在。在一定频率和强度的电磁场中，人的血液特性会发生微波变化，另外染色体结构也会出现变异。国外医学研究表明，高压输电线路所产生的电磁场会对人身体产生危害，住在高压输电线附近的居民，血液和神经系统会受不同程度的损伤，甚至一些人受此影响而死亡。

3.电磁兼容技术

3.1 电磁兼容技术的发展

1833年，法拉第发现电磁感应定律；1864年麦克斯韦建立了著名的“麦克斯韦方程组”，并预言电磁波的存在；1888年赫兹通过实验证明了电磁波的存在。电磁干扰现象最早出现的记录是19世纪时发现的“单线电报间的串扰”。1881年，英国著名科学家希维塞德发表了“论干扰”的文章，是研究电磁兼容技术的早期文献。1889年，英国邮电部门研究了通信干扰的问题，美国《电世界》杂志刊登了电磁感应的文章。

20世纪60年代，出现了大规模集成电路技术，使人类进入信息时代，但电磁干扰问题日趋严重，促进了电磁兼容技术的发展。进入20世纪80年代以来，美国、德国、英国、法国等国家相继开展电磁兼容方面的研究，并在分析、预测、测量、设计等方面取得了一定成果。目前，电磁兼容已经成为信息系统的重要指标[4]。

3.2 电磁兼容技术的内容

国家军用标准GJB72A-2002《电磁干扰和电磁兼容性术语》中对电磁兼容(EMC, Electromagnetic Compatibility)的定义是[5]：设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能够一起执行各自功能的共存状态。包括两方面的内容：设备、分系统等在预定电磁环境中运行时，不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；且不会给环境带来不可接受的电磁干扰。

电磁兼容技术的研究紧密围绕电磁干扰三要素——干扰源、耦合途径和敏感设备进行。电磁兼容技术的内容可概括为：研究电磁干扰的产生机理和电磁干扰源的特性；研究电磁干扰是通过什么途径传播，以及如何切断这些传播通道；研究敏感设备对干扰产生什么响应，以及如何增强其抗干扰能力。

3.3 电磁兼容标准

电磁兼容标准可以分为四级，包括基础标准、通用标准、产器类标准和专用产品标准。随着电子技术的发展，世界上很多国家和组织都制定了电磁兼容标准和规范，用途较为广泛的主要有国际电工委员会(IEC, International Electrotechnical Commission)标准、国际无线电干扰特别委员会(CISPR, International Special Committee on Radio Interference)规范、欧盟设备和产品质量与安全标准(CE, 法语Confomite Europeene)，以及我国的国家标准(GB)、美国的联邦通信委员会(FCC, Federal Communications Commission)标准、我国的军用标准(GJB)和美军标(MIL, Military Specifications)等[6]。

4.电磁兼容技术的应用

电磁兼容技术主要包括电磁屏蔽、电磁吸收、滤波和系统接地等方面的应用。

4.1 电磁屏蔽

电磁屏蔽是抑制电磁干扰的一种有效方法，利用导电或导磁材料制成屏蔽体限制电磁干扰。通过屏蔽措施，达到两方面的目的：一方面可以使干扰源从屏蔽体一面耦合，从而抑制干扰源能量的泄漏；另一方面也可防止外来的干扰进入某一区域。工程中常用的电磁屏蔽如下几种[7]：

(1)静电屏蔽。根据电磁场理论，采用内部存在空腔的导体，使其内部任一点的电场为零，导体内部没有电荷，电荷只分布在其表面。

(2)磁场屏蔽。磁场屏蔽包括低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽。对于低频情况，可使用铁、硅钢片等磁导率高、磁阻小的铁磁材料制成屏蔽罩，实现磁场屏蔽。而对于高频磁场，屏蔽材料应使用低电阻率的铜、铝等金属，利用在屏蔽体上形成的涡流反磁场，实现磁场屏蔽。

(3)电缆屏蔽。为防止线缆向外发射干扰以及空间电磁场对线缆的影响，可以使用金属材料制成屏蔽层包覆在线缆外，达到屏蔽的效果。常见的线缆屏蔽形式有：金属屏蔽层、金属编织网、箔带包裹屏蔽等。另外，常见的屏蔽双线电缆，采用双线对绞平衡线，可以传输频率高于10MHz的高频信号。

4.2 电磁吸收

对于射频，特别是微波辐射，也常利用吸收材料进行微波吸收。它是根据匹配谐振原理研制而成，将微波能转化为热能。微波吸收的方案有两个：一是仅用吸收材料贴附在罩体上将辐射电磁波能吸收；二是把吸收材料贴附在屏蔽材料罩体上，进一步消减射频电磁波的透射。吸波材料主要有以下几种：

(1)铁氧体系列吸波材料。吸收强，频带宽，如镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钡铁氧体等。

(2)微粉吸波材料。反射小，吸收高，如纳米碳化硅纤维。

(3)多晶铁磁性金属纤维。重量轻、频带宽、斜入射性能好，还可以通过调节纤维长度、直径及排列方式调节吸收体的电磁参数。

(4)电介质陶瓷吸波材料。如锆钛酸铅、BaTiO3，吸波效果好，但吸收带宽小。

(5)导电高分子材料。可通过掺杂调节电导率来控制其吸波性能，且密度小。

4.3 滤波

电磁兼容设计中的滤波器主要有电源EMI滤波器和信号滤波器。

电源EMI滤波器放置在电子设备供电线路上，通常设计为低通滤波器。既可以保证设备中开关器件产生的高频噪声传导至供电网络，也可以将电网中的干扰噪声滤波，起到保护设备的作用[8]。

信号滤波器的目的确保信号的不失真传输，根据应用情况可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。比如带通滤波器可以用于在通信接收端，针对通信频率设计，滤波除其他频段的干扰。在一些敏感的高频信号线路上，可以采用高能滤波器，滤除电源50Hz或400Hz的低频噪声。而在数字电路设计时，为防止高频噪声的干扰，可以使用低通滤波器。

4.4 系统接地

系统接地是系统电磁兼容设计的重要手段，也是设备或整个系统稳定工作的基本要求。系统接地包括安全接地和信号接地。

安全接地是将电气电子设备的外壳通过低阻抗的导体与大地连接，保证人员及设备的安全。人体与机壳接触时，等效于机壳与大地之间连接了人体电阻，且人体的电阻变化范围很大。流经人体的完全电流为50mA，而在系统安全接地的情况下，人体电阻与接地电阻并联，流经人体的电流会大大降低，满足安全要求。人工接地体常用形式有竖直埋入地下的钢管、角铁和平放的圆钢、扁钢，还有环形、圆板型和方形的金属导体。为减小接地电阻，常将几个接地体连接起来构成组合接地体。

信号接地也可称为系统基准接地，为信号电压提供一个0电位的参考点。地线是信号的回流路径，因而地线的两端由于电流流过而产生电压，导致地线的电位不等，这就是地线干扰的根本原因。在系统内部，可以采用阻抗低的金属板作为信号地平面，接地线也使用铜线等导线，满足接地要求。设备的接地方式主要有单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地四种。

[1]刘文魁,庞东.电磁辐射的污染及防护与治理[M].科学出版社,2003.

[2]刘尚合,刘卫东.电磁兼容与电磁防护相关研究进展[J].高电压技术,2014,40(6):1605-1613.

[3]曲敏,毕卓悦,唐雨萌等.生物电磁技术应用及其相关健康风险评估对策[J].高电压技术,2015,41(8):2625-2634.

[4]D Dhankhar.A backend system for accurate and directional measurements of radiated EMI[J].Journal of Spacecraft Technology,2013,24(2):34-40.

[5]王庆斌.电磁干扰与电磁兼容技术[M].机械工业出版社,2005.

[6]G A Jackson, International EMC cooperation: past, present and future [J].IEEE International Symp.EMC,1986:1-3.

[7]邓云.复杂屏蔽体的耦合特性研究[D].西北工业大学,2006.

[8]H C Yen,C S Moo.Integrated design of EMI and passive filters for power electronic converters with PFC circuit[J].IEEE ISIE 2001.Pusan,Korea,2001:1055-1059.