第7讲电磁辐射及辐射耦合的基本原理

电磁耦合作用机理研究提要：本文论述了电磁环境的相关概念，分析研究了电磁的耦合方式和作用机理，为下一步的深入研究，提供理论基础。

关键词：电磁环境；耦合方式；作用机理随着科学技术的不断发展和人类活动的不断拓展，微电子技术、计算机技术应用到了社会生活的方方面面，大量技术含量高、内部结构复杂的电工、电子产品得到广泛应用，使之日益信息化和电磁敏感化。

复杂电磁环境对地球和人类产生的影响越来越引起人们的关注。

因此，研究电磁的耦合作用机理具有重要的意义。

一、电磁环境相关概念电磁环境是指存在于空间所有电磁现象的总和。

各种人为电磁辐射和自然电磁辐射构成了复杂的电磁环境，其中人为电磁辐射包括移动电话机、无线电对话机、广播电视电台发射机、卫星、雷达等等，雷电、静电、地磁场、太阳黑子活动、宇宙射线等构成了自然电磁辐射源。

电磁辐射作用的形成需要同时具备以下三个要素：电磁波源，指产生电磁波的元器件、设备、系统或自然现象；耦合通道，指把能量从波源耦合或传播到敏感设备上，并使该设备产生响应的通道或媒介；敏感设备，指对电磁波发生响应的设备。

通常将这三个要素称为电磁耦合的三要素，如图1所示。

二、电磁辐射的耦合方式（一）天线耦合全体暴露于电磁场的金属导体均可认为是天线，“前门”耦合（“front-door”coupling）就是指电磁脉冲或微波能量通过目标上的天线耦合到电子系统内。

因此，可以按天线的设计特性计算耦合强度，当电磁波频率与天线设计频率相等时，耦合最大。

（二）孔缝耦合一般情况下，电子设备封装在由传导材料构成的容器中。

由于设备散热通风、缺口、裂缝以及馈电、信号传输的需要，容器不可能完全密封，存在着不同类型的孔缝，这就为电磁辐射提供了耦合途径。

“后门”耦合（“back-door”coup ling）就是高能电磁脉冲能量通过目标上的孔洞、缝隙耦合进入系统，干扰或毁坏电子设备。

当波长小于孔缝尺寸时，电磁波将毫无阻挡地进入屏蔽体内；当波长大于孔缝尺寸时，电磁波将被阻挡；当存在尺寸和电磁波长相比拟的孔缝时，电磁波的耦合就很严重，将产生共振。

电磁耦合器原理
电磁耦合器是一种将机械能转换为电能或将电能转换为机械能的装置。

其原理基于法拉第电磁感应定律和安培定律。

当电磁耦合器中通过一对线圈流过电流时，将产生磁场。

这个磁场会穿过线圈的磁铁部分，并在周围形成磁通。

当两个线圈分别位于磁场内，它们之间会发生耦合。

这种耦合效应可以使得一个线圈中的电流通过磁感应作用传导到另一个线圈中。

具体来说，当一个线圈中的电流发生变化时，根据法拉第电磁感应定律，它会在周围产生一个变化的磁场。

这个磁场会穿过另一个线圈，并在另一个线圈中诱导出电流。

根据安培定律，这个诱导电流的方向与线圈中的磁场变化方向相反。

通过调整电磁耦合器中的电流大小和方向，可以控制两个线圈之间的耦合程度。

当两个线圈的耦合程度较高时，输入线圈中的电能会高效地转换为磁场能，然后再转换为输出线圈中的电能，实现电能的传输。

当耦合程度较低或接近零时，输入线圈中的电能几乎不会传导到输出线圈中，实现了电磁隔离。

电磁耦合器在电力传输、电子设备、变压器等领域有着广泛的应用。

它具有高效、精确的能量传输和隔离能力，能够满足不同领域的需求。

电磁兼容原理电磁兼容是指不同电子设备之间能够协调共存，不互相干扰，并能在同一电磁环境中正常工作的能力。

在现代电子技术高度发达的时代，电磁兼容成为了一个重要的问题。

本文将介绍电磁兼容的原理以及如何通过适当的设计来提高设备的电磁兼容性。

一、电磁兼容的原理1. 电磁耦合电子设备之间的互相干扰主要是通过电磁耦合传递的。

电磁耦合可以分为导线耦合和空间耦合两种形式。

导线耦合是指电磁干扰通过导线传递，例如电源线、信号线、地线等。

当一个设备产生电磁辐射时，通过导线就会传递到其他设备，造成干扰。

空间耦合是指电磁波通过空气传播，直接干扰其他设备。

这种干扰主要通过电磁波的辐射或者敏感部件的接收来实现。

2. 电磁辐射任何电子设备在工作时都会产生电磁辐射。

这些电磁波会以一定的频率振荡并传播到空气中。

不同频率的电磁波对其他设备的干扰程度也不同。

电磁辐射可以通过适当的设计进行控制。

例如，在电路板布局上可以采用良好的地线规划、信号和电源线的分离等方法来减少辐射。

3. 电磁感应电子设备在接收到其他设备的电磁波时也会产生干扰。

这是因为电磁波产生的电场和磁场可以感应到设备中的导线、元器件等。

对于感应干扰，可以采取屏蔽、过滤等措施来减少干扰。

例如，在信号线上可以添加屏蔽层，以减少外部电磁波对信号线的感应。

二、提高电磁兼容性的设计原则1. 地线设计良好的地线设计是提高电磁兼容性的重要手段。

地线应该具有低的阻抗，以便将电磁干扰引流至地。

同时，地线应该规划合理，避免形成地线回路，增加传导噪声的可能性。

2. 信号和电源线分离在电路板布局设计中，将信号和电源线分离是减少电磁耦合的有效方法。

信号线和电源线在布线时应尽量保持距离，并采用交错敷铜等技术来减少彼此之间的相互影响。

3. 屏蔽和过滤对于敏感的信号线或电路，可以采用屏蔽或过滤器来减少外部电磁波的干扰。

屏蔽层可以采用金属材料制作，对电磁波进行屏蔽。

过滤器则可以针对特定频率的干扰进行滤波，以保证信号的准确传输。

电磁波基本原理
电磁波是由电场和磁场相互耦合而产生的一种能量传播现象。

它在空间中以无线电波的形式传播，具有电磁性、波动性和传播性。

电磁波的产生源于电荷的运动。

当电荷随着时间的变化而加速运动时，就会产生电场的变化。

根据法拉第电磁感应定律，电场的变化又会引起磁场的变化。

而根据安培电流定律，磁场的变化又会引起电场的变化。

这样电场和磁场就彼此交替地产生变化，形成了电磁波。

电磁波的特征之一是它的频率和波长。

频率指的是电磁波每秒钟振动的次数，以赫兹（Hz）为单位表示。

而波长则指的是
电磁波一个完整的周期所占据的距离。

电磁波的频率和波长之间有一个固定的关系，即波速等于频率乘以波长。

根据电磁波的频率，可以将它们分为不同的类型，包括射电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。

这些电磁
波具有不同的特性和应用。

例如，射电波广泛用于通信和广播领域，可见光则用于照明和图像显示，X射线用于医学成像和材料检测。

电磁波在空间中的传播遵循波动理论。

它们以一种类似水波的方式传播，直线传播路径上的电场和磁场的变化形成了电磁波的垂直振动和相互垂直的传播方向。

根据麦克斯韦方程组，电磁波能够同时存在于空间中的电磁场，传播速度等于光速。

总的来说，电磁波的基本原理是以电场和磁场的相互耦合为基础，通过电荷的加速运动而产生，并具有频率和波长的特征。

不同类型的电磁波具有不同的频率范围和应用领域。

通过了解电磁波的基本原理，我们可以更好地理解它们的性质和应用。

电磁屏蔽基本原理在电子设备及电子产品中，电磁干扰（Electromagnetic Interference）能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输。

为满足电磁兼容性要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采用EMI滤波器件加以抑制；对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。

在当前电磁频谱日趋密集、单位体积内电磁功率密度急剧增加、高低电平器件或设备大量混合使用等因素而导致设备及系统电磁环境日益恶化的情况下，其重要性就显得更为突出。

屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一区域内的一种方法。

由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同，在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。

在设计中要达到所需的屏蔽性能，则需首先确定辐射源，明确频率范围，再根据各个频段的典型泄漏结构，确定控制要素，进而选择恰当的屏蔽材料，设计屏蔽壳体。

屏蔽原理电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响。

电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。

因此，接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。

磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流，因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。

电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。

由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。

屏蔽效能屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）来衡量，屏蔽效能的定义:没有屏蔽体时，从辐射干扰源传输到空间某一点(P)的场强 1（ 1）和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点(P)的场强 2（ 2）之比，用dB（分贝）表示。

电磁辐射检测原理
电磁辐射检测原理是一种测量和分析电磁辐射的技术方法，通常用于评估电磁辐射对人体和环境的潜在影响。

其基本原理是利用特定传感器或探测器来测量电磁辐射的强度、频率和波长等参数。

以下是常见的几种电磁辐射检测原理：
1. 电离室原理：利用电离室的工作原理，即电磁辐射经过离子化气体时会产生电离现象。

测量设备会通过测量电离室中产生的离子数量来确定电磁辐射的强度。

2. 频率谱分析原理：将电磁辐射信号进行频率谱分析，得到不同频率的成分，从而确定电磁辐射的频率特性。

常用的频谱分析方法包括傅里叶变换和快速傅里叶变换。

3. 接收天线原理：利用天线接收电磁辐射信号，并将其转换为电信号进行测量。

不同种类的天线适用于不同频率范围的电磁辐射检测。

4. 热辐射测量原理：通过测量物体表面的热辐射来间接确定电磁辐射的强度。

热成像技术是一种常见的热辐射测量方法。

5. 电磁波干涉原理：利用电磁辐射在干涉中产生的波峰和波谷来测量辐射的特性，如波长和振幅等。

常见的干涉技术包括干涉仪和干涉滤光片。

这些原理可以单独或联合使用，根据不同的测量需求选择适当的方法和设备来进行电磁辐射检测。

《抗干扰技术》课程教学大纲课程代码:030132008课程英文名称：Anti-jamming Technique课程总学时：24讲课：24实验：0上机：0适用专业：自动化大纲编写（修订）时间：2010.7—、大纲使用说明（-）课程的地位及教学目标本课程是自动化专业的选修课，教授学生掌握提高应用系统抗干扰能力的基本理论和基本方法，培养学生独立排除自动控制系统干扰影响的技能。

（-）知识、能力及技能方面的基本要求知识方面。

针对课程地位及教学目标，该课程的知识系统结构应围绕常见的自动控制系统所遇到的干扰的影响和防护措施的分析来展开。

为此在知识方面应紧密联系实际自动控制装置的结构及相关的理论知识。

能力方面。

首先，要有自学能力，才能保证赶上时代飞速发展的步伐。

通迫本课程的教学，要培养和提高学生对所学知识进行整理、概括、消化吸收的能力，以及围绕课堂教学内容，阅读参考书籍和资料，自我扩充知识领域的能力。

其次，是形成思维有序，有据，会归纳、演绎的逻辑思维方法，以提高分析能力（主要是对电子设备电磁兼容性进行分析的能力的培养）。

然后，要学会从正反两方面看问题，并学会从全局出发，摆正位置去处理事情的辩证思维方法。

最后，要求具备联想与类比的设计能力以建立创新思维的体系。

技能方面。

应在通晓基本自动控制系统的基础上，能确定可能的干扰因素，采取有效、可行的抗干扰措施，确保自动控制装置正常运行。

（三）实施说明素质教育要求在本课程教学过程中，站在培养人才的整体高度上，去看待本课程所应承担的职责。

在讲授具体内容时，也要求分清每一部分内容在课程整体中所处的地位，对不同内容采用相应的处理方法，只有这样才能在大纲的具体实施中事半功倍，取得好的教学效果。

要提高学生的基本素质，必须合理选取教材，启发和引导学生从被动吸收知识的状态下，转化到主动索取知识的状态中来。

要注重方法的传授和能力的培养，而不纠缠细节，这样就可以将学生的注意力引导到教学的主题上来，在明确学习的目的后，学生就有能力去索取和掌握自己需要的知识，能充分的调动学生的内在潜力，培养出高质量的技术人才。

电磁耦合原理的应用1. 什么是电磁耦合原理？电磁耦合原理是指两个或多个电磁系统之间通过磁场或电场相互作用而产生的相互影响的现象。

在电磁耦合系统中，电流和磁场的变化会引起彼此之间的相互作用，从而影响系统的性能和功能。

2. 电磁耦合原理的应用2.1 电磁感应耦合电磁感应耦合是一种利用电磁感应现象实现两个电路之间能量传递和信号传输的方法。

通过电磁感应耦合，可以实现非接触式的能量传输和数据传输。

它在无线充电、无线通信和无线传感等领域有着广泛的应用。

以下是电磁感应耦合的一些应用场景：•无线充电技术：将电能传输到无线充电设备，实现电池的无线充电。

这种技术广泛应用于智能手机、电动汽车和无线充电垫等设备。

•无线通信技术：通过电磁感应耦合实现设备之间的无线通信，例如近场通信（NFC）和无线射频识别（RFID）技术。

•无线传感技术：通过电磁场传感器和接收器之间的电磁感应耦合，实现对环境参数的感测与监测。

2.2 电磁干扰耦合电磁干扰耦合是指两个或多个电磁系统之间的相互干扰现象。

在电磁干扰耦合中，一个电磁系统的电磁辐射或传导会影响到另一个电磁系统的工作性能。

以下是电磁干扰耦合的一些应用场景：•电磁兼容性（EMC）设计：在电子产品设计过程中，需要考虑不同电磁系统之间的干扰情况，采取相应的屏蔽和滤波措施，以确保产品的正常工作。

•电磁辐射测试：通过电磁感应耦合或直接接触电磁场传感器，对设备或系统的电磁辐射进行测试和分析。

•高频电路设计：在高频电路设计中，需要考虑电磁干扰耦合对系统性能的影响，采取合适的屏蔽和隔离措施，以提高系统的抗干扰能力。

2.3 电磁互感耦合电磁互感耦合是指两个或多个电磁元件之间通过磁场相互影响而产生的耦合效应。

通过电磁互感耦合，可以实现信号的传输、能量的传递和电路的隔离。

以下是电磁互感耦合的一些应用场景：•变压器：变压器是一种利用电磁互感耦合实现电能传输和电压升降的设备。

它广泛应用于电力系统中，用于实现电压的变换和能量的传输。

电磁兼容中的电场耦合原理电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）是指在电子系统中，各种电子设备能够在相同的电磁环境下同时工作，互相之间不会产生干扰或损害。

电磁兼容主要关注两种耦合方式，即电场耦合和磁场耦合。

本文将重点介绍电场耦合原理。

电场耦合是指当一个发射器发出电磁信号时，其电场部分通过非电路线损经过一段距离后，再投射到另一个电路上产生干扰的一种现象。

这个距离可以达到数十米，而且不受电磁波的频率限制。

电场耦合的原理可以通过电场的辐射和接收两个部分来解释。

首先，电场辐射是指当电路中有电流流过时，就会产生一个周围空间中不断扩展的电场。

这个电场就像是一个扩散的波纹，会辐射到周围的空间中，形成一个电磁场。

这个电磁场会沿着空间传播，直到碰到其他电路，然后在其他电路上诱发电流。

接收端的电路会接收到这个电磁场，并且在其表面产生感应电流。

这个感应电流会由于接收端电路的特性而产生电压峰值和电流幅度的变化，导致电路运行不稳定，进而产生电磁干扰。

电场耦合的干扰机制主要包括互容性和共模效应。

互容性是指当两个电路相距较近时，如果一个电路上有电流或电压发生变化，就会通过电磁感应耦合到另一个电路上，并产生干扰。

共模效应是指两个电路之间的共同引线或地线等电路元件的耦合现象，会导致其它线路受到共同模式电流的影响。

为了解决电场耦合产生的干扰问题，可以采取以下措施：1.提高线路的屏蔽性能：在设计电子系统时，需要使用电磁屏蔽材料和屏蔽结构，以减少电场的辐射和接收。

2.增强接地设计：良好的接地系统能够有效地分散和吸收电磁辐射和感应电流。

3.降低信号传输速度：通过降低信号传输速度，可以减少信号辐射和接收到的干扰。

4.采用滤波器：使用适当的滤波器可以有效地滤除干扰信号，保证系统的正常运行。

5.合理布线：合理布线可以减少电路之间的耦合效应，降低干扰的产生。

总之，电场耦合是电磁兼容中一种常见的干扰机制。

在电子设备及电子产品中,电磁干扰Electromagnetic Interference能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输;为满足电磁兼容性要求,对传导性耦合需采用滤波技术,即采用EMI滤波器件加以抑制；对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制;在当前电磁频谱日趋密集、单位体积内电磁功率密度急剧增加、高低电平器件或设备大量混合使用等因素而导致设备及系统电磁环境日益恶化的情况下,其重要性就显得更为突出;屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体,将电磁波局限于某一区域内的一种方法;由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波,因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同,在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同;在设计中要达到所需的屏蔽性能,则需首先确定辐射源,明确频率范围,再根据各个频段的典型泄漏结构,确定控制要素,进而选择恰当的屏蔽材料,设计屏蔽壳体;屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SEShielding Effectiveness来衡量,屏蔽效能的定义:没有屏蔽体时,从传输到空间某一点P的场强 1 1和加入屏蔽体后,辐射干扰源传输到空间同一点P的场强 2 2之比,用dB分贝表示;图1 屏蔽效能定义示意图屏蔽效能表达式为 dB 或dB 工程中,实际的辐射干扰源大致分为两类：类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源和类似于变压器绕组的闭合载流导线辐射源;由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式,实际的辐射源在空间某点产生的场,均可由若干个基本源的场叠加而成图2;因此通过对和所产生的场进行分析,就可得出实际辐射源的及和远、的场特性,从而为屏蔽分类提供良好的理论依据;图2 两类基本源在空间所产生的叠加场远近场的划分是根据两类基本源的场随1/r场点至源点的距离的变化而确定的, 为远近场的分界点,两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同;表1 两类源的场与传播特性场源类型近场远场场特性传播特性场特性传播特性以衰减平面波以衰减非平面波以衰减以衰减波阻抗为空间某点电场强度与磁场强度之比,场源不同、远近场不同,则波阻抗也有所不同,表2与图3分别用图表给出了的波阻抗特性;表2 两类源的波阻抗场源类型波阻抗Ω近场远场电偶极子120π120π磁偶极子120π120π能量密度包括电场分量能量密度和磁场分量能量密度,通过对由同一场源所产生的电场、磁场分量的能量密度进行比较,可以确定场源在不同区域内何种分量占主要成份,以便确定具体的屏蔽分类;能量密度的表达式由下列公式给出:电场分量能量密度磁场分量能量密度场源总能量密度表3 两类源的能量密度能量密度比较场源类型近场远场电偶极子磁偶极子表3给出了两种场源在远、近场的能量密度;从表中可以看出,两类源的近场有很大的区别,电偶极子的近场能量主要为电场分量,可忽略磁场分量；磁偶极子的近场能量主要为磁场分量,可忽略电场分量；两类源在远场时,电场、磁场分量均必须同时考虑;屏蔽类型依据上述分析可以进行以下分类：表4 屏蔽分类场源类型近场远场电偶极子非闭合载流导线电屏蔽包括静电屏蔽电磁屏蔽磁偶极子闭合载流导线磁屏蔽包括恒定磁场屏蔽电磁屏蔽电屏蔽的实质是减小两个设备或两个电路、组件、元件间电场感应的影响;电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下,将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体;因此,接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素;磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路,从而对干扰磁场进行分流,因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素;电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场,即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量;由于随着频率的增高,波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当,从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素;屏蔽体的泄漏耦合结构与所需抑制的频率密切相关,三类屏蔽所涉及的频率范围及控制要素如表5所示：表5 泄漏耦合结构与控制要素屏蔽类型频率范围10kHz~500kHz 1MHz~500MHz 500MHz~40GHz实际屏蔽体上同时存在多个泄漏耦合结构n个,设机箱接缝、通风孔、屏蔽体壁板等各泄漏耦合结构的单独屏蔽效能如只考虑接缝为SEii=1,2,…,n,则屏蔽体总的屏蔽效能由上式可以看出,屏蔽体的屏蔽效能是由各个泄漏耦合结构中产生最大泄漏耦合的结构所决定的,即由屏蔽最薄弱的环节所决定的;因此进行屏蔽设计时,明确不同频段的泄漏耦合结构,确定最大泄漏耦合要素是其首要的设计原则;在三类屏蔽中,磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大;尤其是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏抑制最为关键,成为屏蔽设计中应重点考虑的首要因素;图4 典型机柜结构示意图根据孔耦合理论,决定孔缝泄漏量的因素主要有两个：孔缝面积和孔缝最大线度尺寸;两者皆大,则泄漏最为严重；面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大;图4所示为一典型机柜示意图,上面的孔缝主要分为四类：●机箱机柜接缝该类缝虽然面积不大,但其最大线度尺寸即缝长却非常大,由于维修、开启等限制,致使该类缝成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝,采用导电衬垫等特殊屏蔽材料可以有效地抑制电磁泄漏;该类孔缝屏蔽设计的关键在于：合理地选择导电衬垫材料并进行适当的变形控制;●通风孔该类孔面积和最大线度尺寸较大,通风孔设计的关键在于通风部件的选择与装配结构的设计;在满足通风性能的条件下,应尽可能选用屏效较高的屏蔽通风部件;●观察孔与显示孔该类型孔面积和最大线度尺寸较大,其设计的关键在于屏蔽透光材料的选择与装配结构的设计;●连接器与机箱接缝这类缝的面积与最大线度尺寸均不大,但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大,从而使得的共模传导发射变大,往往导致整个设备的辐射发射出现超标,为此应采用导电橡胶等连接器导电衬垫;综上所述,孔缝抑制的设计要点归纳为：●合理选择屏蔽材料；●合理设计安装互连结构;电磁屏蔽电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一;大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决;用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作,因此不需要对电路做任何修改;1 选择屏蔽材料屏蔽体的有效性用屏蔽效能来度量;屏蔽效能是没有屏蔽时空间某个位置的场强E1与有屏蔽时该位置的场强E2的比值,它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度;用于电磁兼容目的的屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分之一至百万分之一,因此通常用分贝来表述屏蔽效能,这时屏蔽效能的定义公式为：SE = 20 lg E1/ E2 dB用这个定义式只能测试屏蔽材料的屏蔽效能,而无法确定应该使用什么材料做屏蔽体;要确定使用什么材料制造屏蔽体,需要知道材料的屏蔽效能与材料的什么特性参数有关;工程中实用的表征材料屏蔽效能的公式为：SE = A + R dB式中的A称为屏蔽材料的吸收损耗,是电磁波在屏蔽材料中传播时发生的,计算公式为：A=fμrσr dBt = 材料的厚度,μr = 材料的磁导率,σr = 材料的电导率,对于特定的材料,这些都是已知的;f = 被屏蔽电磁波的频率;式中的R称为屏蔽材料的反射损耗,是当电磁波入射到不同媒质的分界面时发生的,计算公式为：R=20lgZW/ZS dB式中,Zw=电磁波的波阻抗,Zs=屏蔽材料的特性阻抗;电磁波的波阻抗定义为电场分量与磁场分量的比值：Zw = E / H;在距离辐射源较近<λ/2π,称为近场区时,波阻抗的值取决于辐射源的性质、观测点到源的距离、介质特性等;若辐射源为大电流、低电压辐射源电路的阻抗较低,则产生的电磁波的波阻抗小于377,称为低阻抗波,或磁场波;若辐射源为高电压,小电流辐射源电路的阻抗较高,则波阻抗大于377,称为高阻抗波或电场波;关于近场区内波阻抗的具体计算公式本文不予论述,以免冲淡主题,感兴趣的读者可以参考有关电磁场方面的参考书;当距离辐射源较远>λ/2π,称为远场区时,波波阻抗仅与电场波传播介质有关,其数值等于介质的特性阻抗,空气为377Ω;屏蔽材料的阻抗计算方法为：｜ZS｜=×10-7fμr/σr Ωf=入射电磁波的频率Hz,μr=相对磁导率,σr=相对电导率从上面几个公式,就可以计算出各种屏蔽材料的屏蔽效能了,为了方便设计,下面给出一些定性的结论;●在近场区设计屏蔽时,要分别考虑电场波和磁场波的情况；●屏蔽电场波时,使用导电性好的材料,屏蔽磁场波时,使用导磁性好的材料；●同一种屏蔽材料,对于不同的电磁波,屏蔽效能使不同的,对电场波的屏蔽效能最高,对磁场波的屏蔽效能最低,也就是说,电场波最容易屏蔽,磁场波最难屏蔽；●一般情况下,材料的导电性和导磁性越好,屏蔽效能越高；●屏蔽电场波时,屏蔽体尽量靠近辐射源,屏蔽磁场源时,屏蔽体尽量远离磁场源；有一种情况需要特别注意,这就是1kHz以下的磁场波;这种磁场波一般由大电流辐射源产生,例如,传输大电流的电力线,大功率的变压器等;对于这种频率很低的磁场,只能采用高导磁率的材料进行屏蔽,常用的材料是含镍80%左右的坡莫合金;2 孔洞和缝隙的电磁泄漏与对策一般除了低频磁场外,大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能;但在实际中,常见的情况是金属做成的屏蔽体,并没有这么高的屏蔽效能,甚至几乎没有屏蔽效能;这是因为许多设计人员没有了解电磁屏蔽的关键;首先,需要了解的是电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系;这与静电场的屏蔽不同,在静电中,只要将屏蔽体接地,就能够有效地屏蔽静电场;而电磁屏蔽却与屏蔽体接地与否无关,这是必须明确的;电磁屏蔽的关键点有两个,一个是保证屏蔽体的导电连续性,即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体;另一点是不能有穿过机箱的导体;对于一个实际的机箱,这两点实现起来都非常困难;首先,一个实用的机箱上会有很多孔洞和孔缝：通风口、显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分结合的缝隙等;屏蔽设计的主要内容就是如何妥善处理这些孔缝,同时不会影响机箱的其他性能美观、可维性、可靠性;其次,机箱上总是会有电缆穿出入,至少会有一条电源电缆;这些电缆会极大地危害屏蔽体,使屏蔽体的屏蔽效能降低数十分贝;妥善处理这些电缆是屏蔽设计中的重要内容之一穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害更大;当电磁波入射到一个孔洞时,其作用相当于一个偶极天线图1,当孔洞的长度达到λ/2时,其辐射效率最高与孔洞的宽度无关,也就是说,它可以将激励孔洞的全部能量辐射出去;对于一个厚度为0材料上的孔洞,在远场区中,最坏情况下造成最大泄漏的极化方向的屏蔽效能实际情况下屏蔽效能可能会更大一些计算公式为：SE=100 - 20lgL - 20lg f + 20lg 1 + L/H dB若L ≥λ/2,SE = 0 dB式中各量：L = 缝隙的长度mm,H = 缝隙的宽度mm,f = 入射电磁波的频率MHz;在近场区,孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关;当辐射源是电场源时,孔洞的泄漏比远场时小屏蔽效能高,而当辐射源是磁场源时,孔洞的泄漏比远场时要大屏蔽效能低;近场区,孔洞的电磁屏蔽计算公式为：若ZC >D·f：SE = 48 + 20lg ZC - 20lgL·f+ 20lg 1 + L/H若Zc<D·f：SE = 20lg D/L + 20lg 1 + L/H式中：Zc=辐射源电路的阻抗Ω,D = 孔洞到辐射源的距离m,L、H = 孔洞长、宽mm,f = 电磁波的频率MHz说明：● 在第二个公式中,屏蔽效能与电磁波的频率没有关系;● 大多数情况下,电路满足第一个公式的条件,这时的屏蔽效能大于第二中条件下的屏蔽效能;● 第二个条件中,假设辐射源是纯磁场源,因此可以认为是一种在最坏条件下,对屏蔽效能的保守计算;● 对于磁场源,屏蔽效能与孔洞到辐射源的距离有关,距离越近,则泄漏越大;这点在设计时一定要注意,磁场辐射源一定要尽量远离孔洞;多个孔洞的情况当N个尺寸相同的孔洞排列在一起,并且相距很近距离小于λ/2时,造成的屏蔽效能下降为20lgN1/2;在不同面上的孔洞不会增加泄漏,因为其辐射方向不同,这个特点可以在设计中用来避免某一个面的辐射过强;除了使孔洞的尺寸远小于电磁波的波长,用辐射源尽量远离孔洞等方法减小孔洞泄漏以外,增加孔洞的深度也可以减小孔洞的泄漏,这就是截止波导的原理;一般情况下,屏蔽机箱上不同部分的结合处不可能完全接触,只能在某些点接触上,这构成了一个孔洞阵列;缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一;减小缝隙泄漏的方法有：● 增加导电接触点、减小缝隙的宽度,例如使用机械加工的手段如用铣床加工接触表面来增加接触面的平整度,增加紧固件螺钉、铆钉的密度；● 加大两块金属板之间的重叠面积；● 使用电磁密封衬垫,电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料;如果在缝隙处安装上连续的电磁密封衬垫,那么,对于电磁波而言,就如同在液体容器的盖子上使用了橡胶密封衬垫后不会发生液体泄漏一样,不会发生电磁波的泄漏;3 穿过屏蔽体的导体的处理造成屏蔽体失效的另一个主要原因是穿过屏蔽体的导体;在实际中,很多结构上很严密的屏蔽机箱机柜就是由于有导体直接穿过屏蔽箱而导致电磁兼容试验失败,这是缺乏电磁兼容经验的设计师感到困惑的典型问题之一;判断这种问题的方法是将设备上在试验中没有必要连接的电缆拔下,如果电磁兼容问题消失,说明电缆是导致问题的因素;解决这个问题有两个方法：● 对于传输频率较低的信号的电缆,在电缆的端口处使用低通滤波器,滤除电缆上不必要的高频频率成分,减小电缆产生的电磁辐射因为高频电流最容易辐射;这同样也能防止电缆上感应到的环境噪声传进设备内的电路;● 对于传输频率较高的信号的电缆,低通滤波器可能会导致信号失真,这时只能采用屏蔽的方法;但要注意屏蔽电缆的屏蔽层要360°搭接,这往往是很难的;在电缆端口安装低通滤波器有两个方法● 安装在线路板上,这种方法的优点是经济,缺点是高频滤波效果欠佳;显然,这个缺点对于这种用途的滤波器是十分致命的,因为,我们使用滤波器的目的就是滤除容易导致辐射的高频信号,或者空间的高频电磁波在电缆上感应的电流;● 安装在面板上,这种滤波器直接安装在屏蔽机箱的金属面板上,如馈通滤波器、滤波阵列板、滤波连接器等;由于直接安装在金属面板上,滤波器的输入、输出之间完全隔离,接地良好,导线上的干扰在机箱端口上被滤除,因此滤波效果十分理想;缺点是安装需要一定的结构配合,这必须在设计初期进行考虑;由于现代电子设备的工作频率越来越高,对付的电磁干扰频率也越来越高,因此在面板上安装干扰滤波器成为一种趋势;一种使用十分方便、性能十分优越的器件就是滤波连接器;滤波连接器的外形与普通连接器的外形完全相同,可以直接替换;它的每根插针或孔上有一个低通滤波器;低通滤波器可以是简单的单电容电路,也可以是较复杂的电路;解决电缆上干扰的一个十分简单的方法是在电缆上套一个铁氧体磁环,这个方法虽然往往有效,但是有一些条件;许多人对铁氧体寄予了过高期望,只要一遇到电缆辐射的问题,就在电缆上套铁氧体,往往会失望;铁氧体磁环的效果预测公式为：共模辐射改善 =20lg加磁环后的共模环路阻抗/加磁环前的共模环路阻抗例如,如果没加铁氧体时的共模环路阻抗为100Ω,加了铁氧体以后为1000Ω,则共模辐射改善为20dB;说明：有时套上铁氧体后,电磁辐射并没有明显的改善,这并不一定是铁氧体没有起作用,而可能是除了这根电缆以外,还有其他辐射源;在电缆上使用铁氧体磁环时,要注意下列一些问题：● 磁环的内径尽量小● 磁环的壁尽量厚● 磁环尽量长● 磁环尽量安装在电缆的端头处金属屏蔽效率可用屏蔽效率SE对屏蔽罩的适用性进行评估,其单位是分贝,计算公式为 SEdB=A+R+B 其中 A：吸收损耗dB R：反射损耗dB B：校正因子dB适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一,即SE等于20dB；而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一,即SE要等于100dB;吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量,吸收损耗计算式为AdB=f×σ×μ1/2×t其中 f：频率MHz μ：铜的导磁率σ：铜的导电率 t：屏蔽罩厚度反射损耗近场的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离;对于杆状或直线形发射天线而言,离波源越近波阻越高,然后随着与波源距离的增加而下降,但平面波阻则无变化恒为377;相反,如果波源是一个小型线圈,则此时将以磁场为主,离波源越近波阻越低;波阻随着与波源距离的增加而增加,但当距离超过波长的六分之一时,波阻不再变化,恒定在377处;反射损耗随波阻与屏蔽阻抗的比率变化,因此它不仅取决于波的类型,而且取决于屏蔽罩与波源之间的距离;这种情况适用于小型带屏蔽的设备;近场反射损耗可按下式计算R电dB=20×lg r-30×lg f-10×lgμ/σ R磁dB=+20×lg r+10×lg f+10×lgμ/σ其中 r：波源与屏蔽之间的距离;SE算式最后一项是校正因子B,其计算公式为B=20lg-exp-2t/σ此式仅适用于近磁场环境并且吸收损耗小于10dB的情况;由于屏蔽物吸收效率不高,其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加,所以校正因子是个负数,表示屏蔽效率的下降情况;EMI抑制策略只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率;这些材料的导磁率会随着频率增加而降低,另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低,还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率;综上所述,选择用于屏蔽的高导磁性材料非常复杂,通常要向EMI屏蔽材料供应商以及有关咨询机构寻求解决方案;在高频电场下,采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果,但条件是屏蔽必须连续,并将敏感部分完全遮盖住,没有缺口或缝隙形成一个法拉第笼;然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的,由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作,因此就会有缝隙需要接合,另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的连线;设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙,而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙;制造、面板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔,从而大大降低了屏蔽性能;尽管沟槽和缝隙不可避免,但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的;任一频率电磁波的波长为: 波长λ=光速C/频率Hz当缝隙长度为波长截止频率的一半时,RF波开始以20dB/10倍频1/10截止频率或6dB/8倍频1/2截止频率的速率衰减;通常RF发射频率越高衰减越严重,因为它的波长越短;当涉及到最高频率时,必须要考虑可能会出现的任何谐波,不过实际上只需考虑一次及二次谐波即可;一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度,就可计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽;例如如果需要对1GHz波长为300mm的辐射衰减26dB,则150mm的缝隙将会开始产生衰减,因此当存在小于150mm的缝隙时,1GHz辐射就会被衰减;所以对1GHz频率来讲,若需要衰减20dB,则缝隙应小于15 mm150mm的1/10,需要衰减26dB时,缝隙应小于7.5 mm15mm的1/2以上,需要衰减32dB时,缝隙应小于3.75 mm7.5mm的1/2以上;可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内,从而实现这种衰减效果;定在规定尺寸内,从而实现这种衰减效果;。

电磁兼容与防护技术作业指导书第1章电磁兼容基础理论 (4)1.1 电磁兼容概述 (4)1.1.1 电磁兼容概念 (4)1.1.2 电磁兼容发展历程 (5)1.1.3 基本术语 (5)1.1.4 电磁兼容性的重要性和应用范围 (5)1.2 电磁场理论 (5)1.2.1 电磁场基本方程 (5)1.2.2 边界条件 (5)1.2.3 波动方程 (5)1.2.4 电磁波的传播特性 (5)1.3 电磁兼容性分析与评价 (5)1.3.1 电磁干扰源识别 (5)1.3.2 电磁干扰传播途径分析 (6)1.3.3 电磁兼容功能评价 (6)1.3.4 防护措施 (6)第2章电磁干扰源及其特性 (6)2.1 自然干扰源 (6)2.1.1 静电放电：在干燥的气候条件下，物体间的摩擦容易产生静电，当静电积累到一定程度时，会发生放电现象，产生电磁干扰。

(6)2.1.2 雷电：雷电是一种强烈的电磁干扰源，其产生的电磁场强度可达到数千伏/米，对电子设备造成严重威胁。

(6)2.1.3 地球磁场变化：地球磁场的变化会导致电磁场的变化，对电磁敏感设备产生干扰。

(6)2.1.4 太阳活动：太阳活动（如太阳黑子、耀斑等）会产生高能粒子流，影响地球的电离层，进而影响电磁波的传播。

(6)2.2 人为干扰源 (6)2.2.1 电力系统：电力系统中，输电线路、变电站、开关设备等都会产生电磁干扰。

62.2.2 通信系统：无线通信、广播、雷达等设备在发射信号时，会产生电磁干扰。

(6)2.2.3 工业设备：电机、变压器、高频焊接机等工业设备在运行过程中，会产生较强的电磁场。

(6)2.2.4 交通工具：汽车、飞机、火车等交通工具的发动机、点火系统等部件也会产生电磁干扰。

(7)2.3 干扰源特性分析 (7)2.3.1 频率特性：不同干扰源具有不同的频率特性，包括连续频谱、离散频谱和宽带频谱等。

(7)2.3.2 空间特性：干扰源的空间特性表现为电磁波的传播距离、传播方向以及干扰范围的差异。