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欢迎各位同学回到电磁兼容的课堂

今天我们讲第三讲

电磁骚扰源

电子骚扰源是产生电磁干扰的源头

首先我们来看看骚扰源怎么分类

按照传播形式来分的话

可以分为传导骚扰和辐射骚扰

如这有个输电线

这里有个收音机

收音机的话通过线路来进行供电

那这样的话

输电线路上电磁干扰

就可以沿着线路传播到这个收音机里面

同时的话输电线也可以产生空间电磁场

周围的一些电机、马达

或者是一些雷电、汽车

都可以在收音机上面产生电磁干扰

这就属于辐射的一个骚扰

按频谱分类我们可以分为

工频骚扰

它的波长为6000km

甚低频骚扰是30kHz以下

载频干扰是在10~300kHz

包括高压交直流输电谐波骚扰

射频 视频的骚扰

是在300k到300MHz赫兹的范围

它对应的波长是1~1000m之间

包括了

工科医疗设备

输电线路的电晕放电

高压设备的火花放电

以及内燃机 电动机 家用电器 照明电器等等

都在此范围之内

另外微波骚扰是300MHz到300GHz

它的波长是1mm到1m

另外雷电及核电磁脉冲

它就是一个宽频的源

它的频率很宽

由接近直流到可以到GHz的

这样一个很宽的范围

骚扰源的话

如果按他的性质分

我们可以分为自然骚扰源和人为骚扰源

自然骚扰源像雷电 大地噪声 宇宙噪声等

人为骚扰源的话包括了功能性的发射

像广播电视台 武器的发射

这些它是功能性的发射

但同时对其他系统它又是电磁骚扰源

再就是非功能性的发射

像高压设备以及工科医的设备

它在正常工作的时候会产生一些电磁骚扰

自然骚扰源就是我们在自然空间里面的

一些电磁环境的背景

这个图给出的是宇宙微波背景辐射图

是由欧航局"普朗克"卫星探测到的

最清晰的宇宙微波背景的辐射图

科技界普遍认为

宇宙诞生于距今137亿年前的一次大爆炸

作为大爆炸的“余烬”

微波背景辐射均匀地分布在整个空间里面

我们测试发现在100kHz时

大气噪声大概在0.5μV到0.25V之间

骚扰源的话它具有不确定性和随意性

首先是它的随机性

骚扰源的话

它可以由在一个空间附近的一些设备随机产生

像边上有个飞机飞过

有一个汽车跑过

有一个雷电

所以说它是具有随机性

其次

骚扰源是具有不确定性

或者是系统特性的不确定性

但是由于这种不确定性就产生了一个新的词语

叫城市电磁环境

可以看看

城市电磁环境的话是与社会活动密切相关

它会随着时代的变化而变化

像我们现在每年的用电量增加

用电这个谁用了

都给电器设备用了

机器设备在工作中

它就会在环境里面产生

更多的电磁能量

形成了更加复杂的电磁环境

所以城市电磁环境

它产生的根源 程度及特性均会随着时代在变

日本等发达国家每年都会定期的

进行城市的杂波测试

欧美也有不少学者

专门来收集一些杂波测试的数据

一个重要的骚扰源是雷电

当天上的雷云

积累到一定的程度

它就放电

形成了一个下行先导

而地面它也会发展上行先导

上行先导和下行先导

相遇就形成了所谓的雷电放电

雷电定位的话

它包括了先导的发展

迎面先导发展 雷电定位和主放电4个过程

一次雷电有多个闪络过程

最多的可以到几十个

雷电流幅值最大可以达到200kA以上

有的甚至达到300kA

我们可以用这样一个概率的公式

来描述雷电流的

它的幅值的一个概率

雷电的波头和波长时间的话

都是一个随机的变量

波头大概在1~4个μs之间

波长的话大概在40μs左右

雷电对电磁设备的干扰

一般来说它不会直击在电磁设备上面

但是雷击地面物体产生的空间电磁场

会通过耦合作用在附近的电磁设备上

形成的二次效应

如雷击建筑物时

当雷电流为200kA

室内的磁感应强度最大可以达到

10mT的数量级

这样的话

我们对于一个雷电的电磁环境

由于建筑物的不同部位的危害程度是不一样的

我们可以将雷电电磁环境区域进行划分

需要保护的空间划分为不同的防雷区

首先

0A区是指

雷电可以直接作用

同时又能够承受雷电的强磁场

0B区

像楼顶上的一些设备

它会受到避雷针的保护

它没有雷电的直击

但是他要受到雷电的强的磁场的作用

到了建筑物里面

由于建筑物的屏蔽效应

雷电电磁环境它会降低

所以我们就把它变成了一区

如果内部再有其他的一个屏蔽体

如一个箱体里面

那就变成了二区

所以说不同的区域就表示了

雷电电磁环境的强度不一样

另外对于一个配电线

从它的入口到家庭一级一级的话

它的电磁环境也是在降低的

这里给出了雷击时天上的一个飞机的情况

飞机外面有外壳

里面有不同的屏蔽层

这样的话它承受的雷电电磁环境

也可以划分为不同的区域

另外电力系统也会产生电磁骚扰

输电线的话

它会产生不同的电磁骚扰

包括了正常运行时的空间的电场和磁场

短路故障时的电磁场以及地电位升

还有放电产生的无线电干扰

这是通过测量得到的输电线路的

电场和磁场的分布

输电线路工作上的放电

会产生空间的电磁场

刚好这个电场

是在我们的无线电波接收的

频段范围内

所以我们称它为无线电的干扰

我们发现当你收听音乐的时候

当信噪比是26dB的时候

我们就不容易察觉到背景噪声

所以在制定无线电干扰的标准的时候

都是以性造比26分贝作为参考值来进行制定

输电线路的干扰可以分为有源干扰

就是导线表面电晕放电 火花放电

它在输电线路上面

形成纵向的传播和横向的传播

另外还会产生无源干扰

是指高频的电磁波遇到线路和杆塔的话

会产生反射

影响它的信号的传播

无线电干扰的话

它的频谱在0.15~4MHz的频率范围

它产生的单个脉冲大概是在10~1μs的量级

大概在40~70dB μV/m这样一个范围

并在正常运行时也会产生空间电磁场

在电流为0.5kA时线路母线下

220kV的工频磁场达到是14A/m

另外在静电保护室以及设备的磁场强度

分别达到了7A/m和0.72A/m

开关操作产生的暂态干扰

它的频率在0.1~80MHz

能量从几mJ到数十mJ

其次它的一次单项操作

可以在一个工频周期的产生

1~20次的这样一个暂态干扰

平均每秒可以产生156次

另外当系统短路的时候

强大的短路电流也会产生很强的电磁干扰

特别是雷击时

它的电磁干扰就会更强

这是开关操作时产生的暂态电压

可以达到是13KV/m

产生的暂态磁场可以达到80A/m

这是开关操作时在测控系统上产生的

暂态骚扰可以达到4kV

其次

我们来介绍一下电气设备产生的电磁骚扰

首先介绍一下元器件的固有噪声

第一个是电阻的热噪声

或者叫Johnson噪声

电阻器由于发热会引起电子热骚动

用示波器可以观测到白噪声的波形

热噪声的瞬时值具有高斯正态分布特征

因此我们可以用一个噪声源的电阻

来等效他的热噪声

或者是用一个电阻串一个电压源

或者用一个电阻并一个电流源

来描述这种电阻的热噪声

其次是散粒噪声

它是由电流流过势垒而产生的噪声

它主要存在于电子管和半导体器件中

在半导体器件中

载流子越过势垒的扩散电流和漂移电流

以及在长基区中的电子空穴对的产生

和复合的过程都是随机的

因此造成了电流的随机的波动

再就是接触噪声

当两种电阻率不同的材料接触时

由于电阻率的不同

会导致电导率的波动

爆米花的噪声

它存在于半导体二极管和集成电路中

它的特点是在热噪声背景上

叠加了不规则的脉冲噪声

它是由半导体器件的P-N结中的

金属杂质造成的缺陷引起的

如果我们输出接扬声器上

会产生一个爆裂的声音

爆米花造成对处理微弱信号为主的

通讯 宇航 遥感遥测 图像处理 生物工程等

都会有影响

但是对一般的来说是没有什么影响

电力电磁器件以及设备的电磁骚扰

电力电磁器件得到了大量的应用

电力电磁器件包括了

功率二级管 大功率的晶体管

晶闸管 IGBT和功率场应管有关的

在电力电磁器件开关过程中

它会产生很高的di/dt或者是du/dt

这样的话在线路上面就会产生很强的干扰

它的频率在kHz 10kHz MHz

这样一个范围

电力电磁工作产生的骚扰

是一个非常重要的骚扰源

在电力电磁设计中的它的关键

就是要进行电磁兼容的设计

下面我们来看一下印刷电路板的辐射骚扰

在印刷电路板上面会形成各种回环

当有电流流过的时候

它就会向周围的空间产生电磁辐射

我们想一想

印刷电路板上面最严重的

骚扰原因是什么器件呢

印刷电路板上的骚扰源

包括了时钟 视频和数据驱动器

以及其他振荡器流过电流产生的电磁骚扰

其中最为严重的是时钟电路产生的骚扰

它具有一个非常丰富的频率

下面我们来看一下电缆的辐射

常用的电缆在30~100MHz范围内形成谐振

在这样一个频率范围内

电缆的辐射效率要比PCB板更高

我们考虑到一个最坏的情况

将辐射强度要增加一倍

来考虑地面的反射

相当于要增加6dB

这样的话我们在10m处的最大场强

就可以用这样一个公式来描述它

电压波从电路终端反射

与一个新的波同相

这时将出现谐振

线路的振荡将被严重的放大

谐振与导体中的电流信号

传播的速度和一系列信号的重复速率有关

下面我们再看一下

传输线上的振铃现象

对于一个时钟信号在线路上进行传播

由于传输性的阻抗与端接阻抗不匹配

形成了折返射

就会产生这种振铃的现象

当振铃信号超过信号噪声门限时

就会造成信号的传播错误

另外一个重要的骚扰原因就是高能电磁骚扰

它是指高幅值的脉冲电场或磁场

人为电磁干扰

包括了电磁恐怖主义

是指以恐怖主义或者犯罪为目的

故意产生有害的电磁能量

来干扰系统的正常工作

或者造成系统的紊乱

甚至损害功率的设备

人为电磁干扰中一个重要的源是核致电磁脉冲

我们知道核爆炸的话有4个效应

冲击波 热辐射 放射性污染以及核电磁脉冲

核爆炸时产生高能γ射线

进入大气层

与空气分子发生碰撞

形成了康普顿的散射

产生康普顿电子和康普顿电流

然后继续传播与空气分子碰撞

形成了次级电子与正电子

它会向两侧辐射电磁场

由于康普顿电流的不对称性

这种电磁场可以辐射得很远

核致电磁脉冲

可以在地面产生高达50kV/m的电场

功率密度可以达到6.6MV/m²

约为雷电的100倍

它的上升时间为5个ns

持续时间在200ns

等值频率可高达100MHz

作为第三代核武器

它就突出了电磁脉冲效应

它以电磁脉冲的形式来释放能量

一般的核武器仅有3/10¹º~3/10⁵

这样一个能量转化为电磁能量

但是核电磁脉冲弹

它的40%的能量转化为电磁波向空间辐射

所以核电磁脉冲的话

它的波及范围广

可以达到几百平方公里范围

可以让地面进入

无电源 无通信 无计算机的三无世界

再一个重要的骚扰源是静电放电

非导体材料进行摩擦

电子转移导致在材料表面积累摩擦的电荷

静电干扰是造成计算机中

MOS电路损坏的主要的因素

美国每年由于静电造成的损失高达数亿美元

静电放电的话可以通过不同的途径

作用在设备内部

设备的任何暴露部分都可以发生ESD

常见的部位有键盘

控制部件

外界电缆和能够直接接触的金属构建

静电放电它总是选择一个阻抗最小的途径

所以说它的很多路径都是隐蔽的

很难找到

典型的静电放电可以产生

5kV 200ns时延的5A的电流脉冲

包含在脉动中的能量只有1.25mJ

但是它足可以干扰计算机的逻辑电平

人在地毯上行走

人体静电电压可以高达15kV或者更高

在采取防范措施下可以降至4kV以下

所以我们回顾一下本讲的一些主要的内容

凡是在电压和电流突变的场所

肯定会有电磁干扰问题的存在

电磁骚扰源它具有随机性

我们要采用统计电磁学来进行描述

隐蔽的电磁兼容问题更具危害性

雷电防护电磁环境要进行分区

数字电路更容易产生电磁骚扰发射

电磁设备它既是敏感设备

同时又是骚扰源

这一讲内容到这里

谢谢各位同学