精品课程电磁兼容理论与应用021305

精品课程电磁兼容理论与应用021305苏东林北京航空航天大学2课程教学大纲1.课程名称：电磁兼容理论与应用2.课程代码：0213053.课程学时：48学时4.课程的目的与地位：电磁兼容现象普遍存在于现代通信、测量系统中，如主频已达到1GHz以上的计算机系统、射频通信系统及电器、电气系统等中都普遍存在电磁兼容问题。为了培养满足社会需求的合格人才，开设本课程。3课程教学大纲5.讲授及学习方法：课堂教学、实验、讲座与撰写实习报告6.考核方式：考试（30%），实验（20%），平时（20%：出勤，作业），实习报告（30%）5.课程教材：工程电磁兼容——原理、测试、技术工艺及计算机模型，人民邮电出版社，V.PrasadKodali著，陈淑凤、高攸纲、苏东林、周碧华译4目录一．导论二．设备和电路产生的电磁干扰三．概率和统计物理模型5一.导论1.电磁环境2.历史沿革3.EMI和EMC概念与有关定义4.频谱管理5.EMI和EMC综述6.分析计算举例61.电磁环境①我们生活中不可缺少的部分；②许多设备：无线电、电视广播台、通信发射机、雷达导航设备等，在正常工作时，会同时辐射电磁能量——有意将电磁能量辐射到空中；③另一些设备：汽车点火系统、工业控制装置等工作时，也会向外辐射电磁能量——无意辐射电磁能量；④上述有意或无意辐射的电磁能量达到一定程度时，会干扰许多电子电气设备和系统的正常工作。7电磁环境1.电磁辐射，无线电频谱SomeIntentionalRadiators:1.BroadcastandCellTowers2.Radars3.CellularPhones8ElectromagneticRadiation101…andSomeUnintentionalMotorComponentsPowerfulElectronicsArcWeldersFluorescentLights92.历史沿革①第二次世界大战前20世纪20年代：认识到电磁环境干扰20世纪30年代：出版相关标准、开发相应测试技术高架输电线近旁电场强度和无线电广播电台产生的电场强度的测量方法、测量无线电噪声和场强的仪表、确定无线电噪声容限；国际电工委员会（IEC）和国家广播联盟联手处理电磁干扰问题；关心的频率为18MHz；1933年成立国际无线电干扰特别委员会（CISPR），规定了干扰容限：以调幅深度为20%的1mV/m的场强为参考，信噪比达到40dB。102.历史沿革②第二次世界大战战争使CISPR活动停顿下来军事用途促使可靠测量电磁干扰的仪器和军用标准迅速发展；关心的频率为20MHz@40年代，30MHz@50年代，1000MHz@60年代；电磁干扰概念以及有效消除干扰是航空航天系统及卫星中的头等大事；③战后的前25年CISPR恢复活动1967年出版MIL-STD-462“电磁干扰特性的测量”1968年出版MIL-STD-461“用于控制电磁干扰的电磁发射和敏感度要求”112.历史沿革④战后的后25年出版涵盖EMI技术的定义和测量单位的MIL-STD-463出版MIL-STD-461和MIL-STD-462的修订版出版的标准涵盖了系统电磁兼容性，包括：雷达、飞机电源、空间系统、海军泊场、移动通信等设计和性能要求；80年代：关注数字设备和仪器对电磁噪声敏感问题；以及数字电路和设备产生的宽带噪声问题；时钟频率产生电磁噪声；固体元器件和集成电路容易受到瞬态电磁感干扰；今后不同国家之间的贸易壁垒将建立在工艺和技术性能指标的基础上，而不再是迄今惯用税率及其制度。123.EMI和EMC概念与有关定义①关于电磁骚扰和电磁干扰–电磁骚扰：可能引起一个器件、一台设备或一个系统性能降级的任何一种电磁现象；–电磁干扰：由电磁骚扰造成的一个器件、一台设备或一个系统的性能下降。②射频干扰与射频干扰–射频骚扰：具有射频范围分量的电磁骚扰；–射频干扰：接收有用信号时由射频骚扰造成的接收效果下降；1314电磁兼容定义JointPub1-02,DoDDictionaryMilitaryAndAssociatedTermsWithJMTGMChanges,23MARCH1994definesEMCas:所有使用电磁频谱工作的系统、装备和装置的一种能力。这种能力保证它们在既定的工作条件下，不会因电磁发射或响应而造成不能接受的或者未预知的性能降级。Theabilityofsystems,equipment,anddevicesthatutilizetheelectromagneticspectrumtooperateintheirintendedoperationalenvironmentswithoutsufferingunacceptabledegradationorcausingunintentionaldegradationbecauseofelectromagneticradiationorresponse.15电磁兼容三要素干扰源耦合通道敏感体产生电磁干扰的实体、自然现象或环境指把能量从干扰源耦合（或传输）到敏感体所通过的媒介指对电磁干扰发生响应的实体16电磁干扰如何从源传播到接收机源接收机公用电源线电源线缆电源线缆信号线缆控制线缆信号线缆控制线缆17电磁干扰如何从源传播到接收机源接收机公用电源线①从源直接辐射到接收机——途径1电源线缆电源线缆信号线缆控制线缆信号线缆控制线缆18电磁干扰如何从源传播到接收机源接收机公用电源线②从源直接辐射，然后被与接收机连接的电源电缆或信号/控制线线缆拾取，电磁干扰经传导过程到达接收机——途径2电源线缆电源线缆信号线缆控制线缆信号线缆控制线缆19电磁干扰如何从源传播到接收机源接收机公用电源线③③电磁干扰由源的电源电缆、信号电缆或控制线缆辐射——途径3电源线缆电源线缆信号线缆控制线缆信号线缆控制线缆20电磁干扰如何从源传播到接收机源接收机公用电源线④电源线缆电源线缆信号线缆控制线缆信号线缆控制线缆电磁干扰从源通过公用电源电缆或通过公用信号线缆/控制线缆直接传导到接收机——途径421电磁干扰如何从源传播到接收机源接收机公用电源线①②③③④电磁干扰由与源相连的各种电源/信号/控制电缆携带时，它会耦合进与接收机相连接的电源/信号/控制电缆中，尤其是把这些线缆绑扎成捆时。电源线缆电源线缆信号线缆控制线缆信号线缆控制线缆22电磁干扰如何从源传播到接收机源接收机公用电源线①②③③④电磁干扰由与源相连的各种电源/信号/控制电缆携带时，它会耦合进与接收机相连接的电源/信号/控制电缆中，尤其是把这些线缆绑扎成捆时。电源线缆电源线缆信号线缆控制线缆信号线缆控制线缆电磁干扰从源到达接收机主要机制：传导+辐射23回忆电磁兼容定义①接收机即能够在他所处的电磁环境中满意的发挥其功能，有没有把超过容限的电磁骚扰引入此环境中而影响任何其它任何系统正常工作的能力。②电磁干扰的一些实例a)输电线：高电场强度不仅存在于输电线的正下方，而且存在于离开中心线一定距离处；b)电源线：架空输电线容易拾取来自闪电和雷暴的电磁噪声；工厂和家庭中的电源线会携带由开关、断路器、重负载开关等产生的瞬态脉冲，能够损害计算机和许多信息技术产品的正常工作。c)电话设备：电话中心机房的电场强度对电话设备的正常工作至关重要。通常要求电磁场强小于1V/m（120dBuV/m）；24电磁干扰的一些实例d)飞机导航：某客机导航设备中观察到严重误差，原因为某旅客正在观看一台便携式电视机；在飞机起飞或着陆期间，某旅客操作一台计算机，严重干扰了飞机的导航设备；e)军用设备；f)安全可靠的通信；g)集成电路：EMI已成为最大威胁。EMI会使这些器件烧坏，EMI会增大数字电路的误码率，EMI会增大模拟电路的噪声电平。EMI和EMC已是一个普遍存在的问题，它提醒我们在全部电气与电子设备和系统，特别是通信与控制设备和系统的设计和实际使用中，必须重点关注电磁兼容问题。254.频谱管理电磁频谱是一项有限的资源；为了提高各种广播、通信、导航和其他服务，对频谱资源的需求成倍的增加；各种代理和服务机构不得不与其他用户共享频谱资源，因此电磁兼容问题就具有头等重要性。①发射机和接收机②频谱空间③发展趋势26①发射机和接收机a)不同的服务以及完成不同服务的设备被指定工作在不同的频段；b)对电磁兼容会产生影响的发射机和接收机主要参数为：–发射机：输出功率、频率、带宽、带外发射、杂散发射（谐波发射、寄生发射、交互调、变频等）–接收机：灵敏度、选择性、镜频抑制、杂散抑制、邻频道抑制27②频谱空间a)频谱使用需考虑的主要因素为：频率/频带、时间、距离/地区–时间复用（某频率不同时使用，可通过分时使用相同频率）–频率复用（通过减少场强，实现在不同区域使用相同频率）使用的频谱空间=使用的频带宽度（B）×通过潜在干扰谢绝其他用户的地区面积（A）×系统使用户发射该频谱的时间百分率（T）28③发展趋势a)信息压缩–数字语音编码、语音处理算法b)新的调制方案–多能级、部分响应、信道编码c)更高效的频道间隔–减小传输带宽、提高频率稳定度（频率合成器、温度补偿振荡器）d)通信系统体系结构与配置上的新措施–频道复用技术（蜂窝式无线电话）、采用系统控制器295.EMI和EMC综述电磁兼容三个发展阶段①问题解决阶段②规范设计阶段③系统设计阶段30电磁兼容三个发展阶段一①问题解决阶段这一阶段的特点是：在电气电子系统设计时不作综合的电磁兼容考虑，出现电磁干扰问题时，再分析原因，寻找解决办法，对于较为复杂的系统，如果没有统一的考虑，出现干扰可能性极大，而且不易分析原因所在，有时甚至无法解决干扰问题，导致系统的重新设计或系统设计的失败。31电磁兼容三个发展阶段二②规范设计阶段对系统、分系统、各部件、元器件，制定一系列详细的电磁兼容设计规范，严格按照规范进行设计和测试，将电磁干扰出现的可能性降为最低。但是由于没有进行分析预测，制定的规范不可避免地带有一定的盲目性，指标要求太低，可能导致电磁兼容设计失败，指标要求太高，又会造成必要的体积、重量、成本等的浪费。32电磁兼容三个发展阶段三③系统设计阶段对系统、分系统、各部件、元器件电磁特性进行分析预测，合理分配各项指标要求，并且在系统的整个设计过程中不断地进行修正和补充，使系统工作在最佳状态。这一阶段的工作充分吸收了前两个阶段的优点，能够克服前面两个阶段的局限性，是目前电磁兼容技术的最高阶段。336.分析计算举例①非线性N阶非线性电路，输出电压Vout(t)与输入电压Vin(t)之间的关系为n1kkinkout)t(VaVNV个噪声分量且假设输入电压中有一讨论二阶非线性问题，)t(VtcosV)t(VN0in于是n1kkN0kout)t(VtcosVaV输出特性为考虑噪声、非线性后的346.分析计算举例n1kkN0kout)t(V)tcos(VaV输出特性为考虑噪声、非线性后的)t(Va)t(Vat(t)cosVV2atcosVatcos2Va21Va21)t(VtcosVa)t(VtcosVaN12N2N02012022022N02N01直流分量二次谐波分量输入频率分量输入与噪声差拍分量噪声分量356.分析计算举例n1kkNNkout)t(V)t(conVaV输出特性为考虑噪声、非线性后的)t(Va)t(Vat(t)cosVV2atcosVatcos2Va21Va21)t(VtcosVa)t(VtcosVaN12N2N02012022022N02N01直流分量二次谐波分量输入频率分量输入与噪声差拍分量噪声分量输出信号中各频率分量的噪声取决于输入噪声及输出电路的带宽，可看成由非线性产生的电磁干扰源366.分析计算举例1.输出信号中各频率分量的噪声取决于输入噪声及输出电路的带宽，可看成由非线性产生的电磁干扰源；2.结论：非线性产生了新的潜在干扰频率（EMI源），这些干扰将通过传导或