电磁干扰及常用的抑制技术刘宇媛哈尔滨工程大学摘要：各种干扰是机电一体化系统和装置出现瞬时故障的主要原因。
电磁兼容性设计是目前电子设备及机电一体化系统设计时考虑的一个重要原则，它的核心是抑制电磁干扰。
电磁干扰的抑制要从干扰源、传播途径、接收器三个方面着手，切断干扰耦合的途径，干扰的影响也将被消除。
常用的方法有滤波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔离等。
关键词：电磁干扰干扰抑制屏蔽接地1．电磁干扰电磁干扰(electro magnetic interference，EMI)是指系统在工作过程中出现的一些与有用信号无关的、并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。
构成电磁干扰必须具备三个基本条件：①存在干扰源；②有相应的传输介质；③有敏感的接收元件。
只要除去其中一个条件，电磁干扰就可消除，这就是电磁抑制技术的基本出发点。
1.1 电磁干扰的分类常见的各种电磁干扰根据干扰的现象和信号特征不同有以下分类方法。
1、按其来源分类(1) 自然干扰。
自然干扰是指由于大自然现象所造成的各种电磁噪声。
(2) 人为干扰。
由于电子设备和其他人工装置产生的电磁干扰。
2、按干扰功能分类(1) 有意干扰。
有意干扰是指人为了达到某种目的而有意识制造的电磁干扰信号。
这是当前电子战的重要手段。
(2) 无意干扰。
无意干扰是指人在无意之中所造成的干扰，如工业用电、高频及微波设备等引起的干扰等。
3、按干扰出现的规律分类(1) 固定干扰。
多为邻近电气设备固定运行时发出的干扰。
(2) 半固定干扰。
偶尔使用的设备(如行车、电钻等)引起的干扰。
(3) 随机干扰。
无法预计的偶发性干扰。
4、按耦合方式分类 (1) 传导耦合干扰。
传导耦合是指电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式，通过金属导线或其他元件(如电容器、电感器、变压器等)耦合到被干扰设备(电路)。
(2) 辐射耦合干扰。
电磁辐射耦合是指电磁噪声的能量以电磁场能量的形式，通过空间辐射传播，耦合到被干扰设备(或电路)。
1.2 电磁噪声耦合途径干扰源对电子设备的干扰是通过一定耦合形式进行的，无论是内部干扰或外部干扰，都是通过“路”(传输线路或电路)或“场”(静电场或交变电磁场)耦合到被干扰设备中的。
1、电磁噪声传导耦合(1)直接传导耦合。
电导性直接传导耦合最简单、最常见，但它也是最易被人们忽视的一种耦合方式。
在考虑电磁兼容性问题时，必须考虑导线不但有电阻足，而且有电感L，漏电阻R，以及杂散电容C。
在实际使用中尤其是频率比较高时，这些分布参数对信号的传输有着十分重要的影响。
如何考虑分布参数的影响与传输线的长度密切相关。
根据传输线的长度与传输信号频率的关系可把传输线分为长线和短线，对短信号线不必进行阻抗匹配，而对长信号线应在终端进行阻抗匹配。
(2)公共阻抗耦合。
当干扰源的输出回路与被干扰电路存在一个公共阻抗时，两者之间就会产生公共阻抗耦合。
干扰源的电磁噪声将会通过公共阻抗耦合到被干扰电路而产生干扰。
所谓“公共阻抗”通常不是人们故意接人的阻抗，而是由公共地线和公共电源线的引线电感所造成的阻抗和不同接地点问的电位差造成的寄生耦合。
公共阻抗耦合主要包括公共地阻抗耦合和公共电源阻抗耦合。
(3)共模电流和差模电流。
干扰电流在导线上传输时有两种方式：共模方式和差模方式。
一对导线上如流过差模电流则两条线上的电流大小相等、方向相反，一对导线上如流过共模电流则两条线上的电流方向相同，一般有用信号都是差模电流。
干扰在传输线上既可以差模方式出现，也可以共模方式出现。
2、电磁辐射耦合常把干扰源通过电场的耦合看成是电容性耦合(电场耦合)，通过磁场的耦合看成电感性耦合，电场与磁场同时存在则为电磁场耦合。
(1)电容性耦合。
当干扰源产生的干扰波以电压形式出现时，干扰源与信号电路之间就存在电场(电容性耦合)。
这时，干扰电压经电容耦合到信号电路。
抑制电容性耦合可采取合理布置电路及电场屏蔽等措施。
(2)电感性耦合。
交流载体，如交流电动机、动力线、发电动机、变压器等，必将在载体周围空间产生工频磁场，干扰其周围的电路及电子装置。
当变送器、热电偶等小信号通过较长的信号线传送时，在信号传送途中经常会受到这种交变磁场的干扰。
(3)电磁场耦合。
远场时电场与磁场干扰之比等于常数，通称为电磁场耦合。
大功率的高频发生装置(如高频加热炉)、晶闸管变流装置、整流子电动机的电刷滑环、开关、继电器、接触器等节点开断时产生的电弧，电焊机的弧光，电车集电环产生的火花，以及航空雷达信号等，都将产生强烈的电磁波，并以空间辐射的形式干扰电子设备。
电子设备中长的信号输入/输出线和控制线等也具有天线效应，即能够辐射干扰波和接收干扰波。
离干扰源较远的地区干扰主要是由辐射电磁场造成的。
3、串扰当信号平行且距离很近时，由于线间互感和互容的存在，在相邻两信号之间产生的干扰，称为串扰。
当两根信号线紧靠在一起或当信号线与地距离很近时串扰严重。
若将发送线和接收线改用两对双绞线，其中一根在始端和终端接地。
对于一般TTL电路就比较安全了。
4、浪涌浪涌顾名思义就是瞬间出现超出稳定值的峰值，它包括浪涌电压和浪涌电流。
浪涌电压是指的超出正常工作电压的瞬间过电压。
本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。
可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。
浪涌电流是指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流。
它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏,如PN结电容击穿,电阻烧断等等。
2．常用的干扰抑制技术电磁干扰的抑制要从干扰源、传播途径、接收器三个方面着手，切断干扰耦合的途径，干扰的影响也将被消除。
常用的方法有滤波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔离等。
2.1 屏蔽技术屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播及切断辐射电磁噪声的传输途径。
通常用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离。
如果目的是防止噪声源向外辐射场的干扰，则应该屏蔽噪声源，这种方法称主动屏蔽EMI知识-------电磁干扰的屏蔽方法电磁兼容性(EMC)是指“一种器件、设备或系统的性能，它可以使其在自身环境下正常工作并且同时不会对此环境中任何其它设备产生强烈电磁干扰(IEEE C63.12-1987)。
”对于无线收发设备来说，采用非连续频谱可部份实现EMC性能，但是很多有关的例子也表明EMC并不总是能够做到。
例如在笔记本计算机和测试设备之间、打印机和台式计算机之间以及行动电话和医疗仪器之间等都具有高频干扰，我们把这种干扰称为电磁干扰(EMI)。
EMC问题来源所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化，有时变化速率还相当快，这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中。
EMI有两条途径离开或进入一个电路：辐射和传导。
信号辐射是藉由外壳的缝、槽、开孔或其它缺口泄漏出去；而信号传导则藉由耦合到电源、信号和控制在线离开外壳，在开放的空间中自由辐射，从而产生干扰。
很多EMI抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现，大多数时候下面这些简单原则可以有助于实现EMI屏蔽：从源头处降低干扰；藉由屏蔽、过滤或接地将干扰产生电路隔离以及增强敏感电路的抗干扰能力等。
EMI抑制性、隔离性和低敏感性应该作为所有电路设计人员的目标，这些性能在设计阶段的早期就应完成。
对设计工程师而言，采用屏蔽材料是一种有效降低EMI的方法。
如今已有多种外壳屏蔽材料得到广泛使用，从金属罐、薄金属片和箔带到在导电织物或卷带上喷射涂层及镀层(如导电漆及锌线喷涂等)。
无论是金属还是涂有导电层的塑料，一旦设计人员确定作为外壳材料之后，就可着手开始选择衬垫。
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=1.314(f×σ×μ)1/2×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=321.8-(20×lg r)-(30×lg f)-[10×lg(μ/σ)] R(磁)dB=14.6+(20×lg r)+(10×lg f)+[10×lg(μ/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屏蔽材料供货商以及有关咨询机构寻求解决。