詳解電磁環(huán)境與電磁兼容區別與特性

一、引言

        隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)生活質(zhì)量日益提高。信息化、自動(dòng)化快速地進(jìn)入普通家庭、家庭使用的電子、電氣設備愈來(lái)愈多，導致電磁環(huán)境日益惡化。所謂電磁環(huán)境(Electromagnetic Environment)，就是指在傳輸媒質(zhì)是泛指種類(lèi)傳輸線(xiàn)、纜和空間傳輸媒質(zhì)。電磁場(chǎng)或電信號包括各種類(lèi)型的電信號、電磁波。頻率從接近直流、低頻直到微波、毫米波、亞毫米波；信號的形式各種各樣，有脈沖式的，也有連結波。有的還被各種調制方式所調制。這些電磁波和電信號是由成千上萬(wàn)，甚至幾百萬(wàn)信號源所產(chǎn)生的。輻射源的類(lèi)型多，而且復雜多變。信號密度可以超過(guò)每秒百萬(wàn)脈沖。這些電磁信號，可以對人類(lèi)的身體直接產(chǎn)生影響，產(chǎn)生所謂電磁波生物效應。也可以對各種電器、電子設備的工作產(chǎn)生影響，使其工作性能降低，甚至破壞其正常工作。

二、電磁干擾的頻譜分布

      信息化社會(huì )的電磁環(huán)境異常復雜，而且愈來(lái)愈復雜。電磁干擾分布在整個(gè)電磁波頻譜。如果按*常見(jiàn)的干擾的頻譜來(lái)劃分，則可粗略分為以下幾個(gè)頻段：

1. 工頻干擾：頻率50～60Hz左右，主要是輸、配電系統以及電力牽引系統所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)輻射;

2. 甚低頻干擾：30KHz以下的干擾輻射、雷電、核爆炸以及地震所產(chǎn)生的電磁脈沖，其能量主要分布在這一頻段;

3. 長(cháng)波信號干擾：頻率范圍10KHz～300KHz。包括高壓直流輸電諧波干擾、交流輸電諧波干擾及交流電氣鐵道的諧波干擾等;

4. 射頻、視頻干擾：頻譜在300KHz～300MHz。工業(yè)醫療設備(ISM)、輸電線(xiàn)電暈放電、高壓設備和電力牽引系統的火花放電以及內燃機、電動(dòng)機、家用電器、照明電器等都在此范圍;

5. 微波干擾：頻率從300MHz~300KHz，包括高頻、超高頻、極高頻干擾;

6. 核電磁脈沖干擾：頻率由KHz直到接近直流，范圍很寬。

三、有意電磁干擾(Intentional Electromagnetic Interference, IEMI)

        近年來(lái)，出現有意電磁干擾(IEMI)這個(gè)名詞。它指的是恐怖分子、犯罪分子，以及黑客為破壞電子和電器設備的正常運行而釋放的各類(lèi)電磁干擾。黑客的活動(dòng)和可能有些不同，但是造成的后果是一樣的。*近，科技界非常重視研究和評估有意電磁干擾對人類(lèi)生活的威脅。

        1999年2月，在蘇黎世電磁兼容會(huì )議上，舉行了一次關(guān)于IEMI的專(zhuān)題研討會(huì )。大家同意將IEMI定義為：為了恐怖和犯罪的目的，惡意的制造電磁能量，對電器和電子系統和設備產(chǎn)生噪聲和信號，因而擾亂、中斷、或者破壞這些系統和設備。在這個(gè)定義中沒(méi)有明確提及黑客，但在在大多數國家，為了商業(yè)利益而對“娛樂(lè )”系統的攻擊，都是非法的。

        IEMI的威脅是確實(shí)存在的?？植阑顒?dòng)對世界的威脅正在增加，IEMI是一種新的恐怖手段?？梢噪[蔽的、穿過(guò)許多物理障礙(如墻壁、國界等)實(shí)施攻擊。我國的衛星電視廣播幾次受到干擾、插播，就是屬于IEMI。

四、IEMI的一般特性

       從信號類(lèi)型來(lái)看，電磁環(huán)境的電磁干擾可以分為有兩大類(lèi)，一是寬頻帶的，一是窄頻帶的。從能量傳輸的方式來(lái)看，也有兩種方式，一是輻射式的，另外一種是傳導型的。窄頻帶攻擊信號波形差不多是單一頻率(一般相對于中心頻率的頻帶寬度小于1%)，在一定的時(shí)間(一般是微秒的量級)間隔內輻射。*有可能受到影響的設備頻率大致在0.3~3GHz之間。當然，在這個(gè)頻率范圍之外的設備工作性能也可以遭到影響，特別是有諧振的系統。這類(lèi)電磁輻射也可能有調制。一般稱(chēng)這種輻射為大功率微波輻射(HPM)。這個(gè)名詞也包括微波以外的輻射。

寬頻帶發(fā)射一般是時(shí)域上的脈沖，并且是重復式的。寬帶輻射的能量分布在一個(gè)很寬廣的頻帶上。例如，超帶寬脈沖(UWB)，一般上升時(shí)間為0.1納秒，下降時(shí)間在1納秒左右。因此能量分布在一個(gè)非常寬廣的頻譜上。

       窄頻帶干擾信號的能量集中在單一的頻率，很容易產(chǎn)生出每米幾百千伏的場(chǎng)強?？梢詫υO備造成長(cháng)久性的破壞。相反，寬帶電磁干擾的能量分布在各個(gè)頻率，所以場(chǎng)強相對較弱。正是因為它的能量分布在許多頻率上，對一個(gè)系統來(lái)說(shuō)，許多頻率都可能受到影響，而且這種干擾多半是重復式的，持續幾秒鐘，甚至上幾分鐘，增加了設備受害的可能性。

        以上的干擾，和電磁兼容所處理的其他干擾一樣，可以通過(guò)輻射方式進(jìn)入電子設備，也可以通過(guò)導線(xiàn)和電纜進(jìn)入設備。對于輻射干擾，似乎是高于100MHz的頻率的輻射*受到人們的關(guān)注。這種輻射很容易穿透沒(méi)有設防的墻壁，進(jìn)入建筑物內部，耦合到機器設備。而且這個(gè)頻段的天線(xiàn)可以做的很校按照IEC標準61000-4-3所做的測試表明，一般的商用設備，在場(chǎng)強3~10V/m(80MHz~2.5GHz)時(shí)，就很容易受到影響。當然，設備的程式不同，受干擾的程度也不一樣。

        對于寬頻帶輻射，IEC使用靜電放電測試(61000-4-2)，在靜電放電的電弧附近，產(chǎn)生高達1KV/m的峰值電常這個(gè)峰值的上升時(shí)間為0.7納秒，下降時(shí)間約為30納秒。這樣可以模擬電磁干擾輻射的情況。

五、自然產(chǎn)生的電磁干擾

        原則上說(shuō)，所有的電器、電子設備都可能產(chǎn)生電磁干擾。但是有的嚴重，有的比較微弱。一些主要的產(chǎn)生電磁干擾信號的設備和裝置大致如下。

1.輸電線(xiàn)電暈雜波。關(guān)于輸電線(xiàn)的已有許多實(shí)測數據，基于這些數據，可以求得計算電暈雜波的實(shí)用公式。然而關(guān)于這種雜波的發(fā)生機理、發(fā)射及傳播特性還不完全清楚，在這方面的理論仍需繼續探討。

2. 汽車(chē)雜波。汽車(chē)雜波是產(chǎn)生甚高頻(VHF)至特高頻(UHF)頻段城市雜波的主要原因。根據其強度和特性的測定結果，也可采取相應措施，使廣播和電視的質(zhì)量基本不受影響。但*近由于電子設備用于汽車(chē)控制，移動(dòng)通信設備的廣泛應用，這個(gè)問(wèn)題又被重新提出。斯坦福研究所(SRI)對點(diǎn)火系統發(fā)射雜波的主要部件-點(diǎn)火栓、配電器接點(diǎn)等進(jìn)行了改進(jìn)，使處于30MHz~500MHz頻段的雜波降低了13~20分貝。此外還有人求出6引擎發(fā)動(dòng)機各點(diǎn)火栓的脈沖雜波振幅分布。對配電器的情況，若電極間隙從0.27mm~2.39mm，則雜波可下降10分貝。若在負荷電極上增加銀接點(diǎn)，或用多發(fā)合金覆蓋，也可降低雜波。點(diǎn)火系統以外的汽車(chē)電裝置也能發(fā)出雜波，其特性正在測試研究中。

3. 接觸雜波。大體可分為接觸器自身雜波及導體開(kāi)合時(shí)放電而引起的雜波。繼電器和電機觸點(diǎn)、整流子電刷間的開(kāi)合所產(chǎn)生的放電雜波在人為雜波中占相當大的比例。

4. 電氣機車(chē)雜波。電氣機車(chē)運行時(shí)，導電、弓架與觸線(xiàn)間的放電也是人為雜

波的根源之一。如果導電弓架的電流通路用濾波材料包圍起來(lái)并采用一些輔助措施，可將雜波降低20分貝，但至今尚未找到防止雜波的**有效的方法。

5. 工業(yè)科學(xué)醫療用射頻設備(ISM)雜波。ISM設備是把50Hz交流通過(guò)射頻振蕩變?yōu)樯漕l的變頻裝置、用于工業(yè)感應和電介質(zhì)加熱、醫療電熱法和外科手術(shù)工具以及超聲波發(fā)生器、微波爐等。雖然ISM設備本身有屏蔽，但有縫隙、孔油、管線(xiàn)進(jìn)出和接地**等，仍將有電磁場(chǎng)泄漏形成干擾。

6. 城市雜波。由于城市雜波與社會(huì )活動(dòng)有密切的關(guān)系，它總是隨時(shí)代而變化。在日本每年都定期進(jìn)行城市雜波測試。歐美也有不少學(xué)者專(zhuān)家收集雜波測試數據。我國這一工作也已開(kāi)始。城市雜波的根源、程度及特性等均在隨時(shí)變化，其測試方法及統計處理的方法都還有待進(jìn)一步探討。

7. 其他。以上主要介紹了幾種人為雜波的現狀及存在的問(wèn)題。此外，如靜電放電、無(wú)線(xiàn)電臺的異常動(dòng)作有時(shí)也很有害。況且幾乎所有機器設備的電源線(xiàn)上都有瞬變產(chǎn)生的各種雜波混合波在傳播著(zhù)，這樣就會(huì )引起機器的誤動(dòng)作。隨著(zhù)數字電路的普遍采用，問(wèn)題就更加嚴重。另外，還發(fā)現有不明原因的干擾存在。食品工業(yè)的自動(dòng)化鍋爐點(diǎn)火器的微動(dòng)開(kāi)關(guān)也有接觸**的情況，因此也很有必要加速研究以探明產(chǎn)生這些雜波的原因。

六、核電磁脈沖

       核爆炸時(shí)大家都知道有三大效應：沖擊波、熱輻射(光輻射)和放射性沾染。實(shí)際上核武器還有第四種效應-電磁脈沖(Electromagnetic Pulse)，簡(jiǎn)稱(chēng)EMP。如果讓氫彈在大氣層外的高空爆炸，由于沒(méi)有空氣，就不產(chǎn)生沖擊波，也不生成熱輻射，而放射性塵屑又隨距離的平方而減弱，再經(jīng)大氣層吸收，所以到達地面時(shí)已很微弱，對人無(wú)害。然而在100公里以上的高空進(jìn)行核爆，可在幾百萬(wàn)平方公里的地域上產(chǎn)生很強的電磁脈沖(50~100kV/m)。目前美、俄等國正在研制中的第三代核武器之一就是核電磁脈沖彈。這里就突出了核爆炸的電磁脈沖效應。如果說(shuō)一般的核武器以電磁脈沖形式釋放的能量?jì)H占核彈總釋放能量的3/1010至3/105，而核電磁脈沖彈則可將此值提高到40%。EMP的后果是破壞電氣及電子設備而毫不傷害人，正好與中子彈相反。EMP可使敵方指揮、控制、通信和情報(Command, Control, Communication Intelligence，簡(jiǎn)寫(xiě)為C3I)系統遭到破壞癱瘓、電力網(wǎng)斷路、金屬管線(xiàn)及地下電纜通信網(wǎng)等都受到影響，而陷入無(wú)電源、無(wú)通信、無(wú)計算機的三無(wú)世界。正由于不殺傷人，這就使核武器“常規化”，從而更增加了核戰爭的危險性。

七、小結

       由于80年代以來(lái)，電子設備發(fā)生了根本性的變化，集成電路取代了晶體管，這就使抗毀(高壓大電流擊穿燒壞)能力大大下降。集成電路的電流為晶體管的千分之一，為電子管的百萬(wàn)分之一乃至千分之一。核電磁脈沖已成為電子設備的致使威脅。微電子技術(shù)水平愈高，電子設備的抗毀能力就愈差。無(wú)怪乎現在俄羅斯某些**飛機，無(wú)線(xiàn)電臺還采用超小型電子管而不用晶體管和集成電路。有很多國家野戰電臺還是用分立元件裝配。