电磁兼容原理与技术
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1.1 电磁干扰及其危害

电磁干扰现象普遍存在于人类生活的空间。对于电磁干扰问题的研究可追溯到19世纪末期,1881年英国科学家希维赛德(Heavislde)发表的文章“论干扰”可以说是首开了电磁干扰问题研究之先河。英国有关部门曾经对1000例干扰问题进行了分析研究,发现有一半以上是由电气设备引起的。20世纪30年代,国际无线电干扰特别委员会(CISPR)在巴黎成立,开始了对电磁干扰问题进行国际性有组织的研究。可以这样说,当电子、电气设备运行时发射出的电磁能量影响到其他设备的正常工作时,我们就说产生了电磁干扰效应,或简称为电磁干扰。

电磁干扰的危害是多方面的,其危害程度也不尽相同,人们通常将电磁干扰的危害程度分为五个等级,即灾难性的、非常危险的、中等危险的、严重的、使人烦恼的。

下面介绍电磁干扰危害的几种主要表现。

1.对电子设备或系统的危害

电磁干扰会对电子设备或系统产生影响,特别是对包含半导体器件的设备或系统产生严重的影响。强电磁发射能量将使电子设备中的元器件性能降低或失效,最终导致设备或系统损坏。例如,强电磁场照射可使半导体器件的结温升高,造成PN结击穿,使器件性能降低或失效;强电磁脉冲在高阻抗、非屏蔽线上感应的电压或电流可使高灵敏度部件受到损坏等。下面介绍一些已见诸报刊或专著的典型电磁干扰事例。

(1)1967年11月14日上午,土星V-阿波罗12火箭-载人飞船发射后飞行正常。起飞后36.5s,飞行高度为1920m时,火箭遭到雷击;起飞后52s,飞行高度为4300m时,火箭再次遭到雷击。这便是轰动一时的大型运载火箭-载人飞船在发射中诱发雷击的事件。究其原因,此次事故是由于火箭及其发动机火焰所形成的导体(火箭与飞船共长100m,火焰折合导电长度约200m)在飞行中使云层至地面之间以及云层至云层之间人为地诱发了雷电所造成的。

(2)1971年11月5日,欧罗巴Ⅱ火箭发射。火箭起飞后105s,高度约为27km时,制导计算机发生故障,火箭姿态失控,约1分钟后火箭炸毁。故障分析和模拟试验结果表明,这次事故是由静电放电引起计算机故障所引发的。

(3)1962年进行的民兵Ⅰ导弹战斗弹状态飞行试验,前两发弹均遭到失败。这两发弹的故障现象相似,在炸毁之前,两发弹的制导计算机都受到脉冲干扰而失灵。分析表明,故障是由于导弹飞行到一定高度时,在相互绝缘的弹头结构与弹体结构之间出现了静电放电,它产生的干扰脉冲破坏了计算机的正常工作而造成的。

(4)1982年,英(国)阿(根廷)马岛(马尔维那斯群岛)之战,英国的一艘导弹驱逐舰,由于要进行远程通信而将雷达系统关闭,因此未能及时发现进攻之敌,被阿根廷发射的飞鱼导弹击沉。这是未解决好舰上的雷达系统与通信系统间的电磁兼容问题而造成灾难的事例。

(5)1997年8月13日12~14时,深圳黄田机场地空通信不断受到干扰而被迫关闭两小时。查其原因是一些单位或个人擅自设置传呼台,且发射功率过大。这是国内第一起因传呼台无线电发射造成的“空中杀手”关闭机场的事件。

综上所述,电磁干扰可能使电子设备或系统的工作性能偏离预期的指标,即性能降级,甚至使设备或系统失灵,严重时还会摧毁设备或系统。

2.对武器装备及燃油的危害

现代武器装备大量使用电引爆装置来完成各种功能,成为武器装备系统的重要组成部分。例如,导弹使用电引爆装置来完成点燃固体燃料、启动继电器、起爆战斗部等。大功率无线电发射机(如雷达发射机)产生的强辐射场可使灵敏的电引爆装置失控而过早地启动,最终引起系统误发射、制导系统偏离正常飞行轨道、轰炸机误投弹等灾难性后果。对燃油的潜在危害是由电磁辐射感应电压引起的火花(或电弧)所引起的,研究结果表明,频率为24~32MHz的电磁辐射场强达到37V/m时就可能引起电弧和电火花放电使燃油燃烧。

3.对人体的危害

为研究电磁辐射对人体的影响,可将人体等效为介电体,并以等效介电系数和等效电阻率为其电参数。当电磁波照射到人体时,有一部分电磁波被反射,一部分被吸收。电磁波对人体将产生各种各样的影响,其影响程度与电磁波的频率、功率密度、照射时间、波形、生物体的构造,以及环境温度、湿度等因素有关,因而问题是相当复杂的。通常将电磁辐射对人体的影响归纳为热效应与非热效应。

生物体受到高强度电磁辐射作用时,使生物体物质产生极化和定向弛豫现象,物质分子产生热运动,使生物体的温度上升,这就是热效应。当热效应升温超过体温调节能力时,温度平衡失调,并因此出现生理功能紊乱和病理变化等各种生物效应。

生物体在长时间的低电平电磁能辐射作用下,也会引起电磁生物效应,这类效应与热效应不同,称之为非热效应。产生非热效应时,人体温度没有明显上升,但在低电平场长时间作用下,或在某一特定频段上,也会引起对生物体的损害。非热效应的机理尚不完全清楚,一般认为在一定频率的电磁照射下,将使细胞分子产生共振作用,使神经系统功能紊乱或失调,以及影响心血管系统。

热效应与非热效应的划分界限并非很明确,通常以比吸收率(SAR)的大小来划分。当SAR>1W/kg时,认为是热效应;当SAR<0.1W/kg时,认为是非热效应;处在两者之间则认为是模糊的。