1.4 EMC的研究方法

EMC已经成为电气、电子科学中的一个重要分支，形成一门综合性的边缘学科。它所跨学科之多反映了当今世界高科技发展的特征之一，即综合基础与高精尖相结合的特征。具体地说，EMC是与电磁环境密切相关的一门应用学科，它以电气、电子学科的基本理论与技术为基础，关注并解决一切自然和人为的电磁干扰所提出的理论和技术课题，因此涉及学科之多是可以想像的。因为要解决问题，所以又是一门实践性很强的应用学科，特别重视实践技能和实际经验，正如美国Kentucky大学Dr.C.R.Paul文章所说“对于最后的成功验证，恐怕没有别的领域像EMC那样强烈地依赖于测量。”EMC之所以能够作为一门应用学科独立存在和发展是因为它能够解决其他学科所无法单独解决的各种电磁干扰问题，因此具有EMC意识已是衡量当今电气、电子科技人员素质高低的一个重要标志，缺少EMC意识，就意味着难以胜任复杂的分析和设计工作。

1.4.1 EMC设计方法的演变

EMC设计方法的历史发展过程经历了三个阶段。

1. 问题解决法（Problem Solving Approach）

问题解决法的实质是等发现EMC问题后再采取措施的方法。随着技术的发展，电气、电子设备出现电磁干扰的问题愈来愈突出，在一个设备的研制过程中有解决不完的EMC问题，而且往往顾此失彼，这些问题又多数在最后调试中发现，这时设备或系统已研制好，要解决EMC问题需要进行大量拆装，有的要重新设计、返工，这种解决问题的方法既不安全，又造成人力、财务、时间的大量浪费，在国外这种方法一直延续到20世纪50年代。目前我国大多数制造厂商仍停留在这个阶段。

2. 规范法（Specification Approach）

规范法是以贯彻相应的国、军标（或相应的国际标准）为基础，建立必备的实验条件，通过测试验证，把电气、电子设备的相互干扰抑制在相应的国、军标范围内，这种方法简便易行。美国从20世纪40年代就开始制订EMC标准，到80年代，军标开始逐步扩大到民品。美国运用这种方法较普及，从20世纪60年代一直延续到80年代，因此周期长、投资大，但仍存在“过安全”或“欠安全”的缺点，也就是说已符合EMC标准的设备或系统，在它们构成最终系统时还可能存在不兼容现象或因某些EMC标准过于苛刻而造成付出过多的代价。

随着大规模集成电路的迅猛发展和推广，产品从部件到系统的集成密度愈来愈高，直接用测试方法去确定大量存在的EMC问题可能性就愈小。

3. 系统法（System Approach）

系统法是从设备（部件）、分系统、系统的研制开始就和EMC要求结合起来的方法。一个设备的具体研制过程见表1.4。

对于EMC的部分，分别说明如下：

（1）电磁兼容性要求和知识。对于被研制的系统，从一开始就确定它的电磁兼容性要求，是进行正确设计的起点。一些重要的原则、要求和达到的目标应明确，如在这一阶段所采用的基本技术和应用指南须确定下来。

（2）电磁兼容性描述。对于设备（部件）的电磁兼容性应给予描述，它可能的电磁发射（EMI）和电磁敏感度（EMS）都需要说明。对于一个设备（部件）的电磁兼容性描述可能包括一组与电磁兼容性有关的数据并用表格给出。在这一阶段，对于从手册中已选择的一些部件，它的电磁兼容性技术指标也是至关重要的。

（3）电磁兼容性设计准则。电磁兼容性设计准则必须在器件的位置安排和布线、走线时予以遵循。这些准则被概括为一些规定，通常它们代表一些基本经验知识的总结，应把这些准则结合到设计过程中去。

（4）电磁兼容性评定。这是指要考核研制设备与原确定的电磁兼容性指标的符合性。通常必须将用计算机仿真所做的评定与实际测试所做的评定区分开来。实际测试需要有一个分系统或系统的原型样机，还必须有良好的实验室和设备，总之将测试评定法的风险降至最低程度。测试评定的范围要限于法定文件，如标准和规范所要求的程度。

另一方面，考虑到节约经费和时间，特别强调采用计算机仿真，对于电磁兼容性做反复优化设计后再进行评定。但是，要注意计算机仿真总是置于设计完成之后和完成样机之前进行。对于一些因寄生效应产生的电磁兼容性问题，计算机还难于辨别和评定。

最后，从电磁兼容性评定的要求出发，需要进行：电磁兼容性分析，通过建模、仿真、电磁兼容性规范的检查，以确定并避免可能出现的电磁兼容性问题；电磁兼容性诊断，评估和反演电磁兼容性分析的结果；电磁兼容性优化，将上述两步骤的结果与系统测试相结合，反复优化以达到系统所要求的电磁兼容性目标。

从设备（部件）到分系统、系统的要求和与EMC要求相结合的研制过程可扩展为如图1.5所示。

1.4.2 EMI的预测和分析

从以上各种EMC设计方法的简要介绍中，可领会到其核心是对电磁干扰的预测和分析，同时实践又证明基于计算机的数模预测方法是投资少、见效快、功能广泛而周期短的途径。近二十年来，英美等国均建立了完善的多功能的电磁兼容性预测程序库与数据库，几乎可对各种主要的电磁兼容性问题进行预测。

电磁兼容性预测内容包括：电磁环境预测；系统电磁干扰预测；机内耦合预测；频谱利用和管理。

1. 电磁环境和系统电磁干扰预测

这里的电磁环境预测是指待研系统在所处环境中与其他各类系统之间的电磁干扰预测，而系统电磁干扰预测是指本系统内各类设备或分系统之间的电磁干扰预测。

国外对各种干扰源、受扰器、传递媒体数学模型的建立做了深入研究，研制了各类系统内和系统间的电磁干扰预测程序。这些预测模型中普遍采用分级预测原理，由于系统中多台设备构成的散发—响应对的数目往往成千上万，仅采用一种模型去预测，不是精度不够，就是计算时间过长，因此，通常分成四个级别或阶段，它们是幅度筛选、频率筛选、详细预测和性能预测。这四级中采用的干扰源、受扰器、传递媒体的数学模型由简而繁，由粗而细，每一级筛选约将无干扰情况的90%剔除，经过这四级筛选留下来的便是干扰。

2. 机内耦合

由于机内的干扰源和受扰器之间的传递媒体很近，因此分析此种干扰情况时，通常要考虑采用合适的接地、合理的布线、对线路和电缆的屏蔽，以及电源滤波器等方法以减小干扰的影响。

美国TRW系统研制的SEMCAP程序和MDONNELL飞机公司研制的IAP程序可以对各种多芯扭绞电缆、高频同轴电缆，在不同负载和不同接地情况下，均可建立精确的数学模型去预测电缆的耦合。其中，IAP程序包含导线—导线、天线—天线、场—导线、箱体—箱体（磁场耦合）四个主程序，可分别计算四种不同耦合机理时的能量耦合。

多层印制电路板的电磁兼容设计要考虑电路的频率、带宽、阻抗、去耦，噪声分配，布局和走线以及屏蔽、滤波等因素，同样有很成功的计算机系统程序软件分别给予计算。

3. 频谱利用和管理

电磁频谱密度在频率分配过程中是一个重要的衡量指标，通常它表示频率的拥挤程度和潜在干扰的可能性，在系统规划中特别有用。它的数模预测可以估算电磁频谱密度。

国外介绍的程序包括一个主程序和四个辅助程序，主程序决定被排除的频率和完成所需的频率分配，辅助程序由主程序调用，用来确定进行频率分配的频率界限、决定一个天线相对另一个天线的取向、完成可能分配次序的排列、计算两个场地之间所需的间距等。

1.4.3 EMC设计的有效性

EMC设计的有效性是有一定范围的，下面要引入一个重要的概念和有效性的计算方法。

敏感度阈值定义为：使系统或设备不能正常工作的空间某点或电路某一特定点的干扰临界电平。该值可以通过实验或计算预测获得。

令M为系统电磁兼容安全系数，则

式中，Ps为敏感阈值；Pi为系统或设备工作时，最大的实际干扰电平。

一般无线电系统M=6dB，电爆管和火工器M=20dB，这些M值都是实测值。

根据QJ2256《系统预防电磁能量效应的设计和试验指南》规定，军事设备没有封装的M值应为-70dB～-30dB，封装后的M值应为20dB（有些资料为30dB）。由此，可以认为电磁兼容性设计的范围应为-70dB～20dB，电磁兼容性设计只能在这个范围有效。因此，系统在方案论证时，其M的预测值低于-70dB，就应该改变系统的设计方案；若M的预测高于20dB，就不必进行EMC设计。

1.4.4 EMI的控制技术

在系统研制的不同阶段，EMI控制所运用的方法和程序是不同的，其中，方案、设计、开发（样机）、生产、测试（鉴定）和运行的各个阶段均可为实施电磁兼容性工程提供一定的机会。最初的方案阶段是提供最佳费效比的机会，而最终的运行阶段提供的机会最小。对系统寿命的周期而言，拖延的时间越长，最佳机会的消失越快，最后剩余机会的费用就越大。据美国军方的统计，电磁兼容性所需的费用约占系统总成本的5%～10%。电磁兼容性获得成功的基础在于，预测电磁干扰发射与敏感度的分析能力和运行中各个阶段的有效诊断程序。

1. 系统间电磁干扰的控制技术

系统间电磁干扰形式的特点是干扰通常发生在，由各独立系统控制的两个或两个以上的分系统之间。其电磁干扰的控制技术分为：频率管理；时间管理；位置管理；方向管理四类，如图1.6所示。

2. 系统内电磁干扰的控制技术

对于系统内的电磁干扰，主要关心的是自身干扰所引起的性能恶化。但还需考虑其他的潜在问题，如本系统产生的传导、辐射发射对邻近系统的有害影响和外部产生的传导、辐射发射对系统所引起的敏感度问题。其电磁干扰的控制技术分为：电路和元器件；滤波；屏蔽；布线；接地五类，如图1.7所示。

1.4.5 EMC的仪器与测量技术

不具备适当的仪器、设备对电磁兼容性的各项指标进行测量，就不可能确切地实现上述电磁干扰的预测、分析、诊断和最终控制。

需要进行电磁干扰试验和测量的内容与范围应涉及：元器件性能测试；设计及研制测试；现场运行测试；电磁环境现场调研；系统级电磁兼容性检验与质量认证的测试。

1. 元器件性能测试

负责电磁兼容性设计或现场维护的工程技术人员的任务之一，就是要选择适合需要的控制电磁干扰的元器件。这就要求工程技术人员掌握各类元器件的综合性能数据（包含时域和频域的），如交、直流和单、三相EMI滤波器；各种电、磁屏蔽器材及各类密封衬垫材料；各类电源和信号连接器（包含带滤波器的）；电快速瞬变脉冲群抑制器；浪涌抑制器、光隔离器、隔离变压器，以及各类软磁材料和吸收材料等。体积较大的机柜和更大体积的屏蔽室也应被看做是电磁干扰的控制元器件，它们的屏蔽效能有相应的规范给以确定。

2. 设计及研制测试

这里要特别强调的是，应尽早在系统研制阶段进行电磁兼容性测试，也就是说，电磁兼容性应该作为系统的性能指标，及早地在系统的设计阶段开始，这期间的电磁兼容性测试，可以验证设计指标是否达到或是否合理，便于及时修改设计，千万不要推迟到后期的质量认证阶段进行，显然那时重新设计电磁兼容性的费用肯定超过早期实施电磁兼容性的费用，甚至往往造成不可挽回的后果，特别是小型化、高性能的电子设备。

3. 现场运行测试

最严重的情况往往发生在现场安装好的系统因电磁干扰而造成的失效，如通信系统因电磁环境造成通信失效或部分通信频道失效，又如因计算机及其网络总线选择不当，在同一电磁环境下造成数据出错、控制失灵、甚至死机等。遇此情况往往要为之付出高昂的代价。现场问题的发生，往往是以上提及的，在系统研制阶段对电磁兼容性认识不足或缺乏实际经验所导致，例如，一个独立供电的系统，往往对系统在开通或关断时，由于供电电压产生的大幅度波动，给整个系统造成的影响，认识不足或者缺乏解决问题的方法和手段。要求现场的诊断测试能查明电磁干扰引起系统故障的原因，是哪一分系统或哪一部件的电磁干扰超标造成的，并给出正确的补救措施。

4. 电磁环境现场调研

只要有可能就应该在将要安装的现场区域进行电磁环境的调研。典型的现场调研程序应包括：选择合适的测量设备；确定采集和显示数据的量纲和适当格式；确定电磁环境的传导和辐射发射参数及其频率范围；测量数据的分析和最终结果的显示。根据电磁干扰的环境等级及其他方面的综合考虑后，在待选场地中选择合适的场地，如无其他待选场地可供选择即在确定场地存在问题的情况下，现场调研所提供的环境电磁干扰电平（频率函数）资料，可以作为振幅和频率筛选程序的数据并与所设计系统（设备）的敏感度比较，以确定系统是否需要重新加固。如遇到系统不可更改即无法兼容的情况下，应提出全盘整改的意见，如对现场实施频域限制、时域限制或间隔限制等措施。最后，电磁环境的现场调研要以正式报告的形式出现。

5. 系统级电磁兼容性检验与质量认证性能测试

由于对电磁干扰发射给电磁环境造成影响的关注不断增加，导致建立了一系列国际电磁兼容规范，国际规范的极限由CISPR各成员国一致规定，但实施的程度根据各成员国的实际情况有所区别。

本章以上更详细的情况将在以下各章节中叙述。