詳解電磁環(huán)境與電磁兼容區(qū)別與特性

一、引言

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類生活質(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(shè)備愈來(lái)愈多，導(dǎo)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)是泛指種類傳輸線、纜和空間傳輸媒質(zhì)。電磁場(chǎng)或電信號(hào)包括各種類型的電信號(hào)、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(hào)的形式各種各樣，有脈沖式的，也有連結(jié)波。有的還被各種調(diào)制方式所調(diào)制。這些電磁波和電信號(hào)是由成千上萬(wàn)，甚至幾百萬(wàn)信號(hào)源所產(chǎn)生的。輻射源的類型多，而且復(fù)雜多變。信號(hào)密度可以超過(guò)每秒百萬(wàn)脈沖。這些電磁信號(hào)，可以對(duì)人類的身體直接產(chǎn)生影響，產(chǎn)生所謂電磁波生物效應(yīng)。也可以對(duì)各種電器、電子設(shè)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(fù)雜，而且愈來(lái)愈復(fù)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(tǒng)以及電力牽引系統(tǒng)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(zhǎng)波信號(hào)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(yī)療設(shè)備(ISM)、輸電線電暈放電、高壓設(shè)備和電力牽引系統(tǒng)的火花放電以及內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、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(xiàn)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(shè)備的正常運(yùn)行而釋放的各類電磁干擾。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(píng)估有意電磁干擾對(duì)人類生活的威脅。

        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(duì)電器和電子系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生噪聲和信號(hào)，因而擾亂、中斷、或者破壞這些系統(tǒng)和設(shè)備。在這個(gè)定義中沒(méi)有明確提及黑客，但在在大多數(shù)國(guó)家，為了商業(yè)利益而對(duì)“娛樂(lè)”系統(tǒng)的攻擊，都是非法的。

        IEMI的威脅是確實(shí)存在的?？植阑顒?dòng)對(duì)世界的威脅正在增加，IEMI是一種新的恐怖手段。可以隱蔽的、穿過(guò)許多物理障礙(如墻壁、國(guó)界等)實(shí)施攻擊。我國(guó)的衛(wèi)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(hào)類型來(lái)看，電磁環(huán)境的電磁干擾可以分為有兩大類，一是寬頻帶的，一是窄頻帶的。從能量傳輸?shù)姆绞絹?lái)看，也有兩種方式，一是輻射式的，另外一種是傳導(dǎo)型的。窄頻帶攻擊信號(hào)波形差不多是單一頻率(一般相對(duì)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(jí))間隔內(nèi)輻射。*有可能受到影響的設(shè)備頻率大致在0.3~3GHz之間。當(dāng)然，在這個(gè)頻率范圍之外的設(shè)備工作性能也可以遭到影響，特別是有諧振的系統(tǒng)。這類電磁輻射也可能有調(diào)制。一般稱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(fù)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(hào)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(qiáng)?？梢詫?duì)設(shè)備造成長(zhǎng)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(qiáng)相對(duì)較弱。正是因?yàn)樗哪芰糠植荚谠S多頻率上，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)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(fù)式的，持續(xù)幾秒鐘，甚至上幾分鐘，增加了設(shè)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(shè)備，也可以通過(guò)導(dǎo)線和電纜進(jìn)入設(shè)備。對(duì)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(shè)防的墻壁，進(jìn)入建筑物內(nèi)部，耦合到機(jī)器設(shè)備。而且這個(gè)頻段的天線可以做的很校按照IEC標(biāo)準(zhǔn)61000-4-3所做的測(cè)試表明，一般的商用設(shè)備，在場(chǎng)強(qiáng)3~10V/m(80MHz~2.5GHz)時(shí)，就很容易受到影響。當(dāng)然，設(shè)備的程式不同，受干擾的程度也不一樣。

        對(duì)于寬頻帶輻射，IEC使用靜電放電測(cè)試(61000-4-2)，在靜電放電的電弧附近，產(chǎn)生高達(dá)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(shè)備都可能產(chǎn)生電磁干擾。但是有的嚴(yán)重，有的比較微弱。一些主要的產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)的設(shè)備和裝置大致如下。

1.輸電線電暈雜波。關(guān)于輸電線的已有許多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)，可以求得計(jì)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(jī)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(xù)探討。

2. 汽車雜波。汽車雜波是產(chǎn)生甚高頻(VHF)至特高頻(UHF)頻段城市雜波的主要原因。根據(jù)其強(qiáng)度和特性的測(cè)定結(jié)果，也可采取相應(yīng)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(shè)備用于汽車控制，移動(dòng)通信設(shè)備的廣泛應(yīng)用，這個(gè)問(wèn)題又被重新提出。斯坦福研究所(SRI)對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)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(jī)各點(diǎn)火栓的脈沖雜波振幅分布。對(duì)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(fù)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(tǒng)以外的汽車電裝置也能發(fā)出雜波，其特性正在測(cè)試研究中。

3. 接觸雜波。大體可分為接觸器自身雜波及導(dǎo)體開(kāi)合時(shí)放電而引起的雜波。繼電器和電機(jī)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(dāng)大的比例。

4. 電氣機(jī)車雜波。電氣機(jī)車運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)電、弓架與觸線間的放電也是人為雜

波的根源之一。如果導(dǎo)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(yī)療用射頻設(shè)備(ISM)雜波。ISM設(shè)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(yīng)和電介質(zhì)加熱、醫(yī)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(shè)備本身有屏蔽，但有縫隙、孔油、管線進(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(cè)試。歐美也有不少學(xué)者專家收集雜波測(cè)試數(shù)據(jù)。我國(guó)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(cè)試方法及統(tǒng)計(jì)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(xiàn)狀及存在的問(wèn)題。此外，如靜電放電、無(wú)線電臺(tái)的異常動(dòng)作有時(shí)也很有害。況且?guī)缀跛袡C(jī)器設(shè)備的電源線上都有瞬變產(chǎn)生的各種雜波混合波在傳播著，這樣就會(huì)引起機(jī)器的誤動(dòng)作。隨著數(shù)字電路的普遍采用，問(wèn)題就更加嚴(yán)重。另外，還發(fā)現(xiàn)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(yīng)：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(yīng)-電磁脈沖(Electromagnetic Pulse)，簡(jiǎn)稱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(dá)地面時(shí)已很微弱，對(duì)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(qiáng)的電磁脈沖(50~100kV/m)。目前美、俄等國(guó)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(yīng)。如果說(shuō)一般的核武器以電磁脈沖形式釋放的能量?jī)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(shè)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(bào)(Command, Control, Communication Intelligence，簡(jiǎn)寫為C3I)系統(tǒng)遭到破壞癱瘓、電力網(wǎng)斷路、金屬管線及地下電纜通信網(wǎng)等都受到影響，而陷入無(wú)電源、無(wú)通信、無(wú)計(jì)算機(jī)的三無(wú)世界。正由于不殺傷人，這就使核武器“常規(guī)化”，從而更增加了核戰(zhàn)爭(zhēng)的危險(xiǎn)性。

七、小結(jié)

       由于80年代以來(lái)，電子設(shè)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(shè)備的致使威脅。微電子技術(shù)水平愈高，電子設(shè)備的抗毀能力就愈差。無(wú)怪乎現(xiàn)在俄羅斯某些**飛機(jī)，無(wú)線電臺(tái)還采用超小型電子管而不用晶體管和集成電路。有很多國(guó)家野戰(zhàn)電臺(tái)還是用分立元件裝配。