電磁相容設計技術 1-3

evanwei

  1 前言
隨著科學技術的發達人們在生產與生活中使用的電氣及電子裝備的數量越來越多
這些裝備在工作的同時往往會產生一些有用的或無用的電磁能量這些能量將影響其他
裝備的正常工作從而形成了電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)。這些人為干擾及
自然干擾，可能使系統或裝備的性能發生有限度的降級，甚至於可能使系統或裝備異
常，即性能發生永久性下降，干擾嚴重時會使系統或裝備發生失效或事故。例如：由
於雷電和靜電放電干擾和其他人為干擾，使火箭、飛彈發射後出現計算機失效或自毀
系統誤爆而炸毀的事件多次發生。各種強電干擾可能引起易揮發燃料的自燃，彈藥和
含電爆裝置的自爆，交通工具上電子自控系統的失效等事故，同時，長期的電磁輻射
將影響人體健康而造成電磁污染。
客觀事實使人們認識到電磁干擾的嚴重性，為了保障電子系統與裝備的正常工
作，必須研究電磁干擾現象，分析預估干擾，限制人為干擾強度，研究抑制干擾的有
效技術與手段，提高抗干擾能力，並進行合理的設計，以使共同環境中的系統與裝備
能執行各自的正常功能，這種對電磁環境進行設計的新學科領域，就是電磁相容
(electromagnetic compability, EMC)。
此外，一般外銷至美國、加拿大或歐洲等地區的電器產品，諸如電視機、無線電
調頻接收機、無線電收發信號等，都受到電磁干擾輻射的限制。雖然各地區所訂定的
限制標準不盡相同，但是對於這種電磁干擾的限制，主要是在保護大多數使用者的安
全與利益，使電器使用者在使用這些產品時，不會妨礙到其他使用類似電器產品的人
的信號接收功能，或者是自己受到其他使用者的電磁干擾而影響到自己的接收。
通常所有的無線電接收機，其操作頻率範圍在30MHz到800MHz之間。以美國為
例，在運送或銷售這些產品到美國之前，必須先取得美國聯邦通信委員會(FCC)之認可
後，才可以在美國市場上銷售。因此，如何瞭解電子系統之電磁干擾及如何設計電子
系統，使其能在電磁環境中本身既不受干擾又不會對其它系統造成干擾是相當重要的
設計課題。
2 電磁特性
電磁擾動能量會隨時間變化，且以有限的速度在空間傳輸，稱之為電磁波動。電
磁波的電場能量與磁場能量能夠在空間中傳輸，當電磁能量向遠方傳播而不再返回能
源的現象稱為輻射性電磁能量。電磁能量為空間、時間與頻率的函數，一般以功率密
度為表示其基本單位。
傳導性電磁能量可用電流或電壓(A or V)表示，輻射性電磁能量則以單位頻率之電
壓(V m)表示，Pd= F (r, ø, f , t)=P0G(ö,ø)Lp
式中p d為電磁能量密度(W/m2)，P0為電磁輸出功率(W)，G(q, f)為方向增益係數， Lp
為傳輸路徑損耗，在自由空間的傳數路徑損耗為：
Lp=(1/4ör)*(1/4ör)
其中r 為觀測點至電磁能源之距離(m)。
對大多數民用裝備而言，建議的電磁環境能量為：
(1). 10 kHz – 25 MHz，E =1V m =120 dBmV m；
(2). 25 MHz – 1 GHz，E =10V m =140dBmV m。
對軍用裝備而言，建議的電磁環境能量為：
(1). 10 kHz – 25 MHz，E =1V m =120 dBmV m；
(2). 25 MHz – 1.2 GHz，E =10V m =140dBmV m；
(3). 1.2 GHz – 10 GHz，E =100V m =160dBmV m。
3 電磁干擾概述
一般生產與生活中使用的電氣及電子裝備在工作的同時往往會產生一些有用的或
無用的電磁能量這些能量將影響其他裝備的正常工作從而形成了電磁干擾
(electromagnetic interference, EMI)。電磁干擾係指任何引起電子系統或裝備功能降低或失
效等不良反應的電磁輻射訊號，包括人為或自然產生者，但故意產生以欺矇敵方之反
制用電磁輻射除外，因此EMI乃是現象的描述。例如：繼電器在通、斷作用時所產生的
瞬間電磁脈衝可能使計算機工作失常；汽車行駛過或飛機低飛過住宅時，將干擾電視
機和收音機的正常工作，使電視機出現雜亂的畫面，使收音機收到討厭的雜訊。嚴格
地說，只要把兩個以上的元件放在同一環境中工作，就會產生電磁干擾。在兩個系統
之間會出現系統間的干擾，例如飛機航管系統、船上電子系統、雷達系統、通信系
統、電視與廣播系統等等，相互之間都會出現干擾。
在系統內部各裝備之間會出現裝備間的干擾，例如：汽車內自動點火系統對汽車
內收音機的干擾，雷達發射機對雷達接收機的干擾等，稱為系統內干擾。
在太空飛行器、飛機、艦船中，大量的電子裝備安裝在密集的狹小空間，相互間
的電磁干擾非常嚴重。例如：短波接收機遭到阻塞干擾，通信發射機會干擾雷達的工
作；在飛機或艦艇上，一般安裝許多種雷達，當所有的雷達同時工作時，一部雷達可
能遭受幾部雷達的干擾；在戰鬥機中，由於飛機軍艦上的防衛電子系統和戰鬥系統攻擊電子系統的相互干擾不能同時兼容工作，而遭到敵方發射飛彈攻擊的案例屢見不鮮
的。由於電磁干擾問題無法解決，使新型太空船、衛星、飛機、艦艇等產品長期不能
投入使用，而增加研製時間與經費更是不乏其例。