電磁相容設計技術 4

evanwei

  4 電磁環境
現代的每一種電子系統或裝備都是在一定的電磁環境中工作，電磁環境包括自然
電磁環境與人為電磁環境。自然電磁環境起源於地球與宇宙的自然過程，而人為電磁
環境則是來自人類活動中所產生的各種電磁場。為保證系統與裝備能夠正常工作，首
先必須研究系統或裝備所處的電磁環境的特色。所謂電磁環境是指裝備、分系統或系
統在執行規定的任務時，可能遭遇到的輻射或傳導電磁量，電磁環境的大小一般是以
在不同頻率範圍的功率和時間的分佈來表示，有時亦以場強度來表示。電磁環境位準
是指在規定的試驗地點和時間內，當試驗樣品尚未通過試驗時，已存在的輻射及傳導
的信號與雜訊位準。電磁環境位準必須同時考慮人為與自然的電磁能量。
4.1 地表面自然電磁場
大地的電磁環境是人們長期以來的研究課題，迄今為止雖然仍有許多電磁現象的
產生機制尚無法完全確知或掌握，但根據觀察研究結果大致已可總結出有關地球電磁
場的分佈與變化規律。4.1.1 地表面自然磁場分佈概況
地球磁場強度隨著時間和地點不同而異，其變化範圍約在16~56 A/m之間。所謂地
球磁場強度，就是指在地球上某一地點在某一年內的平均場強度。在地球表面，該場
基本上是軸對稱的。它的水平分量的方向是由南向北，而垂直分量的方向，在北半球
是向下，在南半球則是向上。在某一地區，磁場向量和水平面的夾角稱為磁傾角。在
地球上，有兩個地點的磁傾角為90o ，該地點的磁場強度最強，稱為地球的磁極，磁極
的位置並不是固定的，隨著時間作長期變化，目前的南極在南極洲，北極則在北美
洲。磁傾角為零的點的軌跡稱為地磁赤道，它並不與地理赤道相重合，在南美地區地
磁赤道與地理赤道之間的最大偏差約為15o ，地磁赤道上的地磁場強度大約只有磁極處
的一半。
在地球表面地磁場向量的水平分量切線的軌跡稱為地磁子午線，而垂直於子午線
的線稱為磁緯線。在地表面每一點的地理子午線與地磁子午線相交成一角度，稱為磁
偏角。如果地磁子午線向東偏離地理子午線，則磁偏角為正；如果向西偏離，則為負
值。相同磁偏角各點的連線稱為等偏線。
4.1.2 地磁場起伏與磁暴
地球的磁場並不是穩定的而是變化的，這些變化可以是周期性的或是非周期性
的，慢的或是快的。一般認為，極慢的變化即所謂的長期變化(例如地球磁極的移動)是
來源於地球的內部，而快速變化則發生於地球磁層，首先是來源於太陽活動變化的影
響。這些變化一般都不大，通常不超過恒定分量的1%，習慣上以g 為單位來表示其大
小，1g =10 -10Oe(7.94A m)。
地磁場的短周期變化可以視為規則擾動，它屬於日變化，變化幅度約為幾十g ，而
不規則擾動幅度則可達數倍g 。
極大強度的擾動稱為磁暴，通常磁暴開始時場強的水平分量猛增。在中與低的地
磁緯度上，數分鐘內水平分量可增加數十g 。而在整個地球，可以同時觀察到相似的變
化，其場強升高可持續達數小時之久，這是磁暴開始的階段。然後，場強就降低，在
數小時內同一觀察地點的場強可以比平均值低幾百到幾千g ，這是磁暴的主要階段。在
場強降低到最小值時，場強的水平分量慢慢回升到平均值。這可能需要數小時到數天
的時間之久。在這期間，場強呈不規則的變化。
4.1.3 地表面自然電場
除地磁場外，在地球上還可以觀察到自然界的電場，它的強度也隨著時間和觀察
地點而變化。在晴朗無風的天氣，電場力線與地球表面垂直，並且使地球表面帶負
電。在這些條件下的電場稱為正常場，由於地形的不規則，使該地區的場變形，通常
以一定時間內重複若干次量測結果的平均值表示其電場場強。
大氣中的自由電荷(電子)是由於宇宙輻射和太陽活動所引起的，在每單位體積空氣
中，宇宙射線的電離子會隨著緯度增加而增加。由於離子漂移而產生的離子電導會隨
著高度增加而增加，而大氣密度隨著高度增加而減少，結果造成離子數目增加，而且它們的自由行徑變長。當達到足夠的高度時，電導就會高到使大氣層成為類似導體的
電離層。這個高度發生在離開地球約50 km的地方，與地球形成一個巨大尺寸的球形電
容器。實驗證明此一等效電容器內的場強度並不是均勻的，而是隨著高度增加而減
小，此一等效電容器極板間的電壓為200 kV。
大氣中的電荷在該電場的作用下移動，產生一個恒定電流流入大地，使地球像一
個巨大的發動機一樣。上述考量只適於晴天區域，而隨著雲層的出現，此一電場將發
生變化，由於地球的局部電位比雲層的電位高。當雷電放電時，負電荷將從雲中送到
大地，形成反方向的大氣電流。
4.2 自然電磁雜訊
自然電磁雜訊是地球與宇宙間客觀存在的自然過程，不受人類任何限制亦無法由
人為加以控制，只有掌握各種自然雜訊的分佈與變化規律，才能為電子系統或裝備的
電磁相容設計提供自然電磁環境參數。自然電磁雜訊主要是由宇宙雜訊、雷電放電和
大氣雜訊所構成的，其特性如表2所示。
表2：自然雜訊特性
來源頻帶干擾能量位準
宇宙雜訊地球以外的能源所產生的
輻射。
幾十兆赫至200兆赫0.1~1.0 mV
雷地放電雷電在裝備中引起的瞬間
擾動。
頻帶寬(低頻到超高頻) 脈衝功率大(具有破壞性)
大氣雜訊大氣熱輻射、大氣放電、
大氣中物質對電氣裝備上
放電、大氣影響電波傳
播。
低頻帶(頻率小於幾十兆
赫)
0.001~100 mA ，其干擾能
量位準隨頻率的升高而下
降。
4.2.1 宇宙雜訊
宇宙雜訊指的是來自地球以外的輻射能源所產生的電磁雜訊，包括：銀河系的無
線電輻射、太陽輻射、和銀河系外系統的各向同性輻射。極大多數的宇宙輻射源都像
黑體輻射一樣，是屬於非極化的輻射，亦即其能量是均勻地分配給各正交的極化分
量；除此之外，部份輻射源，例如太陽輻射則為部分極化的輻射源，即非極化和橢圓
極化的合成，其最高強度分量稱為主分量，而最低強度分量稱為最小分量。
銀河系輻射峰值出現的頻段為150 – 200 MHz。在20 – 500 MHz頻率範圍內，宇宙
雜訊的影響相當大，這些雜訊會使太空船產生一些隨機失效或異常現象，也常造成通
信與遙測中斷。
太陽輻射分為熱輻射雜訊和非熱輻射雜訊兩種形式，處於靜止狀態的太陽所發射
出來的熱輻射佔據了整個無線電頻段。在高於30 GHz的頻段，由太陽表面(絕對溫度為
6000 o K)產生的黑體輻射所覆蓋；在較低頻段，由太陽的高溫度表層(色球層和光球層)
提供絕大部分輻射。處於活動期的太陽所產生的輻射與太陽黑子的面積和數量有關。
劇烈活動的太陽產生的太陽輻射比靜止期的太陽輻射約大60 dB，太陽黑點也是太陽輻射太陽輻射雜訊源的重要形式，當黑點發展到極大時，曾經導致全球無線電通信中斷
達兩小時之久。
由於地球的大氣層、電離層和磁層形成一個天然屏蔽，把地球與地球外星球之間
的電磁能量隔離開。在人造衛星時代之前，人類對於外太空電磁輻射的認識只限於能
夠穿透這種屏蔽的電磁波的頻率範圍。這些頻率範圍分佈在兩個頻率窗，一個是「光
窗」，另一個是「無線電窗」，前者從紅外線區(10-3 cm)到紫外線區(10-5 cm)，而後者
則包含波長由0.25 cm至30 cm左右的無線電波。無線電窗的短波邊界是能量被大氣中粒
子(主要是H2O和O2)吸收所引起，長波邊界則是由電離層的屏蔽效應所引起的。地球外
無線電輻射源的輻射在地球上只有處在這些邊界內才能觀察到。
4.2.2 雷電放電
雷電放電是大氣雜訊的主要形式，雷電放電對於航空與太空系統或其他電子系統
來說，是一種危險的電磁現象。在航空太空史上，由於雷擊而造成事故是屢見不鮮
的。例如，1969年11月14日土星V-阿波羅12號發射後，土星V號火箭連續兩次遭到雷
擊，這就是轟動一時的大型運載火箭－載人太空船在飛行中誘發雷擊的事件；1961年
秋，一系列的雷擊曾使部署在義大利的美國Jupiter飛彈系統遭到嚴重的損壞。因此，研
究雷擊對系統的效應、分析雷電的特性是非常重要，雷電雖然是人們所熟知的自然現
象，但其放電機制、電磁效應與防護方法則一直是人們關注的研究課題。
(1). 雷電形成及放電過程
利用高速攝影觀察方法，知道雷電放電過程大致經歷三個階段：首先是先導階
段，或稱先導放電。此時，從雷雲到大地方向的空氣分子逐漸電離化，一步一步發展
出一條導電通道，為緊接而來的主放電階段提供良好的放電途徑。這就像用導線一
般，一段一段地把雷雲和大地連接起來，為即將流過強大電流作好準備。在此過程
中，電流不大，發光非常微弱，肉眼難以察覺。接著是主放電階段，雷雲中的電荷沿
著先導階段形成的電流通道迅速洩放入大地。此一過程的電流很大，時間短促，瞬間
功率極大，閃光耀眼，空氣受熱膨脹，發出強烈的雷鳴聲，一般所稱的雷電交加現象
就是此一階段的放電結果。最後是餘輝放電階段，雲中剩餘的電荷繼續沿上述放電通
道向大地洩放，雖然電流很小，但持續時間較長，能量也較大。一次雷電放電教過三
個階段即告結束。但有一半以上的雷電，在第一次對地閃電後，隔了幾十毫秒的時
間，又發生第二次或連續多次沿著原導電通道對地閃擊，這就是多重雷擊。
(2). 雷電電磁效應
A. 靜電感應：出現雷雲放電前，雷雲及隨後的先導階段中的通道與大地之間形成
了一定的電場，此時位於其中的金屬物體會出現與雷雲異號的感應生成電荷，
一旦發生雷雲放電，該物體上的電荷來不及洩放，本身就會出現很高的對地電
位，可能引起對其他物體的火花放電，如果這種現象發生在貯存有易燃或易爆
物的油庫、彈藥庫的內部，就會發生起火爆炸事故。
B. 電磁感應：雷擊時，主放電的電流幅值很高，變化度易大，雷電通道就像一條
良好的發射天線，當雷電電流流經過通道時，會在周圍空間輻射出強大而變化迅速的電磁場。處在輻射範圍內的金屬物體會因此而感應出高輻值的脈衝電壓
或電流，對與該物體相連的電子裝備造成危害。
C. 行波與干擾效應：雷電直接打擊在通信線路時，除通過熱和機械效應可能造成
通信線路損壞之外，還會在線路上行形成行波。行波也可能由上述的靜電和電
磁感應引起，不論是雷電直接打擊或雷電感應所形成的行波場，會沿著線路向
兩邊傳播，因而危害較遠處的裝備，影響通信品質或產生危害人體健康的音響
衝擊。
4.2.3 大氣雜訊
除了雷電放電之外，在大氣中如能形成滿足電荷分離和儲存條件時也會出現放電
雜訊的現象。大氣中的水蒸氣、雪、砂石、灰塵、水滴等物質碰擊電子裝備的線路或
天線時，也會造成電荷轉移或靜電放電，從而引起隨機電流而產生電磁子雜訊。無線
電波在大氣電離層表面反射條件的變化及電離層中的非線性現象等，改變了電磁波正
常傳播條件而造成干擾。隨著接收地點和季節不同，所受干擾的強度與頻率也不同，
通過熱帶地區的短波通信就會受到極其嚴重的干擾。大氣雜訊的功率通常與熱雜訊功
率有關，並可用等效雜訊溫度或等效雜訊係數來表示。
4.3 人為干擾
前述自然電磁現象構成了地球電磁環境的一些基本要素，除了自然雜訊造成的干
擾之外，隨著科學技術的發展人們不斷地產生和應用各種用電裝備，其中有些裝備是
用以專門輻射電磁能量的，例如：廣播、電視、通信、雷達與導航等無線電裝備，還
有一些裝備是無意發射電磁能量，例如：交通車輛、照明設備、輸配電線、工業科學
與醫療電子設備等，這些有意或無意產生的電磁能量形成了人為干擾。
4.3.1 人為干擾的產生
電磁學理論說明，電荷與電流周圍必然存在著電場和磁場，電磁場中的各種物質
在電磁場的作用下會產生電磁效應，而電磁場中存在的物質同時也會影響電磁場的分
佈，因而形成一種場的相互影響。根據電磁感應定理，當電路中存在電流變化時，會
產生自感電動勢。如果電流變化是一種無用訊號的電流突變，則會在電路中產生干擾
電壓降。由某處場源產生的交變電磁場，會透過傳導、感應和輻射等方式向各處傳
播。因此，不僅無用的電磁能量會干擾鄰近線路的正常工作，而且當預定傳給某一線
路的有用訊號能量傳輸到不需要該訊號的一個或數個其它線路上時，也會構成電磁干
擾。嚴格地說，任何一段導線和零件都可能成為干擾源，但根據干擾產生的原因可
知，電磁干擾主要是由於下列幾個方面所產生的：
(1). 由於放電產生干擾：各種放電現象都會產生高頻輻射，在配電線路上引起電壓
和電流的衝擊，這種高頻輻射和電壓與電流的衝擊，就形成了對其它電路的干
擾。放電干擾包括：電暈放電(如高壓輸配電線、發電機高壓電路)，氣體放電或
輝光放電(如螢光燈、放電器、霓虹燈、閘流管)，弧光放電或金屬雰放電(如電
焊機、電弧放電探照燈)，火花放電(如內燃機、電火花加工設備)。(2). 由電路斷開或接通產生的電壓或電流急變(脈衝)而造成的干擾：造成這種干擾的
設備包括：有觸點裝備(如繼電器、開關、各種斷電式裝備)，直流與交流整流子
電機。
(3). 由於電路中電壓與電流脈衝振盪造成的干擾：產生這種干擾的裝備根據電路作
用原理分為：脈衝振盪器(間歇振盪器、掃描發生器)，脈衝調制器，脈衝放大
器，多諧振盪器，觸發器，磁性邏輯元件，電流互感器等。
(4). 由於磁性元件的磁泡和造成電壓與電流的正弦波形失真而造成的干擾，此類零
組件有：磁放大器、磁性邏輯零件、電流互感器等。
(5). 在整流過程中由於電壓與電流正弦波波形失真而造成的干擾，例如整流器等。
(6). 由於高頻或低頻振盪的諧波分量造成的干擾，例如振盪器、倍頻器與分頻器、
變頻與混頻器、功率放大器等。
(7). 由於各種有缺陷零件而造成的干擾，例如：接點和帶滑環線路的接觸不良，以
及接觸點不清潔、不完全貼緊、扭曲變形等引起電壓與電流的急變或脈衝；高
壓導體與零件有毛邊和尖端、不清潔及絕緣子之間的縫隙引起的電暈放電；電
氣裝備絕緣擊穿或急劇變化而造成的寄生電流和電壓；電機、變壓器結構上的
缺點；以及偏離所使用磁化曲線的直線部分而造成電壓與電流曲線的失真；放
大級的過載，或在電子管或半導體元件非線性工作特性部分工作而造成電壓與
電流曲線的失真等。
(8). 由二次輻射產生的干擾：電磁波在傳播過程中，碰到各種建築物、金屬結構件
及各種裝備時，會在表面上產生感應電荷及感應電流，這些感應源在空間會產
生電磁場，疊加在原訊號上而形成干擾，例如：電視機訊號的重影現象。
4.3.2 有意發射干擾源
專用於輻射電磁能量的裝備，例如廣播、電視、通信、雷達、導航等發射裝備，
是通過向空間發射有用訊號的電磁能量來工作的，它們將會干擾不需要這些訊號的電
子系統或裝備的功能，而且是電磁環境的重要污染源。經過分析後，不難看出此類干
擾源有下列幾項特點。
(1). 為了保證一定的作用距離，這些裝備具有高功率的發射機，向空間發射大量的
電磁能量。例如中波廣播的功率可達兆瓦，短波廣播輸出功率可達幾百千瓦，
高頻電視頻到的輸出功率一般為10 kW，超高頻以上頻道的輸出功率為30
kW，遠程雷達的脈衝發射功率則可能高達10 MW以上。
(2). 這些無線電發射裝備均按無線電管理的有關規定，在規定的頻段上工作，以抑
制各無線電系統間的相互干擾，這些裝備的發射功率及工作頻率均由人為加以
規定與限制，而且輻射能量的空間分佈是由發射天線的方向性決定的。
(3). 廣播(包括調頻廣播)和電視發射台的數量多，發射功率大而且發射天線高，發射
的電磁能量函蓋區域很廣，廣播與電視發射對環境所造成的電磁污染比同功率
的其它工業干擾源要大得多，因為前者發射的是有用訊號不能施加電磁屏蔽，而後者產生的無用干擾訊號可用屏蔽等技術措施予以抑制，而廣播電視發射塔
多建造在都市附近，因此廣播與電視發設是污染都市電磁環境的主要干擾源。
(4). 無線電裝備發射機除了發射有用訊號外，在一些寄生頻率上還產生許多不需要
的電磁輻射，亦即發射無用訊號。發射機除了在指定頻段上的基頻發射之外，
還有諧波發射、寄生發射和雜訊發射等。諧波發射的頻率是基頻頻率的整數
倍，其發射功率隨諧波次數的增加而減少。寄生發射是發射機電路中產生的不
希望有的寄生振盪所發射的電磁能量，它既不是訊號的組成部分，也不是諧
波，稱為亂真發射。寄生發射功率位準通常低於諧波發射位準，而在特殊情況
下，特別是低於基頻的頻率上(諧波發射不存在)，可能引起嚴重干擾。此外，大
功率發射機寬頻帶雜訊的干擾也應加以考慮。
4.3.3 無意發射干擾源
許多裝置無意地發射出電磁能量，例如汽車的點火系統，各種不同用電裝置和帶
電動機的裝置，照明裝置，霓虹燈廣告，高壓電力線，工業、科學和醫療設備，以及
接收機的本機振盪輻射等等，都在無意地發射電磁能量。這些發射可能是向空間的輻
射，也可能是沿導線的傳導發射，它們所發射的電磁能量可能是隨機的，或是有規則
的，一般佔有非常寬的頻帶或離散頻譜，所發射的功率可以從微微瓦到兆瓦量級，以
下介紹幾種常見的無意發射干擾源。
(1). 工業、科學與醫療用及生活中的高功率裝備
此類裝備包括工業用加熱設備(感應加熱器和介質加熱器等)，射頻電弧焊，醫療加
熱設備(微波調理機)，微波外科手術設備，超音波產生器及微波爐等。
此類裝備的特點是功率高、數量多，一般輸出功率可達千瓦甚至於兆瓦，而且數
量在逐年迅速增加中。工作時的電磁洩漏會造成很強的干擾。
雖然這些裝備通常有專用的工作頻段，例如微波爐及醫療加熱設備的工作頻率為
2450 MHz，國際無線電干擾特別委員會(CISPR)對此類設備規定了干擾極限值，但是目
前世界各國有相當數量的設備沒有在國際電信聯盟指定的頻段上工作，滿足CISPR規定
的干擾極限值的設備數量比例不高。根據國際組織的統計資料，大約只有30 %的設備
在指定的頻段上工作，而滿足CISPR極限值的設備只佔32 %。因此，此類設備的電磁洩
漏不僅干擾其他電子裝備的工作，而且對周圍空間將會產生嚴重的電磁污染。即使有
些裝備在指定的頻段上工作，由於輸出功率高，其高次諧波仍有較強的功率，這些高
次諧波可能干擾其他無線電任務。
(2). 汽車等機動車輛
汽車等機動車輛的點火系統、發電機、風扇、擋風玻璃雨刷馬達等，在操作使用
時會向外輻射電磁能量而造成干擾。通常點火系統是最強的寬頻帶干擾源，當點火時
產生波形前沿很陡的電弧，其頻譜是一個低頻的基頻分量在加上許多諧波，以及佔有
很寬一段頻譜的暫態訊號，這樣的雜訊在(10~100) MHz範圍內具有很大的場強。一般
觀測顯示，小汽車比卡車的雜訊要小約10 dB，而機車的雜訊與卡車的雜訊差不多，這是因為雖然機車比小汽車、卡車的功率小很多，但是很少採取或根本沒有採取屏蔽措
施的緣故。例如，小汽車的金屬外殼就可以提供大約15dB的屏蔽作用。汽車干擾一般
為垂直極化(特別是在100 MHz頻率以內的範圍)，汽車產生干擾的幅度一般為常態分
佈，而且干擾脈衝的峰值幅度與汽車點火系統的類型、汽車的速度，正常工作的機械
負載，以及汽車的老化和磨損程度等因素有關。隨著經濟的發展，自用汽車逐年增
加，統計資料顯示，當交通量增加一倍時，其干擾功率頻譜強度就會增加3~6 dB，因
此汽車等機動車輛是重要的干擾源之一。
4.3.4 靜電放電干擾
靜電放電是個古老的問題，人們對靜電放電的研究一直比較重視，因為靜電放電
干擾不僅干擾電子系統的工作，而且會造成裝備失靈、器械損害等永久性故障，還可
能引起燃料及彈藥的燃燒及爆炸。由於靜電放電所引起的事故時有發生，例如：遺於
靜電放電干擾，導致美國1971年發射的火箭計算機故障，起飛後姿態失控而炸毀。
靜電放電是物體(人體、飛機、車輛、設備等)上所積累的靜電荷以電暈電流(約
100 mA )或火花形式的放電，所產生的電壓可達40~1000kV，電荷量0.04~1.0mC。雷電
與靜電放電的差別在於雷電是雲與雲之間或雲與地之間的靜電浪湧，雷電放電的數量
級大約是靜電放電的106倍，因此雷電有強烈的機械破壞作用，而靜電放電的機械破壞
作用是不明顯的。
靜電放電的起因是兩種介質常數不同的材料發生直接接觸時，特別是發生彼此摩
擦時，會發生電荷的轉移而各自帶有不同的電荷，即靜電充電，當電壓達到一定值時
就會產生電暈放電或火花放電。例如：雨點、冰結晶、灰塵、砂粒等雜質撞擊絕緣表
面使其帶電；飛機在空氣中飛行時是向著有害質點運動，雪、雨、灰塵等質點撞擊飛
機表面就使其帶電，採用聚乙烯等作絕緣材料的同軸電纜，由於彎曲和振動而使絕緣
體表面帶正電，外導體帶負電。隨著電纜的不斷彎曲，振動將引起靜電放電。此外，
技術人員的工作服與內衣摩擦會使人帶電，帶電的人體觸摸電子裝備時可能發生瞬間
放電，將使電子裝備遭受靜電危害。