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EMC問題對電子系統的挑戰

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发表于 2006-8-30 16:11:44 | 显示全部楼层 |阅读模式

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在不久的將來,電子系統的電磁相容(EMC)問題比起今天來說,會令我們面臨更大的挑戰:即便是我們現在已經掌握了與電磁環境相關的理論,情況也是如此。本文將立足於今天的現狀,面向未來探討幾個重要的問題。我們的討論涉及到四個基本內容:
  a.什麽是EMC?
  b.EMC的現狀如何?
  c.EMC的發展方向如何?
  d.怎樣解決將來的EMC問題?
  因爲本文作者是國際電工委員會(IEC)電磁相容諮詢分會(ACEC)的主席,所以本文論述的重點集中在IEC的工作領域內。在過去的十年裏,IEC在發展和改進EMC標準方面做出了許多卓有成效的工作。
 EMC的定義
  電磁相容描述的是這樣一種狀態,在這種狀態下,由自然現象以及其他電氣和電子設備及系統不造成干擾。當然,爲了達到這種狀態,我們必須減少可控源的輻射,或者提高有可能被影響的設備的抗干擾能力,或者兩者兼而有之。
  很重要的是,上面定義的EMC並不能完全阻止干擾的發生。由不同源産生的干擾是變化的,例如,電源線上的放電脈衝與放電電流的等級以及它距離房間和辦公室的遠近有關。另外,某裝置上特定部件的抗干擾能力也是多種多樣的,例如,電路板上的感應電壓與入射電磁場(EM)的入射角度和極化方式密切相關。認識到這一點,對於某種特定類型的干擾不但可以在輻射和抗干擾之間實現一種平衡,而且能夠在很大程度上避免EMC問題的發生,但畢竟不是全部。
  當我們試圖通過進一步減小輻射並且提高抗擾度來消除所有干擾的時候,其結果很可能會導致工業的高投入,或是會阻止新技術的湧現。例如,爲了讓用戶可以將他們的蜂窩電話擱置在任何電子裝置上面,人們對蜂窩電話的發射功率做了限制,這樣就要兼顧通信系統的性能和經濟壽命。另一方面,如果對所有的商用電子設備均要求能夠在50V/m的環境等級中無故障地工作,會對産品製造商帶來沈重的經濟負擔。較好的折中辦法是提醒用戶合理地使用限制(儘管當故障會對人身安全造成威脅時,仍需要較高的抗擾等級)。
 EMC的現狀
  當今EMC領域的工作重心是標準化,特別是在各種國際組織的內部。世貿組織的要求以及減少全球貿易壁壘的普遍願望使得我們注重於頒佈與執行國際標準的方面。當然,很明顯的是區域性的發展,例如在EMC方面的歐洲指令,已極大地影響了標準化的進程。
  在國際性的標準化組織中,IEC承擔了大部分的EMC標準化工作。國際標準化組織(ISO)和國際電信聯盟(ITU)也正在做著卓有成效的努力。
  IEC和它的兩個主要的同級EMC委員會——國際無線電干擾特別委員會(CISPR)和第77技術委員會——已經制定了,並且還在不斷地制定範圍廣泛的基本EMC標準,這些標準對一些測量和測試方法做出了規定,而這些方法對於制定可靠的技術標準來說是必不可少的。在輻射標準的方面,CISPR和77A分委會也正在分別制定高頻電磁場和低頻電源線干擾的輻射限值。ACEC協調IEC內的EMC工作並與其他標準化組織建立協作關係,以減少重復性的工作。
  ISO和ITU正在分別努力研究主要涉及移動交通工具和通信系統的EMC標準。特別是,ISO正在積極地制定汽車、航空和航太方面的EMC標準;而ITU主要涉及新出現的通信設備的EMC標準制定,其中包括無線技術和有線技術。這兩家組織都與IEC進行協作,以盡可能地減少制定出的基本EMC標準的數量。這樣做的目的在於,不至於因爲相互衝突的標準而導致在工業上需要對相同或相似的設備進行重復測試和認證。
  已制定的國際標準的一個重要方面就是它們執行的自願性。不過,商業合同和地區性的標準化組織也許需要強制執行EMC標準。
IEC已經將其EMC標準化工作放在四個主要的方面。其正在全力制定:
  a.所有産品的輻射限值;
  b.基本EMC標準,包括針對發射和抗擾的測試與測量方法;
  c.普通EMC標準,其中規定了針對發射和抗擾的一系列基本實驗設置、測試方法以及適用於不同環境(如住宅)的測試等級;
  d.産品EMC標準,這類標準要麽是針對某一些類型的産品制定,要麽針對某一特定的産品制定(同樣包括發射與抗擾度兩個方面)。
  前面已經提到,ACEC協調IEC內的EMC工作。由諮詢委員會擬定IEC107指南,指導IEC委員會的EMC標準制定工作。爲了完成這項工作,ACEC每年舉行兩到三次會議商討IEC內外的EMC標準化進展。每次會議之後,ACEC向IEC執行委員會提出建議,以供參考。ACEC的成員由EMC領域的技術專家以及制定基本、産品EMC標準的IEC主要委員會的代表組成。
  標準化工作面臨的主要困難是如何將輻射限制和基本標準轉化成産品標準。儘管CISPR在建立高頻輻射限制方面已經做出了可觀的努力,但相應的産品標準中的很多情況都被忽略或是被不正確的使用著。不幸的是,在産品標準出版之前,這些錯誤經常不會被發現,因此改正它們就需要花上幾年的時間。ACEC正在制定一個規程,以便解決這個問題。主要是通過追蹤處於開發階段的産品標準,提高其中EMC條款的準確性來達到這個目的。
  電子設備産生的工頻諧波是我們關心的一個新問題。由於使用開關電源的電子設備大量應用,使得大量諧波通過電源網路向外傳播,並對其他的用戶設備兩者需要的標準制定工作正在進行之中。
  開發適用于測試頻率高於1GHz的基本測試方法同樣也成爲我們關心的一個內容。由於比起以前來說有更多的電腦設備工作在更高的頻率,所以對這方面的要求是很迫切的。新的測試方法比如混響室,在頻率的高端具有很大的優勢,即可以用較少的測試時間,覆蓋更大的入射角度和更複雜的極化方式。IEC正在制定一項基本標準61000-4-21,準備將混響室定爲可供選擇的測試方法之一。
 技術的發展趨勢與EMC
  技術領域內當前的幾種重要的趨勢很有可能持續發展到未來。最明顯的就是在家庭、商業、工廠和交通工具中微處理器使用程度的不斷加大。
  3.1 微處理器應用的擴展 多數家用電器中安裝的微處理器使它們明顯聰明多了。現在有可能購買內置了電腦的冰箱。甚至有設想認爲冰箱應該發展到這種程度;當裏面的食物吃光了的時候,它能夠通過因特網發出購物請求。這些智慧設備的發展帶來的相容性問題也許最初並不明顯,但請不要忘記EMC在某種程度上取決於發射設備與敏感設備間的距離。將來,在多種電子設備房間內會有更多的發射和敏感設備,相應的問題也就隨之而來。消費者會知道分開安裝的設備可能減少干擾問題嗎?
  儘管固化微處理器可以解決EMC問題,然而當一個有限空間內聚集了數量衆多的攜帶型發射機時,會發生什麽呢?顯然,移動蜂窩增加。現在,隨著藍牙技術的出現,在幾乎所有的電子設備都可能出現這種新的發射裝置。
  藍牙是一種使用2.4GH ISM(工業、科學和醫藥設備)頻段,在範圍大致爲30m內的電子設備間自動進行通信的無線跳頻技術規範。世界範圍內超過1200家公司已經接受了藍牙的操作規範。到2004年,將有四億台設備使用藍牙。
  顯然,當暴露在入射無線信號下時,採用藍牙技術的設備應該可以正常工作。但我們不能夠確定的是,臨近的其他非藍牙設計的設備能否不受干擾地工作。另外,藍牙自身在微波爐附近不能正常工作。雖然在開發藍牙的過程中就已經考慮了微波爐産生的場強等級,然而不同類型的食物烹製仍然會降低通信的性能。
  3.2 更高的工作頻率 技術領域內另一個發展趨勢是推向市場的産品的工作頻率處在不斷的提高之中。蜂窩電話的工作頻率超過了1GHz,藍牙將工作在2.4GHz,與衛星通信有關的設備工作在10GHz,汽車雷達系統涉及的頻率高於40GHz。頻率的增高會帶來問題。頻率越高,波長越短,比較低的頻率更容易穿透設備機箱的縫隙與開孔。100MHz的波長是3m,1GHz是30m,10GHz是3cm。在金屬機箱上縫隙長2cm、寬1mm的情況下,對開孔後3cm處每種場的衰減進行了計算,其分別爲79、59、39dB。除了由高頻帶來的干擾環境的加劇之外,時鐘頻率爲1GHz的新型微處理器的發展在電子系統的運行當中還造成了直接干擾的可能,這裏也包括發射和抗擾兩方面。
  .3 大型設備與系統 EMC標準化進程已經成功地制定了用於評定設備和小型系統合格率的測試方法。但是,制定用於評定大型設備或初次安裝系統抗干擾度的標準方法是比較困難的。尺寸是很大的困難因素;大型的測試裝置造價昂貴,開闊場地的抗擾度測試會影響其他的非受試設備。甚至發射測試也會有問題産生。在受試設備已被安裝到現場環境的條件下,想要建立某一特定部件的發射等級是很困難的,因爲其他的非受試設備會對測量産生相同的發射。

 

 楼主| 发表于 2006-8-30 16:11:55 | 显示全部楼层
3.3 大型設備與系統 EMC標準化進程已經成功地制定了用於評定設備和小型系統合格率的測試方法。但是,制定用於評定大型設備或初次安裝系統抗干擾度的標準方法是比較困難的。尺寸是很大的困難因素;大型的測試裝置造價昂貴,開闊場地的抗擾度測試會影響其他的非受試設備。甚至發射測試也會有問題産生。在受試設備已被安裝到現場環境的條件下,想要建立某一特定部件的發射等級是很困難的,因爲其他的非受試設備會對測量産生相同的發射。
  3.4 人體健康與EM場 人們感興趣的另外一個領域是電磁(EM)場的安全問題。相關的警告來自兩個主要方面:
首先,EM可能對人體健康造成直接影響。公認的健康危害就是由EMF(電磁場)帶來的。非電離輻射政策國際委員會和世界衛生組織最近的EMF活動已經使得IEC主動制定測量標準支援這些組織。ACEC特別工作組主席G.Goldberg負責輔助確立IEC建立106技術委員會來研究EMF的測量方法。
  與此相關,電磁場的干擾可能造成電子系統的故障,帶來安全隱患,例如,在工廠裏打蜂窩電話可能會引起工業機器人的誤動作,傷害到工人。IEC在這方面也開始有所作爲,詳情可見Goldberg最近的一篇論文。
  其次,電磁場安裝還涉及到有意的EMI問題。設想這樣一種情況:在一幢商業大廈裏,電子系統受到高強度的瞬變EM的攻擊,就可以破壞設備的正常工作。如果罪犯或恐怖分子利用這種手段襲擊交通工具如飛機或汽車的話,就會危及到公衆的人身安全。IEC77C分委會正在研究這個問題,試圖建立對這種威脅的預防和應對方案,保證EM惡意攻擊下設備和系統的安全。
  3.5 不斷縮短的産品壽命 上面提到的大多數的技術發展趨勢都與EMC標準化工作的結構側重相適應。如前所述,通過在干擾源和敏感設備間尋找平衡的辦法(降低發射限值,提升抗擾等級)來獲得EMC,一直都會是EMC標準化進程中的一個問題。
  由於技術領域裏的飛速發展,從産品概念的形成、開發生産,甚至産品的生存壽命,這一系列的時間周期都大大地縮短了,這對標準的制定工作帶來了更多的困難。技術的突飛猛進使得EMC標準化組織能夠用於評定新技術EMC性能的時間越來越緊迫。當産品周期比對這項産品制定標準需要的時間還短的時候,不穩定的因素就出現了。另外,當公司只開發新的電子産品和工藝技術而不參與標準化工作,設備之間的干擾的可能也會同樣地增多起來。
  3.6 EMC從業人員缺乏 最後,EMC標準化進程的結構問題本身在不遠的將來也可能變成問題之源,從産品開發到標準制定的各個領域EMC專家將成爲首當其衝的問題。在電磁場相關行業工作的人們可以看到,只有極少量的工程人員被認爲是有能力處理EMC問題的。如今,在工業領域中競爭最激烈、待遇最高的是電腦程式師和網路人員。許多在EMC行業工作的人們面臨著退休,另外一些希望從事標準化工作的工程師又得不到上司的支援。
  其次的問題來自標準化組織內部。伴隨著數位化浪潮,人們都想擁有最新標準的數位拷貝。但出於商業目的,IEC和它的各級委員會需要通過出售標準盈利,以保證組織的正常運作。這個問題該如何解決現在還沒有達成共識。
4 未來EMC問題的解決
  未來的EMC問題怎樣得到解決?人們建議了許多種方法,其中的一些已經開始得到了應用。
  4.1 保持標準的一致性 在IEC內部,一個主要的措施就是繼續甚至強化EMC標準制定工作。這項工作應該包括更緊密地與ISO和ITU進行合作,以便於最有效地利用有限的EMC人力資源。主要目的是制定被所有生産廠家都可以使用的簡明的發射以及基本的EMC測試標準。另外,在ISO及ITU內IEC107指南的應用能夠幫助這三個組織提高其制定的EMC標準的一致性。
  4.2 新技術的預測 第二個辦法就是組織EMC工程師和專家就可能對EMC有影響的新湧現的技術進行評估,這也包括對現有的流行或科技論著象對待剛形成的新思想那樣進行評論修訂。在需要的時候,標準審定組織如IEC和EMC諮詢委員會將組織會議或討論會對現有工作中潛在的問題衝突進行研究探討。各大公司對革新技術的追求會促使其與標準化組織合作,以便於從這些組織尋求建議,保證它們的新産品對其他系統可能造成的干擾最小。
  4.3 高頻端的標準化測試 另一個出成果的領域應該是高頻端干擾的標準化測試方法的研究,例如高於1GHz的頻段。混響室測試法、橫電磁波(TEM)小室測試法以及感測器校準的輔助標準等的研究工作將發展得很快。IEC現在的工作應該能夠對新産品的飛速發展做出靈敏反映。
  4.4 EM干擾和設備的功能安全 應多注意由電磁干擾造成的複雜功能的紊亂問題,這些會影響正常的安全操作。儘管這看起來好像是一個典型的安全性問題,但EM場可通過複雜的方式,能與正在即時交換電子資料的系統相互作用,這應該得到EMC專家的足夠重視。其主要困難在於EM干擾的進入點可能廣泛地分佈在系統中。由於這個原因,在研究中,對外來干擾的傳統遮罩方法以及對嚴格的EMC測試程式信賴的做法都是可取的。
  4.5 大型系統的測試 關於在大型系統和設備部件的測試、IEC和其他標準化組織在未來還需要投入更多的人員進行更深入的研究。對高強度電磁脈衝(HEMP)環境測試方面已經做出了一些嘗試。因爲過去的軍用電子系統通常都非常龐大,所以人們建造了TEM和輻射模擬器(例見IEC61000-4-32)。世界範圍內有很多這種模擬器用來對可搬運的測試物件進行檢測。其中很多也可以用於其他波形和頻段的測量。HEMP行業中另一種通行做法是,採用低電平連續波掃頻信號照射系統,以通過測量轉移函數來確定系統內潛在的易受干擾的位置。HEMP及相關輻射干擾的測試方案見IEC61000-4-23中的敍述。
  4.6 建立産品的EMC標準 新的舉措要求將發射限值和基本EMC測試標準轉化成産品EMC標準。IEC組織了一大批專家根據各自的經驗對現有産品標準的一致性進行修訂。這種做法的目的是在草樣設計的早期階段就發現問題所在,以便於及時對標準做出改進而不至於延緩研究進程。另一建議是開發附加的通用標準,以減小産品委員會對特殊應用採納EMC基本標準的需求。無論何時,只要産品委員會認爲給定的通用標準中規定的環境適於設備工作,這種方法就是有效的。
  4.7 EM防護指南 雖然IEC和其他標準化組織的大多數標準化工作集中在測試方法上,但如果在EMC防護方法上再多做些成績來的話,將會獲得更顯著的收益。正確的EM遮罩和電纜濾波有助於解決大多數電磁干擾問題。有一種辦法是準備出一套EM通用的防護指南,而另一套用於特殊種類設備的EM防護。當然,這樣做的阻礙在於需要EMC專家的卓著貢獻,而相關人員(尤其是在標準化領域內)卻是嚴重匱乏的。
  4.8 教育論壇 加強對EMC問題認識的另一個措施是教育,這可通過面向技術和標準化的研討會和研究會進行。電子電氣工程師協會的EMC分會對其成員在EMC複雜性方面的教育工作上做出了顯著的成績。IEC最近舉辦了一系列的研討會,旨在向工業領域介紹它的EMC標準化現狀和發展計劃。這種研討會預計將一直辦下去。同時,應該鼓勵大學開設EMC方面的課程,並且聘請有現場經驗的人員擔任教師。
  4.9 工業界的介入 産品的生産流程會告訴生産者,參與制定國際標準會是多麽重要。未來的國際貿易仍會持續發展。參與制定新EMC標準的公司會比其沒有參與這一過程的競爭對手擁有顯著的優勢,前者會在符合要求的産品開發上佔據領先地位。而且,如果沒有工業界的參與,制定的標準在測試方法和符合代價上可能都是不實用的。
  IEC及其各委員會仍將繼續在工業領域推行標準化工作。順便說一句,所謂的初步標準會從工業規範中很快地發展起來。
  最後,爲了使已經出版的標準能夠免費或者以較低的價格在世界流通,必須建立起收費標準的新模式。需要高素質的EMC從業人員制定一致的、高質量的標準。因此,IEC的各委員會面臨著這樣的抉擇:怎樣在不影響工作質量的前提下對標準化工作的盈利行爲進行變革。
5 結論
  電子産品呈現的發展趨勢顯然表明了一點:將來的設備還會産生,並經受更複雜的電磁環境。EMC工程師及科學家們必須投入大量持續的努力,爲迎接這種前景做出充分的準備。
发表于 2006-9-8 09:33:05 | 显示全部楼层
新來的,路過....
发表于 2006-9-9 12:41:58 | 显示全部楼层
◤技术讨论◢——EMC标准、测试仪器应用学习


已经翻译为简替了,呵呵,虽然有点简单,但转化一下,看比较舒服...
发表于 2006-9-9 14:14:56 | 显示全部楼层
EMC问题对电子系统的挑战(简体版)

在不久的将来,电子系统的电磁兼容(EMC)问题比起今天来说,会令我们面临更大的挑战:即便是我们现在已经掌握了与电磁环境相关的理论,情况也是如此。本文将立足于今天的现状,面向未来探讨几个重要的问题。我们的讨论涉及到四个基本内容:
a.什么是EMC?
b.EMC的现状如何?
c.EMC的发展方向如何?
d.怎样解决将来的EMC问题?
因为本文作者是国际电工委员会(IEC)电磁兼容咨询分会(ACEC)的主席,所以本文论述的重点集中在IEC的工作领域内。在过去的十年里,IEC在发展和改进EMC标准方面做出了许多卓有成效的工作。
1 EMC的定义
电磁兼容描述的是这样一种状态,在这种状态下,由自然现象以及其它电气和电子设备及系统不造成干扰。当然,为了达到这种状态,我们必须减少可控源的辐射,或者提高有可能被影响的设备的抗干扰能力,或者两者兼而有之。
很重要的是,上面定义的EMC并不能完全阻止干扰的发生。由不同源产生的干扰是变化的,例如,电源在线的放电脉冲与放电电流的等级以及它距离房间和办公室的远近有关。另外,某装置上特定部件的抗干扰能力也是多种多样的,例如,电路板上的感应电压与入射电磁场(EM)的入射角度和极化方式密切相关。认识到这一点,对于某种特定类型的干扰不但可以在辐射和抗干扰之间实现一种平衡,而且能够在很大程度上避免EMC问题的发生,但毕竟不是全部。
当我们试图通过进一步减小辐射并且提高抗扰度来消除所有干扰的时候,其结果很可能会导致工业的高投入,或是会阻止新技术的涌现。例如,为了让用户可以将他们的蜂窝电话搁置在任何电子装置上面,人们对蜂窝电话的发射功率做了限制,这样就要兼顾通信系统的性能和经济寿命。另一方面,如果对所有的商用电子设备均要求能够在50V/m的环境等级中无故障地工作,会对产品制造商带来沉重的经济负担。较好的折中办法是提醒用户合理地使用限制(尽管当故障会对人身安全造成威胁时,仍需要较高的抗扰等级)。
2 EMC的现状
当今EMC领域的工作重心是标准化,特别是在各种国际组织的内部。世贸组织的要求以及减少全球贸易壁垒的普遍愿望使得我们注重于颁布与执行国际标准的方面。当然,很明显的是区域性的发展,例如在EMC方面的欧洲指令,已极大地影响了标准化的进程。
在国际性的标准化组织中,IEC承担了大部分的EMC标准化工作。国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)也正在做着卓有成效的努力。
IEC和它的两个主要的同级EMC委员会——国际无线电干扰特别委员会(CISPR)和第77技术委员会——已经制定了,并且还在不断地制定范围广泛的基本EMC标准,这些标准对一些测量和测试方法做出了规定,而这些方法对于制定可靠的技术标准来说是必不可少的。在辐射标准的方面,CISPR和77A分委会也正在分别制定高频电磁场和低频电源线干扰的辐射限值。ACEC协调IEC内的EMC工作并与其它标准化组织建立协作关系,以减少重复性的工作。
ISO和ITU正在分别努力研究主要涉及移动交通工具和通信系统的EMC标准。特别是,ISO正在积极地制定汽车、航空和航天方面的EMC标准;而ITU主要涉及新出现的通信设备的EMC标准制定,其中包括无线技术和有线技术。这两家组织都与IEC进行协作,以尽可能地减少制定出的基本EMC标准的数量。这样做的目的在于,不至于因为相互冲突的标准而导致在工业上需要对相同或相似的设备进行重复测试和认证。
已制定的国际标准的一个重要方面就是它们执行的自愿性。不过,商业合同和地区性的标准化组织也许需要强制执行EMC标准。
IEC已经将其EMC标准化工作放在四个主要的方面。其正在全力制定:
a.所有产品的辐射限值;
b.基本EMC标准,包括针对发射和抗扰的测试与测量方法;
c.普通EMC标准,其中规定了针对发射和抗扰的一系列“基本”实验设置、测试方法以及适用于不同环境(如住宅)的测试等级;
d.产品EMC标准,这类标准要么是针对某一些类型的产品制定,要么针对某一特定的产品制定(同样包括发射与抗扰度两个方面)。
前面已经提到,ACEC协调IEC内的EMC工作。由咨询委员会拟定IEC107指南,指导IEC委员会的EMC标准制定工作。为了完成这项工作,ACEC每年举行两到三次会议商讨IEC内外的EMC标准化进展。每次会议之后,ACEC向IEC执行委员会提出建议,以供参考。ACEC的成员由EMC领域的技术专家以及制定基本、产品EMC标准的IEC主要委员会的代表组成。
标准化工作面临的主要困难是如何将辐射限制和基本标准转化成产品标准。尽管CISPR在建立高频辐射限制方面已经做出了可观的努力,但相应的产品标准中的很多情况都被忽略或是被不正确的使用着。不幸的是,在产品标准出版之前,这些错误经常不会被发现,因此改正它们就需要花上几年的时间。ACEC正在制定一个规程,以便解决这个问题。主要是通过追踪处于开发阶段的产品标准,提高其中EMC条款的准确性来达到这个目的。
电子设备产生的工频谐波是我们关心的一个新问题。由于使用开关电源的电子设备大量应用,使得大量谐波通过电源网络向外传播,并对其他的用户设备两者需要的标准制定工作正在进行之中。
开发适用于测试频率高于1GHz的基本测试方法同样也成为我们关心的一个内容。由于比起以前来说有更多的计算机设备工作在更高的频率,所以对这方面的要求是很迫切的。新的测试方法比如混响室,在频率的高端具有很大的优势,即可以用较少的测试时间,覆盖更大的入射角度和更复杂的极化方式。IEC正在制定一项基本标准61000-4-21,准备将混响室定为可供选择的测试方法之一。
发表于 2006-9-9 14:15:06 | 显示全部楼层
3 技术的发展趋势与EMC
技术领域内当前的几种重要的趋势很有可能持续发展到未来。最明显的就是在家庭、商业、工厂和交通工具中微处理器使用程度的不断加大。
3.1 微处理器应用的扩展 多数家用电器中安装的微处理器使它们明显“聪明”多了。现在有可能购买内置了计算机的冰箱。甚至有设想认为冰箱应该发展到这种程度;当里面的食物吃光了的时候,它能够通过因特网发出购物请求。这些智慧设备的发展带来的兼容性问题也许最初并不明显,但请不要忘记EMC在某种程度上取决于发射设备与敏感设备间的距离。将来,在多种电子设备房间内会有更多的发射和敏感设备,相应的问题也就随之而来。消费者会知道分开安装的设备可能减少干扰问题吗?
尽管固化微处理器可以解决EMC问题,然而当一个有限空间内聚集了数量众多的携带型发射机时,会发生什么呢?显然,移动蜂窝增加。现在,随着蓝牙技术的出现,在几乎所有的电子设备都可能出现这种新的发射装置。
蓝牙是一种使用2.4GHz ISM(工业、科学和医药设备)频段,在范围大致为30m内的电子设备间自动进行通信的无线跳频技术规范。世界范围内超过1200家公司已经接受了蓝牙的操作规范。到2004年,将有四亿台设备使用蓝牙。
显然,当暴露在入射无线信号下时,采用蓝牙技术的设备应该可以正常工作。但我们不能够确定的是,临近的其它非蓝牙设计的设备能否不受干扰地工作。另外,蓝牙自身在微波炉附近不能正常工作。虽然在开发蓝牙的过程中就已经考虑了微波炉产生的场强等级,然而不同类型的食物烹制仍然会降低通信的性能。
3.2 更高的工作频率 技术领域内另一个发展趋势是推向市场的产品的工作频率处在不断的提高之中。蜂窝电话的工作频率超过了1GHz,蓝牙将工作在2.4GHz,与卫星通信有关的设备工作在10GHz,汽车雷达系统涉及的频率高于40GHz。频率的增高会带来问题。频率越高,波长越短,比较低的频率更容易穿透设备机箱的缝隙与开孔。100MHz的波长是3m,1GHz是30m,10GHz是3cm。在金属机箱上缝隙长2cm、宽1mm的情况下,对开孔后3cm处每种场的衰减进行了计算,其分别为79、59、39dB。除了由高频带来的干扰环境的加剧之外,时钟频率为1GHz的新型微处理器的发展在电子系统的运行当中还造成了直接干扰的可能,这里也包括发射和抗扰两方面。
3.3 大型设备与系统 EMC标准化进程已经成功地制定了用于评定设备和小型系统合格率的测试方法。但是,制定用于评定大型设备或初次安装系统抗干扰度的标准方法是比较困难的。尺寸是很大的困难因素;大型的测试装置造价昂贵,开阔场地的抗扰度测试会影响其它的非受试设备。甚至发射测试也会有问题产生。在受试设备已被安装到现场环境的条件下,想要建立某一特定部件的发射等级是很困难的,因为其它的非受试设备会对测量产生相同的发射。
3.3 大型设备与系统 EMC标准化进程已经成功地制定了用于评定设备和小型系统合格率的测试方法。但是,制定用于评定大型设备或初次安装系统抗干扰度的标准方法是比较困难的。尺寸是很大的困难因素;大型的测试装置造价昂贵,开阔场地的抗扰度测试会影响其它的非受试设备。甚至发射测试也会有问题产生。在受试设备已被安装到现场环境的条件下,想要建立某一特定部件的发射等级是很困难的,因为其它的非受试设备会对测量产生相同的发射。
3.4 人体健康与EM场 人们感兴趣的另外一个领域是电磁(EM)场的安全问题。相关的警告来自两个主要方面:
首先,EM可能对人体健康造成直接影响。公认的健康危害就是由EMF(电磁场)带来的。非电离辐射政策国际委员会和世界卫生组织最近的EMF活动已经使得IEC主动制定测量标准支持这些组织。ACEC特别工作组主席G.Goldberg负责辅助确立IEC建立106技术委员会来研究EMF的测量方法。
与此相关,电磁场的干扰可能造成电子系统的故障,带来安全隐患,例如,在工厂里打蜂窝电话可能会引起工业机器人的误动作,伤害到工人。IEC在这方面也开始有所作为,详情可见Goldberg最近的一篇论文。
其次,电磁场安装还涉及到有意的EMI问题。设想这样一种情况:在一幢商业大厦里,电子系统受到高强度的瞬变EM的攻击,就可以破坏设备的正常工作。如果罪犯或恐怖分子利用这种手段袭击交通工具如飞机或汽车的话,就会危及到公众的人身安全。IEC77C分委会正在研究这个问题,试图建立对这种威胁的预防和应对方案,保证EM恶意攻击下设备和系统的安全。
3.5 不断缩短的产品寿命 上面提到的大多数的技术发展趋势都与EMC标准化工作的结构侧重相适应。如前所述,通过在干扰源和敏感设备间寻找平衡的办法(降低发射限值,提升抗扰等级)来获得EMC,一直都会是EMC标准化进程中的一个问题。
由于技术领域里的飞速发展,从产品概念的形成、开发生产,甚至产品的生存寿命,这一系列的时间周期都大大地缩短了,这对标准的制定工作带来了更多的困难。技术的突飞猛进使得EMC标准化组织能够用于评定新技术EMC性能的时间越来越紧迫。当产品周期比对这项产品制定标准需要的时间还短的时候,不稳定的因素就出现了。另外,当公司只开发新的电子产品和工艺技术而不参与标准化工作,设备之间的干扰的可能也会同样地增多起来。
3.6 EMC从业人员缺乏 最后,EMC标准化进程的结构问题本身在不远的将来也可能变成问题之源,从产品开发到标准制定的各个领域EMC专家将成为首当其冲的问题。在电磁场相关行业工作的人们可以看到,只有极少量的工程人员被认为是有能力处理EMC问题的。如今,在工业领域中竞争最激烈、待遇最高的是计算机程序师和网络人员。许多在EMC行业工作的人们面临着退休,另外一些希望从事标准化工作的工程师又得不到上司的支持。
其次的问题来自标准化组织内部。伴随着数字化浪潮,人们都想拥有最新标准的数字拷贝。但出于商业目的,IEC和它的各级委员会需要通过出售标准盈利,以保证组织的正常运作。这个问题该如何解决现在还没有达成共识。
4 未来EMC问题的解决
未来的EMC问题怎样得到解决?人们建议了许多种方法,其中的一些已经开始得到了应用。
4.1 保持标准的一致性 在IEC内部,一个主要的措施就是继续甚至强化EMC标准制定工作。这项工作应该包括更紧密地与ISO和ITU进行合作,以便于最有效地利用有限的EMC人力资源。主要目的是制定被所有生产厂家都可以使用的简明的发射以及基本的EMC测试标准。另外,在ISO及ITU内IEC107指南的应用能够帮助这三个组织提高其制定的EMC标准的一致性。
4.2 新技术的预测 第二个办法就是组织EMC工程师和专家就可能对EMC有影响的新涌现的技术进行评估,这也包括对现有的流行或科技论著象对待刚形成的新思想那样进行评论修订。在需要的时候,标准审定组织如IEC和EMC咨询委员会将组织会议或讨论会对现有工作中潜在的问题冲突进行研究探讨。各大公司对革新技术的追求会促使其与标准化组织合作,以便于从这些组织寻求建议,保证它们的新产品对其他系统可能造成的干扰最小。
4.3 高频端的标准化测试 另一个出成果的领域应该是高频端干扰的标准化测试方法的研究,例如高于1GHz的频段。混响室测试法、横电磁波(TEM)小室测试法以及传感器校准的辅助标准等的研究工作将发展得很快。IEC现在的工作应该能够对新产品的飞速发展做出灵敏反映。
4.4 EM干扰和设备的功能安全 应多注意由电磁干扰造成的复杂功能的紊乱问题,这些会影响正常的安全操作。尽管这看起来好像是一个典型的安全性问题,但EM场可通过复杂的方式,能与正在实时交换电子数据的系统相互作用,这应该得到EMC专家的足够重视。其主要困难在于EM干扰的进入点可能广泛地分布在系统中。由于这个原因,在研究中,对外来干扰的传统屏蔽方法以及对严格的EMC测试程序信赖的做法都是可取的。
4.5 大型系统的测试 关于在大型系统和设备部件的测试、IEC和其它标准化组织在未来还需要投入更多的人员进行更深入的研究。对高强度电磁脉冲(HEMP)环境测试方面已经做出了一些尝试。因为过去的军用电子系统通常都非常庞大,所以人们建造了TEM和辐射仿真器(例见IEC61000-4-32)。世界范围内有很多这种仿真器用来对可搬运的测试对象进行检测。其中很多也可以用于其它波形和频段的测量。HEMP行业中另一种通行做法是,采用低电平连续波扫频信号照射系统,以通过测量转移函数来确定系统内潜在的易受干扰的位置。HEMP及相关辐射干扰的测试方案见IEC61000-4-23中的叙述。
4.6 建立产品的EMC标准 新的举措要求将发射限值和基本EMC测试标准转化成产品EMC标准。IEC组织了一大批专家根据各自的经验对现有产品标准的一致性进行修订。这种做法的目的是在草样设计的早期阶段就发现问题所在,以便于及时对标准做出改进而不至于延缓研究进程。另一建议是开发附加的通用标准,以减小产品委员会对特殊应用采纳EMC基本标准的需求。无论何时,只要产品委员会认为给定的通用标准中规定的环境适于设备工作,这种方法就是有效的。
4.7 EM防护指南 虽然IEC和其它标准化组织的大多数标准化工作集中在测试方法上,但如果在EMC防护方法上再多做些成绩来的话,将会获得更显著的收益。正确的EM屏蔽和电缆滤波有助于解决大多数电磁干扰问题。有一种办法是准备出一套EM通用的防护指南,而另一套用于特殊种类设备的EM防护。当然,这样做的阻碍在于需要EMC专家的卓著贡献,而相关人员(尤其是在标准化领域内)却是严重匮乏的。
4.8 教育论坛 加强对EMC问题认识的另一个措施是教育,这可通过面向技术和标准化的研讨会和研究会进行。电子电气工程师协会的EMC分会对其成员在EMC复杂性方面的教育工作上做出了显著的成绩。IEC最近举办了一系列的研讨会,旨在向工业领域介绍它的EMC标准化现状和发展计划。这种研讨会预计将一直办下去。同时,应该鼓励大学开设EMC方面的课程,并且聘请有现场经验的人员担任教师。
4.9 工业界的介入 产品的生产流程会告诉生产者,参与制定国际标准会是多么重要。未来的国际贸易仍会持续发展。参与制定新EMC标准的公司会比其没有参与这一过程的竞争对手拥有显著的优势,前者会在符合要求的产品开发上占据领先地位。而且,如果没有工业界的参与,制定的标准在测试方法和符合代价上可能都是不实用的。
IEC及其各委员会仍将继续在工业领域推行标准化工作。顺便说一句,所谓的初步标准会从工业规范中很快地发展起来。
最后,为了使已经出版的标准能够免费或者以较低的价格在世界流通,必须建立起收费标准的新模式。需要高素质的EMC从业人员制定一致的、高质量的标准。因此,IEC的各委员会面临着这样的抉择:怎样在不影响工作质量的前提下对标准化工作的盈利行为进行变革。
5 结论
电子产品呈现的发展趋势显然表明了一点:将来的设备还会产生,并经受更复杂的电磁环境。EMC工程师及科学家们必须投入大量持续的努力,为迎接这种前景做出充分的准备。

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