淺談電磁兼容的定義、現(xiàn)狀、發(fā)展

在不久的將來，電子系統(tǒng)的電磁兼容(EMC)問題比起今天來說，會令我們面臨更大的挑戰(zhàn)：即便是我們現(xiàn)在已經(jīng)掌握了與電磁環(huán)境相關(guān)的理論，情況也是如此。本文將立足于今天的現(xiàn)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(nèi)容：

a.什么是EMC?

b.EMC的現(xiàn)狀如何?

c.EMC的發(fā)展方向如何?

d.怎樣解決將來的EMC問題?

因為本文作者是國際電工委員會(IEC)電磁兼容咨詢分會(ACEC)的主席，所以本文論述的重點集中在IEC的工作領(lǐng)域內(nèi)。在過去的十年里，IEC在發(fā)展和改進(jìn)EMC標(biāo)準(zhǔn)方面做出了許多卓有成效的工作。

1 EMC的定義

電磁兼容描述的是這樣一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，由自然現(xiàn)象以及其它電氣和電子設(shè)備及系統(tǒng)不造成干擾。當(dāng)然，為了達(dá)到這種狀態(tài)，我們必須減少可控源的輻射，或者提高有可能被影響的設(shè)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并不能完全阻止干擾的發(fā)生。由不同源產(chǎn)生的干擾是變化的，例如，電源線上的放電脈沖與放電電流的等級以及它距離房間和辦公室的遠(yuǎn)近有關(guān)。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(yīng)電壓與入射電磁場(EM)的入射角度和極化方式密切相關(guān)。認(rèn)識到這一點，對于某種特定類型的干擾不但可以在輻射和抗干擾之間實現(xiàn)一種平衡，而且能夠在很大程度上避免EMC問題的發(fā)生，但畢竟不是全部。

當(dāng)我們試圖通過進(jìn)一步減小輻射并且提高抗擾度來消除所有干擾的時候，其結(jié)果很可能會導(dǎo)致工業(yè)的高投入，或是會阻止新技術(shù)的涌現(xiàn)。例如，為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(fā)射功率做了限制，這樣就要兼顧通信系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)壽命。另一方面，如果對所有的商用電子設(shè)備均要求能夠在50V/m的環(huán)境等級中無故障地工作，會對產(chǎn)品制造商帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。較好的折中辦法是提醒用戶合理地使用限制(盡管當(dāng)故障會對人身安全造成威脅時，仍需要較高的抗擾等級)。

2 EMC的現(xiàn)狀

當(dāng)今EMC領(lǐng)域的工作重心是標(biāo)準(zhǔn)化，特別是在各種國際組織的內(nèi)部。世貿(mào)組織的要求以及減少全球貿(mào)易壁壘的普遍愿望使得我們注重于頒布與執(zhí)行國際標(biāo)準(zhǔn)的方面。當(dāng)然，很明顯的是區(qū)域性的發(fā)展，例如在EMC方面的歐洲指令，已極大地影響了標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。

在國際性的標(biāo)準(zhǔn)化組織中，IEC承擔(dān)了大部分的EMC標(biāo)準(zhǔn)化工作。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電信聯(lián)盟(ITU)也正在做著卓有成效的努力。

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(tǒng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)。特別是，ISO正在積極地制定汽車、航空和航天方面的EMC標(biāo)準(zhǔn);而ITU主要涉及新出現(xiàn)的通信設(shè)備的EMC標(biāo)準(zhǔn)制定，其中包括無線技術(shù)和有線技術(shù)。這兩家組織都與IEC進(jìn)行協(xié)作，以盡可能地減少制定出的基本EMC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量。這樣做的目的在于，不至于因為相互沖突的標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致在工業(yè)上需要對相同或相似的設(shè)備進(jìn)行重復(fù)測試和認(rèn)證。

已制定的國際標(biāo)準(zhǔn)的一個重要方面就是它們執(zhí)行的自愿性。不過，商業(yè)合同和地區(qū)性的標(biāo)準(zhǔn)化組織也許需要強制執(zhí)行EMC標(biāo)準(zhǔn)。

IEC已經(jīng)將其EMC標(biāo)準(zhǔn)化工作放在四個主要的方面。其正在全力制定：

a.所有產(chǎn)品的輻射限值;

b.基本EMC標(biāo)準(zhǔn)，包括針對發(fā)射和抗擾的測試與測量方法;

c.普通EMC標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了針對發(fā)射和抗擾的一系列“基本”實驗設(shè)置、測試方法以及適用于不同環(huán)境(如住宅)的測試等級;

d.產(chǎn)品EMC標(biāo)準(zhǔn)，這類標(biāo)準(zhǔn)要么是針對某一些類型的產(chǎn)品制定，要么針對某一特定的產(chǎn)品制定(同樣包括發(fā)射與抗擾度兩個方面)。

前面已經(jīng)提到，ACEC協(xié)調(diào)IEC內(nèi)的EMC工作。由咨詢委員會擬定IEC107指南，指導(dǎo)IEC委員會的EMC標(biāo)準(zhǔn)制定工作。為了完成這項工作，ACEC每年舉行兩到三次會議商討IEC內(nèi)外的EMC標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展。每次會議之后，ACEC向IEC執(zhí)行委員會提出建議，以供參考。ACEC的成員由EMC領(lǐng)域的技術(shù)專家以及制定基本、產(chǎn)品EMC標(biāo)準(zhǔn)的IEC主要委員會的代表組成。

標(biāo)準(zhǔn)化工作面臨的主要困難是如何將輻射限制和基本標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。盡管CISPR在建立高頻輻射限制方面已經(jīng)做出了可觀的努力，但相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的很多情況都被忽略或是被不正確的使用著。不幸的是，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)出版之前，這些錯誤經(jīng)常不會被發(fā)現(xiàn)，因此改正它們就需要花上幾年的時間。ACEC正在制定一個規(guī)程，以便解決這個問題。主要是通過追蹤處于開發(fā)階段的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，提高其中EMC條款的準(zhǔn)確性來達(dá)到這個目的。

電子設(shè)備產(chǎn)生的工頻諧波是我們關(guān)心的一個新問題。由于使用開關(guān)電源的電子設(shè)備大量應(yīng)用，使得大量諧波通過電源網(wǎng)絡(luò)向外傳播，并對其他的用戶設(shè)備兩者需要的標(biāo)準(zhǔn)制定工作正在進(jìn)行之中。

開發(fā)適用于測試頻率高于1GHz的基本測試方法同樣也成為我們關(guān)心的一個內(nèi)容。由于比起以前來說有更多的計算機設(shè)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(yōu)勢，即可以用較少的測試時間，覆蓋更大的入射角度和更復(fù)雜的極化方式。IEC正在制定一項基本標(biāo)準(zhǔn)61000-4-2，準(zhǔn)備將混響室定為可供選擇的測試方法之一。

3 技術(shù)的發(fā)展趨勢與EMC

技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)當(dāng)前的幾種重要的趨勢很有可能持續(xù)發(fā)展到未來。最明顯的就是在家庭、商業(yè)、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(yīng)用的擴展

多數(shù)家用電器中安裝的微處理器使它們明顯“聰明”多了?，F(xiàn)在有可能購買內(nèi)置了計算機的冰箱。甚至有設(shè)想認(rèn)為冰箱應(yīng)該發(fā)展到這種程度;當(dāng)里面的食物吃光了的時候，它能夠通過因特網(wǎng)發(fā)出購物請求。這些智能設(shè)備的發(fā)展帶來的兼容性問題也許最初并不明顯，但請不要忘記EMC在某種程度上取決于發(fā)射設(shè)備與敏感設(shè)備間的距離。將來，在多種電子設(shè)備房間內(nèi)會有更多的發(fā)射和敏感設(shè)備，相應(yīng)的問題也就隨之而來。消費者會知道分開安裝的設(shè)備可能減少干擾問題嗎?

盡管固化微處理器可以解決EMC問題，然而當(dāng)一個有限空間內(nèi)聚集了數(shù)量眾多的便攜式發(fā)射機時，會發(fā)生什么呢?顯然，移動蜂窩增加?，F(xiàn)在，隨著藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)，在幾乎所有的電子設(shè)備都可能出現(xiàn)這種新的發(fā)射裝置。

藍(lán)牙是一種使用2.4 GHz ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)藥設(shè)備)頻段，在范圍大致為30m內(nèi)的電子設(shè)備間自動進(jìn)行通信的無線跳頻技術(shù)規(guī)范。世界范圍內(nèi)超過1200家公司已經(jīng)接受了藍(lán)牙的操作規(guī)范。到2004年，將有四億臺設(shè)備使用藍(lán)牙。

顯然，當(dāng)暴露在入射無線信號下時，采用藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備應(yīng)該可以正常工作。但我們不能夠確定的是，臨近的其它非藍(lán)牙設(shè)計的設(shè)備能否不受干擾地工作。另外，藍(lán)牙自身在微波爐附近不能正常工作。雖然在開發(fā)藍(lán)牙的過程中就已經(jīng)考慮了微波爐產(chǎn)生的場強等級，然而不同類型的食物烹制仍然會降低通信的性能。

3.2 更高的工作頻率

技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)另一個發(fā)展趨勢是推向市場的產(chǎn)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(lán)牙將工作在2.4 GHz，與衛(wèi)星通信有關(guān)的設(shè)備工作在10 GHz，汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)涉及的頻率高于40 GHz。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(shè)備機箱的縫隙與開孔。100MHz的波長是3m，1GHz是30m，10 GHz是3cm。在金屬機箱上縫隙長2cm、寬1mm的情況下，對開孔后3cm處每種場的衰減進(jìn)行了計算，其分別為79、59、39dB。除了由高頻帶來的干擾環(huán)境的加劇之外，時鐘頻率為1GHz的新型微處理器的發(fā)展在電子系統(tǒng)的運行當(dāng)中還造成了直接干擾的可能，這里也包括發(fā)射和抗擾兩方面。

3.3 大型設(shè)備與系統(tǒng)

EMC標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程已經(jīng)成功地制定了用于評定設(shè)備和小型系統(tǒng)合格率的測試方法。但是，制定用于評定大型設(shè)備或初次安裝系統(tǒng)抗干擾度的標(biāo)準(zhǔn)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它的非受試設(shè)備。甚至發(fā)射測試也會有問題產(chǎn)生。在受試設(shè)備已被安裝到現(xiàn)場環(huán)境的條件下，想要建立某一特定部件的發(fā)射等級是很困難的，因為其它的非受試設(shè)備會對測量產(chǎn)生相同的發(fā)射。