電磁干擾在電磁波頻譜中的劃分介紹

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，甚至幾百萬信號(hào)源所產(chǎn)生的。輻射源的類型多，而且復(fù)雜多變。信號(hào)密度可以超過每秒百萬脈沖。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。

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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，而且愈來愈復(fù)雜。電磁干擾分布在整個(gè)電磁波頻譜。如果按最常見的干擾的頻譜來劃分，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，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。最近，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)定義中沒有明確提及黑客，但在在大多數(shù)國家，為了商業(yè)利益而對(duì)“娛樂”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?？梢噪[蔽的、穿過許多物理障礙（如墻壁、國界等）實(shí)施攻擊。我國的衛(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)姆绞絹砜矗灿袃煞N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。最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)備造成永久性的破壞。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)來說，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，可以通過輻射方式進(jìn)入電子設(shè)備，也可以通過導(dǎo)線和電纜進(jìn)入設(shè)備。對(duì)于輻射干擾，似乎是高于100MHz的頻率的輻射最受到人們的關(guān)注。這種輻射很容易穿透沒有設(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，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。但最近由于電子設(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絕對(duì)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)出和接地不良等，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)。我國這一工作也已開始。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)狀及存在的問題。此外，如靜電放電、無線電臺(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)開關(guān)也有接觸不良的情況，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），簡稱EMP。如果讓氫彈在大氣層外的高空爆炸，由于沒有空氣，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)人無害。然而在100公里以上的高空進(jìn)行核爆，可在幾百萬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)。如果說一般的核武器以電磁脈沖形式釋放的能量僅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，而陷入無電源、無通信、無計(jì)算機(jī)的三無世界。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，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。無怪乎現(xiàn)在俄羅斯某些軍用飛機(jī)，無線電臺(tái)還采用超小型電子管而不用晶體管和集成電路。有很多國家野戰(zhàn)電臺(tái)還是用分立元件裝配。