电磁环境与电磁兼容

一、引言

随着科学技术的发展，人类生活质量日益提高。信息化、自动化快速地进入普通家庭、家庭使用的电子、电气设备愈来愈多，导致电磁环境日益恶化。所谓电磁环境（Electromagnetic Environment），就是指在传输媒质是泛指种类传输线、缆和空间传输媒质。电磁场或电信号包括各种类型的电信号、电磁波。频率从接近直流、低频直到微波、毫米波、亚毫米波；信号的形式各种各样，有脉冲式的，也有连结波。有的还被各种调制方式所调制。这些电磁波和电信号是由成千上万，甚至几百万信号源所产生的。辐射源的类型多，而且复杂多变。信号密度可以超过每秒百万脉冲。这些电磁信号，可以对人类的身体直接产生影响，产生所谓电磁波生物效应。也可以对各种电器、电子设备的工作产生影响，使其工作性能降低，甚至破坏其正常工作。

二、电磁干扰的频谱分布

信息化社会的电磁环境异常复杂，而且愈来愈复杂。电磁干扰分布在整个电磁波频谱。如果按最常见的干扰的频谱来划分，则可粗略分为以下几个频段：

1. 工频干扰：频率50～60Hz左右，主要是输、配电系统以及电力牵引系统所产生的电磁场辐射；
2. 甚低频干扰：30KHz以下的干扰辐射、雷电、核爆炸以及地震所产生的电磁脉冲，其能量主要分布在这一频段；
3. 长波信号干扰：频率范围10KHz～300KHz。包括高压直流输电谐波干扰、交流输电谐波干扰及交流电气铁道的谐波干扰等；
4. 射频、视频干扰：频谱在300KHz～300MHz。工业医疗设备（ISM）、输电线电晕放电、高压设备和电力牵引系统的火花放电以及内燃机、电动机、家用电器、照明电器等都在此范围；
5. 微波干扰：频率从300MHz~300KHz，包括高频、超高频、极高频干扰；
6. 核电磁脉冲干扰：频率由KHz直到接近直流，范围很宽。

三、有意电磁干扰（Intentional Electromagnetic Interference, IEMI）

近年来，出现有意电磁干扰（IEMI）这个名词。它指的是恐怖分子、犯罪分子，以及黑客为破坏电子和电器设备的正常运行而释放的各类电磁干扰。黑客的活动和可能有些不同，但是造成的后果是一样的。最近，科技界非常重视研究和评估有意电磁干扰对人类生活的威胁。

1999年2月，在苏黎世电磁兼容会议上，举行了一次关于IEMI的专题研讨会。大家同意将IEMI定义为：为了恐怖和犯罪的目的，恶意的制造电磁能量，对电器和电子系统和设备产生噪声和信号，因而扰乱、中断、或者破坏这些系统和设备。在这个定义中没有明确提及黑客，但在在大多数国家，为了商业利益而对“娱乐”系统的攻击，都是非法的。

IEMI的威胁是确实存在的。恐怖活动对世界的威胁正在增加，IEMI是一种新的恐怖手段。可以隐蔽的、穿过许多物理障碍（如墙壁、国界等）实施攻击。我国的卫星电视广播几次受到干扰、插播，就是属于IEMI。

四、IEMI的一般特性

从信号类型来看，电磁环境的电磁干扰可以分为有两大类，一是宽频带的，一是窄频带的。从能量传输的方式来看，也有两种方式，一是辐射式的，另外一种是传导型的。窄频带攻击信号波形差不多是单一频率（一般相对于中心频率的频带宽度小于1%），在一定的时间（一般是微秒的量级）间隔内辐射。最有可能受到影响的设备频率大致在0.3~3GHz之间。当然，在这个频率范围之外的设备工作性能也可以遭到影响，特别是有谐振的系统。这类电磁辐射也可能有调制。一般称这种辐射为大功率微波辐射（HPM）。这个名词也包括微波以外的辐射。

宽频带发射一般是时域上的脉冲，并且是重复式的。宽带辐射的能量分布在一个很宽广的频带上。例如，超带宽脉冲（UWB），一般上升时间为0.1纳秒，下降时间在1纳秒左右。因此能量分布在一个非常宽广的频谱上。

窄频带干扰信号的能量集中在单一的频率，很容易产生出每米几百千伏的场强。可以对设备造成永久性的破坏。相反，宽带电磁干扰的能量分布在各个频率，所以场强相对较弱。正是因为它的能量分布在许多频率上，对一个系统来说，许多频率都可能受到影响，而且这种干扰多半是重复式的，持续几秒钟，甚至上几分钟，增加了设备受害的可能性。

以上的干扰，和电磁兼容所处理的其他干扰一样，可以通过辐射方式进入电子设备，也可以通过导线和电缆进入设备。对于辐射干扰，似乎是高于100MHz的频率的辐射最受到人们的关注。这种辐射很容易穿透没有设防的墙壁，进入建筑物内部，耦合到机器设备。而且这个频段的天线可以做的很校按照IEC标准61000-4-3所做的测试表明，一般的商用设备，在场强3~10V/m（80MHz~2.5GHz）时，就很容易受到影响。当然，设备的程式不同，受干扰的程度也不一样。

对于宽频带辐射，IEC使用静电放电测试（61000-4-2），在静电放电的电弧附近，产生高达1KV/m的峰值电常这个峰值的上升时间为0.7纳秒，下降时间约为30纳秒。这样可以模拟电磁干扰辐射的情况。

五、自然产生的电磁干扰

原则上说，所有的电器、电子设备都可能产生电磁干扰。但是有的严重，有的比较微弱。一些主要的产生电磁干扰信号的设备和装置大致如下。

1. 输电线电晕杂波。关于输电线的已有许多实测数据，基于这些数据，可以求得计算电晕杂波的实用公式。然而关于这种杂波的发生机理、发射及传播特性还不完全清楚，在这方面的理论仍需继续探讨。

2. 汽车杂波。汽车杂波是产生甚高频（VHF）至特高频（UHF）频段城市杂波的主要原因。根据其强度和特性的测定结果，也可采取相应措施，使广播和电视的质量基本不受影响。但最近由于电子设备用于汽车控制，移动通信设备的广泛应用，这个问题又被重新提出。斯坦福研究所（SRI）对点火系统发射杂波的主要部件－点火栓、配电器接点等进行了改进，使处于30MHz~500MHz频段的杂波降低了13~20分贝。此外还有人求出6引擎发动机各点火栓的脉冲杂波振幅分布。对配电器的情况，若电极间隙从0.27mm~2.39mm，则杂波可下降10分贝。若在负荷电极上增加银接点，或用多发合金覆盖，也可降低杂波。点火系统以外的汽车电装置也能发出杂波，其特性正在测试研究中。

3. 接触杂波。大体可分为接触器自身杂波及导体开合时放电而引起的杂波。继电器和电机触点、整流子电刷间的开合所产生的放电杂波在人为杂波中占相当大的比例。

4. 电气机车杂波。电气机车运行时，导电、弓架与触线间的放电也是人为杂波的根源之一。如果导电弓架的电流通路用滤波材料包围起来并采用一些辅助措施，可将杂波降低20分贝，但至今尚未找到防止杂波的绝对有效的方法。

5. 工业科学医疗用射频设备（ISM）杂波。ISM设备是把50Hz交流通过射频振荡变为射频的变频装置、用于工业感应和电介质加热、医疗电热法和外科手术工具以及超声波发生器、微波炉等。虽然ISM设备本身有屏蔽，但有缝隙、孔油、管线进出和接地不良等，仍将有电磁场泄漏形成干扰。

6. 城市杂波。由于城市杂波与社会活动有密切的关系，它总是随时代而变化。在日本每年都定期进行城市杂波测试。欧美也有不少学者专家收集杂波测试数据。我国这一工作也已开始。城市杂波的根源、程度及特性等均在随时变化，其测试方法及统计处理的方法都还有待进一步探讨。

7. 其他。以上主要介绍了几种人为杂波的现状及存在的问题。此外，如静电放电、无线电台的异常动作有时也很有害。况且几乎所有机器设备的电源线上都有瞬变产生的各种杂波混合波在传播着，这样就会引起机器的误动作。随着数字电路的普遍采用，问题就更加严重。另外，还发现有不明原因的干扰存在。食品工业的自动化锅炉点火器的微动开关也有接触不良的情况，因此也很有必要加速研究以探明产生这些杂波的原因。

六、核电磁脉冲

核爆炸时大家都知道有三大效应：冲击波、热辐射（光辐射）和放射性沾染。实际上核武器还有第四种效应－电磁脉冲（Electromagnetic Pulse），简称EMP。如果让氢弹在大气层外的高空爆炸，由于没有空气，就不产生冲击波，也不生成热辐射，而放射性尘屑又随距离的平方而减弱，再经大气层吸收，所以到达地面时已很微弱，对人无害。然而在100公里以上的高空进行核爆，可在几百万平方公里的地域上产生很强的电磁脉冲（50~100kV/m）。目前美、俄等国正在研制中的第三代核武器之一就是核电磁脉冲弹。这里就突出了核爆炸的电磁脉冲效应。如果说一般的核武器以电磁脉冲形式释放的能量仅占核弹总释放能量的3/1010至3/105，而核电磁脉冲弹则可将此值提高到40%。EMP的后果是破坏电气及电子设备而毫不伤害人，正好与中子弹相反。EMP可使敌方指挥、控制、通信和情报（Command, Control, Communication Intelligence，简写为C3I）系统遭到破坏瘫痪、电力网断路、金属管线及地下电缆通信网等都受到影响，而陷入无电源、无通信、无计算机的三无世界。正由于不杀伤人，这就使核武器“常规化”，从而更增加了核战争的危险性。

七、小结

由于80年代以来，电子设备发生了根本性的变化，集成电路取代了晶体管，这就使抗毁（高压大电流击穿烧坏）能力大大下降。集成电路的电流为晶体管的千分之一，为电子管的百万分之一乃至千分之一。核电磁脉冲已成为电子设备的致使威胁。微电子技术水平愈高，电子设备的抗毁能力就愈差。无怪乎现在俄罗斯某些军用飞机，无线电台还采用超小型电子管而不用晶体管和集成电路。有很多国家野战电台还是用分立元件装配。(end)