1.3 电磁兼容学科和研究对象

电磁兼容学科包含的内容十分广泛，几乎包含所有的现代工业，如能源、通信、交通、金融、计算机、航空、航天、军工、医疗等。

电磁兼容学科涉及的理论基础包括数学、电磁场理论、天线与电波传播、电路理论、信号分析、通信理论、材料科学、生物医学等，所以电磁兼容学科是一门尖端的综合性学科，同时又紧密地与工业生产和质量控制相关。

众所周知，构成电磁干扰必须同时具备的三个要素：电磁干扰源、对干扰源敏感的受扰器和传递媒体。电磁兼容要研究的对象正是它们的特性、边界条件和有效的抑制办法。

无论是人为的或自然的电磁干扰源，可以按它们构成威胁的程度划分为四类，依次是：雷电、强电磁脉冲、静电放电和开关操作。其电压、电流和时域特性见表1.1。

注：a是直接造成的最坏瞬变状态，b是间接的瞬变状态。

1.3.1 电磁脉冲与电磁环境效应

在高科技条件下，空间电磁环境日益复杂，除雷电和静电等自然灾害外，还有通信、广播、雷达、电子战设备等辐射源和定向能电磁脉冲（EMP）武器、高功率微波（HPM）弹等人为电磁辐射源，尤其是静电放电和高功率微波等快速上升沿脉冲电流形成的电磁脉冲场，对设备安全甚至生存能力构成严重危害。

电磁环境效应（Electromagnetic Environment Effects），GJB72A—2002定义为：电磁环境对电气电子系统、设备、装置的运行能力的影响。它涵盖所有的电磁学科，包括电磁兼容性，电磁干扰，电磁易损性，电磁脉冲，电子对抗、电磁辐射对武器装备和易挥发物质的危害，以及雷电和沉积静电（P-static）等自然效应。一般电磁环境的构成因素如图1.1所示。

目前国内外研究的现状与趋势简述如下。

1. 电磁脉冲源已实用化

美、前苏联早在20世纪60年代就开始研究武器系统受电磁脉冲干扰的问题，美从射频对军械的危害（HERO）研究逐渐扩展为现代武器装备的电磁环境效应研究和相应规范MIL-STD-464A，无论从概念到研究范围都在不断地更新和扩展。

美、俄已研制的GW级UWB（超带宽）干扰机现已小型化，可用常规兵器投掷到敌方阵地，不仅可干扰或损伤敌方的C3I系统，而且直接影响精确制导武器和信息化单兵作战能力。事实上，1990年-1991年的海湾战争中已由美E-8联合星飞机携带使用过。

2. 电磁脉冲模拟技术和防护技术不断提高和深入

国外核电磁脉冲（NEMP）可产生高达1×102kV/m电场强度的核电磁脉冲环境、脉冲上升时间由10ns缩短到1.8～2.8ns并对ESD辐射场理论建模、硬软件等展开研究。

国外十分重视武器装备的防护加固技术研究，并针对电路中敏感电子器件因电磁作用的失效模式、电磁损伤机理和能量耦合方式进行深入研究，同时颁布相关的军用标准。俄罗斯在1993年就完成了电磁脉冲对微电子电路的效应实验和防护技术研究。最近几年对国际电工委员会标准IEC61000-4-2规定的试验方法和平台已做过多次修改和补充。

我国从20世纪80年代开始研究电磁兼容性和电磁辐射对武器装备的危害性，在静电、雷电和核电磁脉冲防护研究方面做了大量工作，在某些方面已处于国际先进水平，但在强电磁场环境模拟及其防护技术研究方面、整体水平方面与发达国家相比仍有较大差距。我军最新的电磁环境效应规范是GJB 1389A-2005。

3. 电磁脉冲的主要参数和环境效应

表1.2表示三种电磁脉冲源的参数对比；表1.3表示电磁脉冲的环境效应。

4. 电磁脉冲能量的机理

它可概括为以下四个方面：

（1）热效应。静电放电和高功率电磁脉冲产生的热效应一般在ns或μs级完成，是一种绝热过程，可引起易燃易爆气体或火工品爆炸，可使系统中微电子器件和敏感电路因过热而性能变坏或失效。

（2）电磁辐射场作用。静电放电和高功率微波的电磁辐射对信息化设备所造成的电磁干扰会使设备产生误动作或功能失效；强电磁脉冲及其浪涌效应还可造成设备的损伤、完全失效，也可形成累积效应。

（3）静电场效应。ESD-EMP产生的强电场不仅可使MOS管的栅氧化层击穿或金属化线间的介质击穿，而且可形成潜在性损伤，给系统和敏感电路的可靠性造成影响。

（4）磁效应。静电放电和雷闪引起的强电流可产生强磁场，它可直接耦合到系统内部，干扰电子设备的正常工作。

1.3.2 雷电（Lightning）

雷电是一种大气物理现象，它与实验室研究的物理现象不同，不可能通过各种人为控制的方法找出确切无误的规律，只能用概率的观点去考虑。

雷电或更确切地说是伴随雷电产生的雷电电磁脉冲，会对电气、电子设备造成严重威胁。雷电电磁脉冲是最为严重的自然电磁干扰源。闪电放电脉冲的陡度大、峰值电流大、电场强、频谱宽（从100Hz～100MHz），因此无论是天线、架空电网、外露的电线、电缆、埋地电缆或裸露金属体等都会感应强大的感应过电压、过电流。若它们被引入电气、电子设备将会产生破坏性的后果。这种由感应方式而非直接方式的雷击称做感应雷，由于感应雷发生的概率远远高于直接雷，因此，防感应雷是防雷研究的重中之重。

1.3.3 强电磁脉冲（EMP）

一般讲强电磁脉冲是指两种极强的人工电磁干扰源：核电磁脉冲（NEMP）或高空核电磁脉冲（HEMP）和非核高能微波电磁脉冲（HPM），它们都是用极强的电磁辐射对人体特别对电气或电子系统、设备进行干扰破坏，使之失效、瘫痪，所以是现代战争的电磁武器。据了解高能微波武器已达到的技术指标是：频率1～100GHz，脉冲宽度0.1～1μs，定向性＜30°，峰值功率10～100GW，总输出能量约100kJ，直接破坏距离300m～1km。据日军刊物报道，战略型电磁脉冲能量可达到核弹释放总量的40%，电磁脉冲的场强在50kV/m数量级上，峰值场强可达100kV/m，频谱几乎覆盖1～30kHz至30～300MHz频段，电磁脉冲的上升时间10ns以内，后沿略缓，但不超过几百ns，它的影响范围很大，方圆可达数百乃至数十万米，在其作用范围内的架空输电线好比是个巨大的接收天线，会产生很高的感应电压，其峰值可达103kV量级。

根据目前我国电力系统绝缘水平的分析，对EMP感应电压构成威胁的主要是10kV以下的配电系统。如选取适当的相关参数，可计算架空线终端开路的典型EMP感应波形如图1.2所示。

图1.2中脉冲峰值≥1500kV，平均前沿陡度约15kV/ns，此典型波形可近似用双指数函数表示为

某10kV架空线终端接10/0.4kV、300kVA电力变压器，由于变压器输入端电容的影响，脉冲波峰值和前后沿陡度均有所下降，如图1.3所示。其中，曲线1为变压器输入端波形，曲线2为变压器输出端开路的波形。若考虑到城市建筑物的屏蔽作用，实际的EMP感应电压比上述理论值要低些。

1.3.4 静电放电（ESD）

实际上静电放电是人或设备在低湿度环境中运动（一般与化纤地毯或化纤衣鞋有关）很容易产生的一种物理现象，即在运动的过程中吸取和释放静电。内有运动部件的静止设备也同样能引起静电放电，例如复印机和打印机在送纸过程中会产生静电放电。

ESD不同于周期性的脉冲是一种非周期性的放电脉冲，它的频谱能量分布是连续性的，所以是一种宽带干扰源，不仅能干扰宽带设备甚至能干扰窄带设备。

抑制ESD的有效办法是防止它直达被保护的器件，防止之后就转变为辐射加固的问题了。对于同一个需保护的环路来说，为了减小ESD在环路中产生的干扰电压，它所需的屏蔽效率要比一般减小辐射电磁场干扰电压所需的屏蔽效率要高10～100倍或提高20～40dB。

雷电产生的静电感应会造成区域性的灾害，当静电感应形成的感应过电压波，沿着输电线、信号线窜入配电设备、窜入信号线终端设备，特别是对计算机通信接口的损坏往往直接导致整个通信网络系统的瘫痪。统计发现，分布在同一建筑物内或相邻建筑物內的计算机局域通信网络，遭受的损坏最为严重，其中又以计算机同轴网络适配卡的损坏最多。在计算机远程通信中，调制解调器的损坏也较严重，这是由于调制解调器大多与市话线相连的缘故，如图1.4所示。

1.3.5 开关操作

由于开关的通或断引起电压或电流急剧变化产生瞬态干扰。其中的电子开关虽然不如机械开关那样易于产生火花放电，但电子开关的速度快，导致电流迅速变化的干扰就不可避免。

若令电流波的上升时间为τ、传输此电流波所需占用的频带宽度为B，则它们之间存在如下关系

可见，波形上升的时间越短，占有的频带越宽，含有的高次谐波越丰富。

为了从时域上区分因开关操作产生的干扰性质，通常将瞬变时间＞8.4ms的干扰定义为浪涌电压。如瞬变电压的波形近似正弦波或按指数规律衰减的一般和高阻抗有关，其电压变化范围很宽，小者不过数毫伏，大者甚至可达千、万伏；如浪涌电压的波形近似方波或按指数规律衰减的一般和低阻抗内阻有关。它的浪涌电压幅度99%不超过正常工作电压的三倍，90%不会超过正常工作的两倍，通常浪涌电压按二倍工作电压计算。

1.3.6 对电气、电子设备或元器件造成的危害

上述各类电磁干扰对电气、电子设备或系统，特别是对含有半导体器件的设备或系统会产生严重的破坏作用。

半导体器件一般损伤阈值为10-5～10-2J/cm2，易损器件则降为0.1～1μJ/cm2，若不损坏器件，只引起瞬时失效或干扰，其损伤阈值还要低2～3个数量级。

上述损坏效应归纳起来主要有以下几种情况。

（1）高压击穿：当器件接收电磁能量后可转化为大电流，在高阻处也可转化为高电压，结果可引起接点、部件或回路间的电击穿，导致器件的损坏或瞬时失效。例如脉宽0.1μs电流幅值为1A的电流脉冲，可在接点间电容为1pF处的接点产生100kV电压，该接点被击穿后还会产生数十万赫[兹]的衰减正弦振荡，并辐射出电磁波。

（2）器件烧毁或瞬变干扰：除高压击穿外，器件因瞬变电压造成短路损坏的原因一般都归结于功率过大而烧毁或PN结的电压过高而击穿，无论是集成电路（IC）、存储器还是晶体管、二极管、可控硅等都是一样的。大多数半导体器件的最低损坏的有效功率为1μs、10W或10μJ，一些敏感器件为1μs、1W或1μJ。

（3）电涌冲击：对有金属屏蔽的电子设备，即使壳体外的微波能量不能直接辐射到设备内部，但是在金属屏蔽壳体上感应的脉冲大电流，像浪涌一样在壳体上流动，壳体上的缝隙、孔洞、外露引线一旦将一部分浪涌电流引入壳内设备，就足以使内部的敏感器件损坏。

1.3.7 研究所涉及的领域

从目前收集到的资料，可大致将电磁兼容性所涉及的领域归纳如下：

（1）电磁场与传输线（耦合与串扰）；

（2）电磁脉冲；

（3）强电干扰与静电放电；

（4）雷电；

（5）电磁兼容性测量；

（6）电磁兼容性标准、规范；

（7）屏蔽、滤波和接地；

（8）电磁环境和生场效应；

（9）频谱管理和抗干扰通信；

（10）数字电路和计算机泄露；

（11）印刷电路板中的电磁兼容性；

（12）电磁干扰源、噪声、乱真和谐波；

（13）电磁传感器、探头和天线；

（14）电磁兼容性分析和设计（预测、数学模型、物理模型）；

（15）应用领域中的电磁兼容性；

（16）电磁兼容教育。