詳解電磁環境與電磁兼容區別與特性

一、引言

        隨著科學技術的發展，人類生活質量日益提高。信息化、自動化快速地進入普通家庭、家庭使用的電子、電氣設備愈來愈多，導致電磁環境日益惡化。所謂電磁環境(Electromagnetic Environment)，就是指在傳輸媒質是泛指種類傳輸線、纜和空間傳輸媒質。電磁場或電信號包括各種類型的電信號、電磁波。頻率從接近直流、低頻直到微波、毫米波、亞毫米波；信號的形式各種各樣，有脈沖式的，也有連結波。有的還被各種調制方式所調制。這些電磁波和電信號是由成千上萬，甚至幾百萬信號源所產生的。輻射源的類型多，而且復雜多變。信號密度可以超過每秒百萬脈沖。這些電磁信號，可以對人類的身體直接產生影響，產生所謂電磁波生物效應。也可以對各種電器、電子設備的工作產生影響，使其工作性能降低，甚至破壞其正常工作。

二、電磁干擾的頻譜分布

      信息化社會的電磁環境異常復雜，而且愈來愈復雜。電磁干擾分布在整個電磁波頻譜。如果按*常見的干擾的頻譜來劃分，則可粗略分為以下幾個頻段：

1. 工頻干擾：頻率50～60Hz左右，主要是輸、配電系統以及電力牽引系統所產生的電磁場輻射;

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生的電磁脈沖，其能量主要分布在這一頻段;

3. 長波信號干擾：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。工業醫療設備(ISM)、輸電線電暈放電、高壓設備和電力牽引系統的火花放電以及內燃機、電動機、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，出現有意電磁干擾(IEMI)這個名詞。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備的正常運行而釋放的各類電磁干擾。黑客的活動和可能有些不同，但是造成的后果是一樣的。*近，科技界非常重視研究和評估有意電磁干擾對人類生活的威脅。

        1999年2月，在蘇黎世電磁兼容會議上，舉行了一次關于IEMI的專題研討會。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，對電器和電子系統和設備產生噪聲和信號，因而擾亂、中斷、或者破壞這些系統和設備。在這個定義中沒有明確提及黑客，但在在大多數國家，為了商業利益而對“娛樂”系統的攻擊，都是非法的。

        IEMI的威脅是確實存在的。恐怖活動對世界的威脅正在增加，IEMI是一種新的恐怖手段。可以隱蔽的、穿過許多物理障礙(如墻壁、國界等)實施攻擊。我國的衛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

       從信號類型來看，電磁環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。從能量傳輸的方式來看，也有兩種方式，一是輻射式的，另外一種是傳導型的。窄頻帶攻擊信號波形差不多是單一頻率(一般相對于中心頻率的頻帶寬度小于1%)，在一定的時間(一般是微秒的量級)間隔內輻射。*有可能受到影響的設備頻率大致在0.3~3GHz之間。當然，在這個頻率范圍之外的設備工作性能也可以遭到影響，特別是有諧振的系統。這類電磁輻射也可能有調制。一般稱這種輻射為大功率微波輻射(HPM)。這個名詞也包括微波以外的輻射。

寬頻帶發射一般是時域上的脈沖，并且是重復式的。寬帶輻射的能量分布在一個很寬廣的頻帶上。例如，超帶寬脈沖(UWB)，一般上升時間為0.1納秒，下降時間在1納秒左右。因此能量分布在一個非常寬廣的頻譜上。

       窄頻帶干擾信號的能量集中在單一的頻率，很容易產生出每米幾百千伏的場強。可以對設備造成長久性的破壞。相反，寬帶電磁干擾的能量分布在各個頻率，所以場強相對較弱。正是因為它的能量分布在許多頻率上，對一個系統來說，許多頻率都可能受到影響，而且這種干擾多半是重復式的，持續幾秒鐘，甚至上幾分鐘，增加了設備受害的可能性。

        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入電子設備，也可以通過導線和電纜進入設備。對于輻射干擾，似乎是高于100MHz的頻率的輻射*受到人們的關注。這種輻射很容易穿透沒有設防的墻壁，進入建筑物內部，耦合到機器設備。而且這個頻段的天線可以做的很校按照IEC標準61000-4-3所做的測試表明，一般的商用設備，在場強3~10V/m(80MHz~2.5GHz)時，就很容易受到影響。當然，設備的程式不同，受干擾的程度也不一樣。

        對于寬頻帶輻射，IEC使用靜電放電測試(61000-4-2)，在靜電放電的電弧附近，產生高達1KV/m的峰值電常這個峰值的上升時間為0.7納秒，下降時間約為30納秒。這樣可以模擬電磁干擾輻射的情況。

五、自然產生的電磁干擾

        原則上說，所有的電器、電子設備都可能產生電磁干擾。但是有的嚴重，有的比較微弱。一些主要的產生電磁干擾信號的設備和裝置大致如下。

1.輸電線電暈雜波。關于輸電線的已有許多實測數據，基于這些數據，可以求得計算電暈雜波的實用公式。然而關于這種雜波的發生機理、發射及傳播特性還不完全清楚，在這方面的理論仍需繼續探討。

2. 汽車雜波。汽車雜波是產生甚高頻(VHF)至特高頻(UHF)頻段城市雜波的主要原因。根據其強度和特性的測定結果，也可采取相應措施，使廣播和電視的質量基本不受影響。但*近由于電子設備用于汽車控制，移動通信設備的廣泛應用，這個問題又被重新提出。斯坦福研究所(SRI)對點火系統發射雜波的主要部件-點火栓、配電器接點等進行了改進，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引擎發動機各點火栓的脈沖雜波振幅分布。對配電器的情況，若電極間隙從0.27mm~2.39mm，則雜波可下降10分貝。若在負荷電極上增加銀接點，或用多發合金覆蓋，也可降低雜波。點火系統以外的汽車電裝置也能發出雜波，其特性正在測試研究中。

3. 接觸雜波。大體可分為接觸器自身雜波及導體開合時放電而引起的雜波。繼電器和電機觸點、整流子電刷間的開合所產生的放電雜波在人為雜波中占相當大的比例。

4. 電氣機車雜波。電氣機車運行時，導電、弓架與觸線間的放電也是人為雜

波的根源之一。如果導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**有效的方法。

5. 工業科學醫療用射頻設備(ISM)雜波。ISM設備是把50Hz交流通過射頻振蕩變為射頻的變頻裝置、用于工業感應和電介質加熱、醫療電熱法和外科手術工具以及超聲波發生器、微波爐等。雖然ISM設備本身有屏蔽，但有縫隙、孔油、管線進出和接地**等，仍將有電磁場泄漏形成干擾。

6. 城市雜波。由于城市雜波與社會活動有密切的關系，它總是隨時代而變化。在日本每年都定期進行城市雜波測試。歐美也有不少學者專家收集雜波測試數據。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變化，其測試方法及統計處理的方法都還有待進一步探討。

7. 其他。以上主要介紹了幾種人為雜波的現狀及存在的問題。此外，如靜電放電、無線電臺的異常動作有時也很有害。況且幾乎所有機器設備的電源線上都有瞬變產生的各種雜波混合波在傳播著，這樣就會引起機器的誤動作。隨著數字電路的普遍采用，問題就更加嚴重。另外，還發現有不明原因的干擾存在。食品工業的自動化鍋爐點火器的微動開關也有接觸**的情況，因此也很有必要加速研究以探明產生這些雜波的原因。

六、核電磁脈沖

       核爆炸時大家都知道有三大效應：沖擊波、熱輻射(光輻射)和放射性沾染。實際上核武器還有第四種效應-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，再經大氣層吸收，所以到達地面時已很微弱，對人無害。然而在100公里以上的高空進行核爆，可在幾百萬平方公里的地域上產生很強的電磁脈沖(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。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(Command, Control, Communication Intelligence，簡寫為C3I)系統遭到破壞癱瘓、電力網斷路、金屬管線及地下電纜通信網等都受到影響，而陷入無電源、無通信、無計算機的三無世界。正由于不殺傷人，這就使核武器“常規化”，從而更增加了核戰爭的危險性。

七、小結

       由于80年代以來，電子設備發生了根本性的變化，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備的致使威脅。微電子技術水平愈高，電子設備的抗毀能力就愈差。無怪乎現在俄羅斯某些**飛機，無線電臺還采用超小型電子管而不用晶體管和集成電路。有很多國家野戰電臺還是用分立元件裝配。