EMC简介
一架客机在空中爆炸，机上230人全部遇难。一家医院的注射泵在没有触发任何警报的情况下自动停止了救生药物的输送。当涡轮机控制阀自动关闭时，核电站进入警戒状态。这些实际事件都是电磁兼容性问题的症状。
电磁兼容性(EMC)被广泛地定义为系统中所有设备都能够在预期的电磁环境中正常工作的一种状态。在1996年,环球航空800航班这架从纽约飞往巴黎的飞机起飞后不久就在海上爆炸了。经过长时间的调查，包括打捞和重建飞机的主要部分，得出的结论是，爆炸最可能的原因是中央机翼油箱的火花点燃了空气/燃料混合物。这个火花很可能是大电压瞬变的直接结果，可能是电源线瞬变或静电放电。
2007年，阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam)的研究人员进行了一项研究，记录了医院中近50起因使用手机而产生的电磁干扰事件，并将其中75%归类为重大或危险事件。另一项研究的研究报告显示，来自RFID设备的电磁干扰也有可能导致重症监护医疗设备故障。
尼亚加拉莫霍克九英里角2号核电站的阀门自动关闭是由于工人的无线手机产生的干扰。尽管所有核电站的设计和建造都非常强调安全，但普通无线手机相对较弱的辐射导致了重大故障。
不幸的是，这些都不是罕见的孤立事件。电磁兼容问题每年导致许多人死亡，并造成数十亿美元的收入损失。在过去的十年中，由于微处理器控制的设备、高频电路和低功率发射器的激增，EMC问题的数量和严重程度呈爆炸式增长。
EMC问题的要素
EMC问题有三个基本要素，如图1所示。必须有一个电磁能量源，一个因电磁能量而不能正常工作的受体(或受害者)，以及它们之间的一条路径，将能量从源耦合到受体。这三个要素中的每一个都必须存在，尽管它们可能不容易在每种情况下都被识别出来。电磁兼容问题通常通过识别至少两个这些元素并消除(或衰减)其中一个来解决。
图1。EMC问题的三个基本要素。
例如，在核电站的案例中，受体很容易被识别出来。涡轮控制阀失灵了。源和耦合路径最初是未知的;然而，一项调查显示，工厂员工使用的无线手机是污染源。尽管此时耦合路径尚不清楚，但通过消除信号源(例如在某些地区限制使用低功率无线电发射机)，问题得到了解决。一种更彻底、更安全的方法是确定耦合路径，并采取步骤消除它。例如，假设确定无线手机的辐射辐射在连接到印刷电路卡的电缆上诱导电流，印刷电路卡包含控制涡轮阀的电路。如果发现电路的操作受到这些感应电流的不利影响，就可以确定可能的耦合路径。屏蔽、滤波或重新布线，以及滤波或重新设计电路，都是将耦合路径衰减到不存在问题的可能方法。
当一辆罗斯福岛有轨电车在线路的尽头突然加速并撞上混凝土屏障时，问题被认为是有轨电车电力的瞬变。耦合路径可能是通过速度控制电路的电源，尽管调查人员无法重现故障，因此源和耦合路径从未最终确定。另一方面，受体被清楚地显示为速度控制电路，这个电路经过了修改，以防止它被无意的随机输入所混淆。换句话说，解决方案是通过使速度控制电路对源产生的电磁现象免疫来消除受体。
电磁兼容性问题的潜在来源包括无线电发射机、电线、电子电路、闪电、调光器、电动机、弧焊机、太阳耀斑以及几乎任何利用或产生电磁能量的东西。潜在的受体包括无线电接收器、电子电路、电器、人，以及几乎任何利用或能探测到电磁能量的东西。
将电磁能量从源耦合到受体的方法分为四类之一。
- 传导(电流)
- 电感耦合(磁场)
- 电容耦合(电场)
- 辐射(电磁场)
耦合路径通常利用这些方法的复杂组合，使得即使已知源和受体，路径也难以识别。可能有多个耦合路径，衰减一个路径的步骤可能会增强另一个路径。
EMC简史
在19世纪80年代后期，德国物理学家海因里希·赫兹进行了实验，证明了无线电波传播的现象，从而证实了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦20年前发表的理论。赫兹在两根金属棒之间的小间隙中产生了火花，这两根金属棒的另一端连接到金属板上，如图2所示。火花激发在杆上产生振荡电流，在天线谐振频率附近产生电磁辐射。接收天线是一圈有很细缝隙的电线。缝隙中的火花表明存在随时间变化的磁场，而最大火花缝隙长度提供了接收到的磁场强度的测量。
图2。海因里希·赫兹建造的早期天线。
古格列尔莫·马可尼了解了赫兹的实验，并对其进行了改进。1895年，他发明了无线电报，这是第一台利用无线电波传递信息的通信设备。虽然他的发明的重要性最初没有得到重视，但美国海军对这种设备的潜力很感兴趣，因为它可以加强与海上船只的通信。
1899年，美国海军首次在舰上测试无线电报。虽然测试在许多方面都取得了成功，但海军无法同时操作两个发射机。产生这个问题的原因是，早期无线电报的工作频率和带宽主要由天线的大小、形状和结构决定。接收天线总是(实验地)被“调谐”到与发射天线相同的工作频率，然而带宽很难控制。因此，当两台发射机同时工作时，接收机在一定程度上都能探测到两台发射机的磁场，接收到的信号一般是不清楚的。这种早期的电磁兼容问题被称为射频干扰(RFI)。随着无线电报的普及，对射频识别的关注也越来越多。
1904年，西奥多·罗斯福签署了一项行政命令，授权商务部管理所有私人广播电台，授权海军管理所有政府广播电台(以及战争时期的所有广播电台)。不同类型的无线电发射机被分配了不同的频率分配，通常只允许在特定时间工作，以减少射频干扰的可能性。
到1906年，各种火花淬火方案和调谐电路被用于显著降低无线发射机和接收机的带宽。然而，真正使窄带传输和接收成为可能的是1912年真空管振荡器和1918年超外差接收机的发明。这些技术的发展也使得传输相当清晰的人类语言成为可能，这为商业无线电广播铺平了道路。
从1925年到1950年这段时间被称为广播的黄金时代。在这一时期，收音机的普及程度急剧上升。随着收音机数量的激增，电磁兼容性问题也随之出现。RFI是一个普遍的问题，因为管理有意或无意干扰商业无线电广播的规定很宽松，而且更多人有机会使用无线电设备。为了缓解这一问题，1934年成立了联邦通信委员会(FCC)，作为美国政府的一个独立机构。它被授权通过无线电、电线和电缆管理美国州际和国外的通信。FCC的规定和许可要求大大减少了无线电频率干扰问题的数量。
然而，由于越来越多的无线电接收机被安置在家庭中，普通公众被引入了各种新的EMC问题。非故意的电磁辐射源，如雷暴、汽油发动机和电器，往往比故意的无线电发射机造成更大的干扰问题。
系统内干扰也日益受到关注。超外差式接收机包含自己的本地振荡器，必须与无线电自身电路的其他部分隔离。收音机和留声机被合并在家庭娱乐系统中。收音机被安装在汽车、电梯、拖拉机和飞机上。这些系统的开发人员和制造商发现有必要开发更好的接地、屏蔽和过滤技术，以使他们的产品发挥作用。
在20世纪40年代，许多新型的无线电发射机和接收机被开发出来用于第二次世界大战。无线电信号不仅用于通信，还用于船舶和飞机的定位(雷达)和干扰敌人的无线电通信。由于迫切需要，该设备被匆忙安装在船舶和飞机上，导致严重的EMC问题。
战争期间电磁兼容问题的经验促使第一个陆海军联合RFI标准JAN - I - 225，“无线电干扰测量”于1945年发布。更多的注意力集中在RFI问题上，特别是接地、屏蔽和滤波技术。电磁兼容在某种程度上成为一门工程专业，类似于天线设计或通信理论。
1954年，第一届关于无线电频率干扰的装甲研究基金会会议召开。这次年会是由政府和工业界共同主办的。三年后，无线电频率干扰专业小组成立，是无线电工程师学会几个专业小组中最新成立的一个。今天，这个组织被称为电气和电子工程师协会(IEEE)的电磁兼容协会。
在20世纪60年代，电子设备和系统成为我们社会越来越重要的一部分，对我们的国防至关重要。例如，一艘典型的航空母舰配备了35个无线电发射机、56个无线电接收机、5个雷达、7个导航辅助系统和100多根天线。在越南战争期间，海军舰艇经常被迫关闭关键系统，以便让其他系统正常运行。这种令人担忧的情况使人们更加关注电磁兼容性问题。在军事之外，对计算机、卫星、电话、广播和电视的日益依赖使电磁现象的潜在易感性成为一个非常严重的问题。
20世纪70年代见证了微处理器的发展和小型、低成本、低功耗半导体器件的激增。使用这些器件的电路对弱电磁场比旧的真空管电路更敏感。因此，更多的注意力被引向解决越来越多的电磁敏感性问题，发生在这些电路。
除了传统的辐射电磁磁化率(RES)问题，由于有意和无意的射频发射机，三类电磁磁化率问题在70年代得到突出。其中最常见的可能是静电放电(ESD)。当两个具有明显不同电势的物体相遇时，就会发生静电放电。一个常见的例子是，一个人在干燥的天气走过地毯后伸手去抓门把手时感到“震惊”。然而，即使放电太弱而感觉不到，也能破坏半导体器件。
另一个在70年代声名狼藉的电磁敏感性问题被称为EMP或电磁脉冲。军方意识到，在高空引爆核弹头会在一个非常广阔的区域内产生极其强烈的电磁能量脉冲。这种脉冲很容易损坏或破坏关键的电子系统。为了解决这一问题，一项重大努力开始开发屏蔽和浪涌保护技术，以保护在这种非常恶劣的环境中的关键系统。
第三个电磁磁化率问题，电力线瞬态磁化率(PLT)的出现，也是半导体器件使用增加的直接后果。真空管电路通常需要巨大的电源，以便将电子设备与电力线上的噪声隔离开来。另一方面，高速、低功率半导体器件对瞬态更敏感，其适度的功率要求通常导致使用相对较小的低成本电源，而这些电源与电力线没有很大的隔离。此外，这些设备的低成本意味着更多的设备被安装在家庭和办公室，这些地方的配电通常没有得到很好的监管，而且相对嘈杂。
20世纪70年代对电磁磁化率的重视体现在这十年中出现的处理磁化率的任务组、测试程序和产品标准的数量上。70年代末成立的一个组织被称为EOS/ESD协会(EOS是电过度压力的首字母缩写)专门处理上面提到的易感性问题。
在60年代和70年代发生的另一个变化是术语RFI逐渐被更通用的术语EMI或电磁干扰所取代。由于并非所有的干扰问题都发生在无线电频率上，这被认为是一个更描述性的命名法。电磁干扰通常根据耦合路径分为辐射电磁干扰和传导电磁干扰。
20世纪80年代发生的两件事对电磁兼容领域产生了重大而广泛的影响。
- 低价个人电脑和工作站的引进和普及。
- 对FCC规则和条例第15部分的修订，对来自计算设备．
低价电脑的普及之所以重要，有两个原因。首先，大量的消费者和制造商被介绍到一种产品，它既是电磁兼容问题的重要来源，也是电磁兼容问题的受体。其次，低成本、高速计算的可用性刺激了各种数值分析技术的发展，这些技术对工程师分析和解决EMC问题的能力产生了压倒性的影响。
FCC管理计算设备EMI的法规是在1980年至1982年之间逐步实施的。他们要求所有电子设备的工作频率为9千赫或更高，并采用“数字技术”，以满足设备辐射或与电源线耦合的电磁辐射的严格限制。几乎所有在美国销售或广告销售的计算机和计算机外围设备都必须符合这些要求。许多其他国家也制定了类似的要求。
在20世纪90年代，欧盟采用了远远超出FCC要求的EMC法规。欧洲法规限制了家电、医疗设备和各种不受FCC要求限制的电子设备的非故意排放。此外，欧盟制定了这些设备的电磁抗扰度要求，并确定了测试电子系统对辐射电磁场、传导电源和信号线噪声以及静电放电的敏感性的程序。
这些规定的影响是巨大的。在计算机市场呈指数级增长的时候，许多最新、最先进的设计因为无法满足政府的EMC要求而被搁置。公司成立EMC部门，招聘EMC工程师。为计算机公司提供屏蔽材料、铁氧体和滤波器的整个行业出现了。EMC短188金宝搏足彩网址期课程、测试实验室、杂志和咨询师开始出现在世界各地。国际上对EMC的关注鼓励了更多的研究，并在开发更全面的测试程序和有意义的标准方面取得了重大进展。
在过去的20年里，一些技术趋势对EMC的相关性和可用的工具产生了深远的影响。的出现物联网导致需要在日益复杂的电磁环境中可靠运行的电子系统数量呈指数级增长。自动驾驶汽车的引入和社会在确保公共安全方面对计算机的更大依赖导致了对电子系统可靠性的更大重视。在指定有意义的EMC要求和设计保证满足这些要求的产品时，出错的空间就更小了。
幸运的是，过去20年也取得了重大突破，帮助工程师努力预测和纠正潜在的EMC问题。在越来越复杂的电磁建模工具的帮助下，研究人员已经对导致EMC问题的耦合机制有了更深入的了解。开发的模型可以预测最坏的情况，并帮助开发保证满足其EMC要求的产品。在减少或消除不必要的电磁耦合的组件和材料方面，也取得了重大的技术进步。例如，采用纳米结构的新型轻质低成本屏蔽材料、更薄和更有效的吸收材料、更小的无源滤波器组件、更有效的瞬态抑制组件以及更复杂的数字设备，能够减少发射和提高电磁抗扰性。
电磁兼容的未来
今天，过去20年的趋势仍在继续。计算设备的密度越来越大、速度越来越快、越来越复杂、越来越普遍，这给EMC工程师带来了新的挑战。与此同时，电磁分析的进步和可用的设计选项正在彻底改变用于确保符合EMC要求的方法。
与电磁兼容性相关的政府和行业法规和测试程序将继续定期出台和更新。然而，技术创新的快速步伐基本上确保了仅靠法规永远不足以保证电子系统的安全性和兼容性。这使得在设计早期解决电磁兼容性问题比以往任何时候都更重要，而不是在产品无法满足给定要求后“修复”产品。