电磁兼容第五章.docx
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电磁兼容第五章
第五章电磁兼容的敏感性测量技术
敏感性测量或干扰强度的测量是用以研究电子仪器对抗其在当地出现的干扰量的能力的方法。
人们认识这一干扰量可以根据过去的运行经验，也可以根据在当地专门进行的发射测量的结果。
不同环境的干扰电平造成了对环境的初步分级，分级本身要求检测方法有一定的严肃性。
用有代表性的干扰量进行过的干扰强度的检验并不能保证仪器绝对不再受干扰（例如，也可能有直接雷的特殊情况）。
但是，在许多场合下可以认为，仪器从概率来看是可以使用的，要补充的是面对任一干扰量出现的概率是多少？
这些干扰量是大于检验时有代表性的各级试验电压和试验电流或所属场强的。
在发射测量时有关如何进行和不超出无线电干扰极限值早已有大量和精确的文件可参考，而敏感性的测量常常是根据制造厂和使用者的内部准则进行的，它们自然放弃了规定而有另外的评估标准。
主要是制造厂和使用者要及时在代表性干扰量上取得一致，特别是产生它的试验用发生器的内阻值（如果此值按标准无规定）。
一个仪器涉及它的干扰强度应与标准规定的负荷相当，即使仪器不能为使用者满意，使用者也需通过个别的措施把干扰电平降低到测试干扰量的电平。
由于自动控制系统和机动车电子学等对干扰强度的要求差极大，在本章内只能讨论所用方法和仪器的基本电气技术原理。
对多种多样的干扰源和它的发射存在着大量不同的对电磁干扰进行模拟的方法，。
图5.1在敏感性测量技术中所用的EMI模拟方法
要求完成各种任务的模拟器和它们的耦合将在下面作进一步说明
5.1和引线相连的干扰量的模拟
模拟和引线相连的干扰量需要一个专用的干扰量模拟器和一套耦合装置，后者包含与试品连接的耦合元件和与电网连接的去耦合元件，在敏感性测量中耦合装置差不多有发射测量中的传输线阻抗稳定网络相同的任务，不过其作用方向是相反的，因此毫不奇怪，一些用于发射测量的耦合滤波器也可以用于敏感性测量。
干扰模拟器与试品的耦合可以是电容性的也可以是电感性的，在两种情况中必须区分是差模干扰还是共模干扰。
说明共模信号和差模信号的电容耦合的简单线路如图5.2所示。
串接阻抗LI和LⅡ一方面阻止试验脉冲进入电源，另一方面它的存在使在试品上产生一个一定的波形是必不可少的先决条件。
如果没有串接扼流圈则电源的相对微小的电阻实际上将把多数干扰模拟器短路掉。
因为在50HZ时，扼流圈上允许有10％的压降，所以保持与电源的去耦合是依靠滤波器CN，也可选用分接头配电变压器装在耦合装置之前，例如用它后电源电压可提高到为240V，因而补偿串接扼流圈上的电压降。
各种引入的耦合装置都附带一个隔离变压器，这样使单边接地的干扰发生器也可应用。
图5.2经过电容耦合与引线相连的干扰量的模拟
a）差模干扰的耦合，b）共模干扰的耦合
和电源有小的内阻一样，低阻抗的试品也形成干扰量模拟器的负载，使保持所需的测量成为问题。
因此，在每种情况下要用专门的电压和电流测量设备来验证，保持直接加在试品的端接点上的所要求的严格的检验。
在现代的耦合装置和干扰量发生器中已经装好这类传感器。
图5.3所示为差模干扰和共模干扰的电感性耦合的简化线路。
图5.3电感性耦合的与引线相连的干扰量的模拟
a）差模干扰的耦合b）共模干扰的耦合
这里对电源的去耦合主要是耦合电容CK在起作用，它对高频来说是短路的，所以无论是差模干扰还是共模干扰，干扰量都不能通过变压器进入电源。
因为宽带传输器将在工作电流回路中的电流或电压降变换至干扰量模拟器的输出端，在一些干扰量模拟器中有可能要求对这一量进行补尝。
图5.4用于检验交流电网中电子器件耐受过电压的理想化的脉冲电压波形
电感耦合因缺乏大功率商用宽带脉冲传输器，因此比电容耦合较少采用。
最后要指出：
信号引线和数据引线的耦合要考虑使用充隋性气体的过电压保护器。
图5.5用于单相和三相工作器件的过电压检验
Z：
去耦合阻抗
在这此基础讨论后在下面将进一步说明各种典型干扰的模拟。
5.1.1低压电网中低频干扰（ms级脉冲）的模拟
过电压的产生，由储能电容器在峰值出现的瞬间的放电造成，如图5.5所示。
当对单相工作的仪器使用单边接地的模拟器时，对两相和三相供电的装置要求干扰模拟器不接地和有对称的输出，其电位隔离不能用隔离变压器接在干扰模拟器之前，因为模拟器外壳不允许有高的接触电压。
储能电容器的容量根据电网中电子装置的电容性输入电阻和去耦合扼流圈的阻抗大小而定。
电容和试品的匹配要能满足图5.4的时间参数（Cmax＝250μF），在图5.5的任一种情况中，试验电压也可以用变压器式串联耦合进来。
除过电压以外电子设备也必须能经受住工作电压的短时间降低甚至短时断开。
证明防止电压降低的能力可用如图5.6所示的专用线路。
图5.6电网电压降低的模拟ST：
调压变压器
一个对电源电压能作任意移相的触发电子开关可以对所有类型的电源干扰作自由的模拟。
电源断开瞬间的典型值是10ms（1个半波），电压降落的（50％）时间约为20ms（1个周期）。
周期性电压降落的模拟也用在开关周期性的动作和专门结构中，例如发生在整流器的交替换向过程中。
5.1.2宽带弱能的操作电压干扰的模拟（突发干扰）
由继电器线图保护线圈和其他电感性负载开断引起的过电压，常以一群干扰脉冲显现在电源的，信号的和数据的引线的上。
对它们的模拟规定的干扰量的波示于图5.7。
图5.7：
模拟突发干扰的时间波形
a）高速时间偏移的单个脉冲
b）低速时间偏移的干扰脉冲群
单个脉冲在性质上有和高压测量的雷电脉冲电压相同的波形（双指数函数），但在定量上有另外的时间：
－上升时间Ta＝5ns±30％
－半幅值时间Ta＝50ns±30％
干扰脉冲用下列特征来表示：
－突发干扰幅值；
－突发干扰周期；
－突发干扰长度。
脉冲峰值取决于被试验仪器的类型或者来去引线的性质（电源引线，E／A－引线等），换言之，与它的电源电压的电平有关。
突发干扰脉冲的周期原则上为300ms±20％，干扰脉冲长度为15ms±20％，单个脉冲周期决定于试验的严格程度，见表5.1。
表5.1不同试验要求的突发干扰参数（作用时间1min）
试验严格程度
试验电压10％
（供电引线）
试验电压10％
（信号引线，数据引线）
脉冲重复频率
1
0.5kV
0.25kV
5kHz
2
1kV
0.5kV
5kHz
3
2kV
1kV
5kHz
4
4kV
2kV
2.5kHz
不统一
不统一
不统一
图5.7b的干扰脉冲群可按图5.8的线路产生。
图5.8突发干扰模拟器的原理图
开关S1决定脉冲群的宽度和周期，开关S2（无约束的火花间隙，可调的串边半导体管）决定单个脉冲的产生和单个脉冲的周期。
脉冲前沿主要由时间常数Lstr／RE决定，脉冲波尾由放电时间CsRE决定。
在与供电引线（例如220V电网）耦合时引入了一个有集中耦合电容（10~35μF）的耦合装置，同时也引入了对电源是消耦合的扼流圈在信号引线，控制引线和数据引线的耦合是通过分布耦合电容（电容耦合间隙）实现的，它的总电容约50~200pF，如图5.9所示。
图5.9靠电容性间隙形成的中性点不接地对称干扰电压耦合
在位置受限的情况下，在电容性耦合间隙也可接入一个集中的耦合电容或一个电容为100pF的金属箔代替电缆外套。
电容性耦合极易误认为是纯粹的电容耦合。
但这里不应忽略，经电容耦合流的电流最终必须通过杂散电容或直接经过中性线返回到突发干扰发生的中性线接头上，这里的电流回路与其他引线，即试品的工作电流回路是有电感性耦合的。
在通常情况下这是完全符合实际的，在与继电器线圈和保护线圈平行的引线中，由于它们的突发性，电位变化不会单有电容性耦合，而由于在回路中流有电流或它的突发性变化di/dt直接有性影响作用在与它平行的电流回路中。
5.1.3带宽高能过电压的模拟（组合波发生器）
大能量过电压是由火花放电、电子系统中开关动作等的直接耦合或感应耦合造成的。
它们的模拟是按高压测试技术中规定的雷电电压和操作冲击电压（双指数函数）进行的，如图5.10a所示。
因为按IEC60－2决定的波前时间Ts乘上1.67求出
Ts＝Ta1.67（5.1）
为了简化起见波尾Ts，大多被当作图8.10b的T／R，由于Ts＜＜TR故常常允许有大的误差。
其他时间参数是：
＿雷电冲击电压1.2／50：
Ts＝1.2μs±30％，TR＝50μs±30％
＿操作电压10／700：
Ts＝10μs±30％，TR＝700μs±30％
图5.10中的电压波形是相当理想化的，真正的雷电过电压在波前分级的，即由许多连续的过电压组合而成（多次雷闪），它们有较大的上升陡度。
图5.10过电压的波前、波尾和上升时间的定义
a）波前时间Ts和波时间TR，按IEC60－2
b）上升时间Ta和波尾时间TR，按IEC469－1
波形参数如1.2／50或10／700是根据IEC60－2定义的，根据IEC469－1规定增加了上升时间对冲击波形特征的描述，在这里从到不同的定义出发给出不同的数值，其实在一般情况下涉及的是同一波形。
产生图5.10a的电压波形的发生器过去采用有大内阻单级脉冲的回路，并被大量地用于绝缘检验，图5.11。
图5.11发生雷电和操作冲击电压的单级脉冲电路
当开关FS（火花间隙、真空继电器、闸流管等）动作时，储能电容器Cs经阻尼电阻RD向负载电容CB充电，对Cs>>CB情况上升时间由下式确定：
（5.2）
接着是CB经RE以时间常数
放电。
上述考虑适用于小电容高阻的试品，对带有过电压保护设备（充隋性气体的和ZnO避雷器、保护两极管、滤波电容器等）的仪器单纯做绝缘试验是无意义的，因保护元件限制了试验只能达到一个低的电压值，根本不能达到绝缘规定的负载。
更重要的问题是：
保护元件是否经受得住大能量冲击电压的导通电流（电源内阻很小的电压源产生的过电压）。
为满足这样的用途发展了组合波发生器，它在高阻试品上可提供所需的电压波形，在低阻试品内（例如，在过电压保护动作之后）流过一个与实际相近的短路
，如图5.12所示。
图5.12冲击电流的波前时间、波尾时间和上升时间的定义
a）波前时间
和波尾时间
b）上升时间按IEC469－1
类似于冲击电压这里也首先确定上升时间Ta再乘以1.25。
（5.3）
不同的因子来源于对波前时间的不同定义（波前由10％代替30％）波尾时间的不同相差因子1.25，即
（5.4）
其他的时间参数为
和
或按IEC469－1
和
对冲击电流8/20要注意的是：
曲线不是对称周期性的，而可能过冲达零线下30％。
混合波发生器的基本线路示于图8.13。
图8.13：
组合波发生器（原理图）
与一般高阻脉冲回路相反，冲击波形是由阻尼电阻和负载电容的RC值决定的，这里冲击波前由L／R来确定。
空载冲击电压的上升时间可计算得
（5.5）
波尾时间常数为
（5.6）
发生器的工作近似于短路（引燃的充隋性气体的避雷器等），所以冲击电流的上升时间近似为
（5.7）
波尾常数为
（5.8）
在（5.7）和（5.8）中，RP是试品的电阻性短路电阻（例如电弧电阻），通常假定它小于RS1。
表5.2按IEC801－5（初稿）的试验要求。
试验要求
空载电压（kV）10％
1
0.5
2
1.0
3
2.0
4
4.0
X
不统一
最后要指出：
除所述的电压波形外有其他试验电压要考虑，例如振荡操作冲击电压等，关于这些这里不作进一步的叙述。
5.1.4静电放电（EDS）的模拟器
模拟静电放电主要需要一个静电储存器（高压电容器）、一个直流（高压）电源、一个定阻值的放电电阻和一个放电电极，如图5.14所示。
图8.14：
静电放电模拟器的原理图
储能电容器CS由极性可变电压可调的直流电源充电后经电阻RS和放电电极EE对试品放电，放电电极从远处向试品接近，空气间隙逐步缩小到其击穿电压小于CS上的电压时产生火花放电。
对人体放电的模拟约
，对小家具放电为
。
还有一个附带的复杂问题。
根据气体放电的统计性质，放电火花不是一直保持同一波形，放电间隙的击穿电压和当时的气压和室温有关（换言之和空气密度有关）。
为此人们常常把ESD模拟器和试品直接接触，而高压是用一个可重复接通的高压继电器来接通，图5.15。
图5.15带高压开关的ESD模拟器
开关继电器是充高压气体Hi或SF6的开关。
因为严重的触头腐熔很少用真空开关，带高压开关的模拟器因为有较好的可重复的波形而显得很有特色，但模拟的静电放电火花的参数与图5.14的简单线路线路相比，在许多方面具有较差的“脉冲重复性”。
它是由图5.17）示出的杂散电容的放电或再充电而引起的。
目前在不考虑预脉冲条件下求得标准脉冲波形如下，见图5.16。
图5.16ESD的标准脉冲
这一标准的脉冲仅仅是为比较不同制造厂生产的ESD模拟器而用，在实际中是针对大的上升时间和电流上升陡度的。
如果从图5.14的简单等值电路出发和假定放电回路有约
的电感，那么在放电电阻
时在粗线表示的放电回路中电流的上升不会快于时间常数L／R因此人们得到电流脉冲的上升时间为：
（5.9）
更短的上升时间只有在更小的引线电感和／或较大的放电电阻下才有可能。
电流峰值在几十安培数量级内通过调节储能电容器的充电电压而间接求得，要满足下列试验要求。
表5.3对ESD－模拟的试验要求
试验要求
空载电压（kV）10％
1
2
2
4
3
8
4
12
在给定电压下相应的电流峰值（忽略杂散电容）的计算值为
（5.10）
其中
（5.11）
和
（5.12）
储能电容器Cs和放电电阻Rs通常是装在一个试验柜内，它一方面是高压供电线，另一方面它的2m长保护接地引线和试品的中性线或保护接地连在一起。
上述等值电路图标出了造成预脉冲的杂散电容。
预脉冲的上升时间由于放电回路的小电感比按方程（5.9）计算出的值小得多。
因为火花电流的波形，尤其是波头的电流陡度，显然和试验的布置有关，在对试验结果的对比性有高的要求时各种元件和导线的空间布置必须准确地和已有文件规定一致。
为保证试验的安全，保护接地引线用多股绞线和具有良好的接触，并尽可能将长度缩短到最小（较小的回路电感，较大的电流上升陡度）。
我们还应区分在实验内的ESD的敏感性测量和在工作现场的测量。
在第一种场合试品绝缘起来放在保护接地的参考面上（见图5.17），在第二种场合试验在没有导电的参考面上进行，试验枪的保护接引线边同电源线的保护接线（在插座内），一起接到模拟器上。
图5.17带试验枪的试验设备的等值电路图
试验带昂贵的绝缘外壳的仪器时，由于上述测量不能进行（放电火花不能形成封闭的电流回路），放电经一个附加的导体引至保护接地平面导体上，如图5.18所示。
图5.18用相邻的回路回线进行全绝缘仪器的ESD－试验
这一思想的延伸产生了有些试验枪附带有框形电线和头部的棒形天线，它们分别适用于磁场耦合电场的耦合，如图5.19所示。
图5.19扩大ESD模拟器的应用范围的磁场天线和电场天线
5.1.5狭带干扰的模拟
狭带模拟可以用来判断电子设备对付供电网络的谐波振荡和无线电控制信号的能力等。
用作干扰模拟器的接有功率放大器的信号发生器，用专用的高频传输器将干扰以电感方式耦合到供电引线、控制引线和信号引线中。
旁路电容器的作用是使经变压器式的耦合进来的电压以满幅度出现在试品上，如图5.20所示。
图5.20狭带干扰的模拟
耦合进来的试验干扰量用高频电压互感器和示波器或干扰电流接收机来测出。
高频电流互感器测出模拟的干扰电流。
5.2似稳场和电磁波的模拟
似稳场电场和磁场以及电磁波的模拟是由发射天线和为它供能的电压源来实现的。
与导线相连的干扰一样也要区分狭带干扰（例如无线电发射台，单色波）和宽带干扰（瞬态场和波）。
5.2.1狭带干扰场的模拟
狭带干扰场的模拟必须考虑保护电磁频谱源（由于邮电部门的规定），应在有吸收物装备的屏蔽室内进行。
由于强度很高，测量时吸收室内不允许有人存在。
在功率密度过大时存在吸收物自燃的危险，在功率测量发射机和放大器的投入运行时事先安排获得邮电部门的批准。
根据互易定律，发射天线基本上就是那些在发射测量文献内详细讨论过的天线。
接收天线和发射天线间的区别，主要在大功率发射时必须考虑例如同轴电缆／天线过渡的对称变换器的发热和用铁磁材料时涉及它的线性度等。
向天线供能的电压源由发生器和后接的放大器组成。
根据覆盖频率范围的宽度要求多个发生器和功率放大器，它们有不同的振荡原理和放大原理。
为了所有测量频率内试品上有一恒定的场强，随频率变化引起的放大率的波动和失配，在闭环运行时借电平自动调正来补偿。
这方面基本上有两种形式。
在第一种情况下人们测量试品的场强用一个各向同性的天线经光导束传递电平到调平放大器（levellingamplifier），它再根据要求值与实际值之比而调整放大量，如图5.21所示。
图5.21带调节回线的场模拟：
用场传感器决定实际值
实用的调平放大器大多有多个入口供多种场传感器使用（用积分测量）。
为了掌握实际值人们在场传感器的地方也放入一个定向耦合器（directionalcoupler），它的输出电压接向调平放大器，如图5.22所示。
图5.22带调节回线的场模拟：
用定向耦合决定实际值
定向耦合可以分开测量前进方向（通向天线）流过的功率和由天线反射回流到发射机的功率。
两信号之差是天线发射功率的量值。
相对于定向耦合用有各向同性天线的调节来测实际值是有它的优点的，它考虑了发射天线在发射方向方面的非各向同性的影响。
5.2.1.1特殊天线、开口的和封闭的波导管
除了在5.1节中已经谈到的天线以外，专门用于似稳电场和似稳磁场的敏感性测量的还有下述专门的天线或场耦合装置。
H场30HZ~3MHZ：
对集中在磁场干扰强度的研究，图5.23是最适用的试验布置。
图5.23用以模拟集中似稳磁场的圆柱形线圈
长l匝数N的圆柱形线圈的轴向磁场强度可近似地计算得出
（5.13）
为了要把整个试品放在一个向空间发散的磁场内，试验布置最好按图5.24用一个由木架支撑的固定的框形线圈。
这里要满意地找出H场强和供能电流
之间的关系，只有用磁场测量探针来校正后才能完成。
而按照图5.25的试验设备就能避免上述缺点。
图5.24模拟空间发散的磁场的框形线圈图5.25产生一个弱不均匀的但可以计算的
磁场的Helmholt的线圈对
在两个半径为r0相隔距离也为r0的环状线圈间产生的是一个近乎均匀的磁场。
（5.14）
E场10kHZ~30MHZ或150MHZ：
似稳E场的产生可以用图5.26和图5.27所示的装置。
图5.26不对称供能的E场天线5.27带外接短路电阻的对称供能E场天线
因为输入变换器具有一定匝比，例如1：
2，所以功率放大器的
内阻要和4倍大的天线阻抗匹配，同时得到双倍的天线电压或天线场强和高频放大功率的有效转换。
短路电阻的设计根据发热情况，其功率可达到几千瓦。
在图5.27中有一个附加变换器，经它变换使短路电阻仍为
，这样就能用一般商用的耐热的高功率同轴高频电阻。
用上述设备产生的电场是很不均匀的，它的空间分布显然不能令人满意。
用开口波导可得到较好的固定的场分布，如图5.28所示。
图5.28开口波导管（平行板导线，狭条片导线）
两块平板组成电长导线。
锥形过渡段和板宽对板间距离之比的大小是这样决定的，让从输入端的波阻抗Z0到端接电阻一直保持常数。
在直流电压和低频时（l）在板间主要是似稳场，它的场强可按下式计算l：
（5.15）
有效高度约为1／3的板间距离。
在频率较高时（l，d）在导线间分布的从输入端到端接电阻间的电磁波是具有横向的电场强度的。
由于是这样的横向E场，可以根据式（5.15）算得，试品上的负荷则不同于纯粹似稳场的情况。
对于很高频率时d，电磁波的横特性不存在了，形成了明显的较高的模，而（5.15）失去了它的适用性。
如果板导线的平行部分短，则开口波导类似于圆锥形导线了。
产生似稳场相互耦合的横向E和H场的另一可能性是采用TEM－测量小室。
TEM－测量小室是专门用来作EMC－敏感性测量和发射测量的特殊结构的屏蔽室。
它是具有直角形截面的同轴波导，其两端或只一端过渡到有相同波阻的（大多为
）同轴电缆系统，如图5.29所示。
图5.29典型的TEM测量小室
外导线和内导线沿传播方向的截面比的选择类似于口波导，保持波阻抗为常数，在g<（5.16）
按波阻抗优化计算出的锥形过渡段及端接电阻的结构形式是借助时域反射法计求得的。
在第一TE－模（EZ＝0和HZ
0的横电波）的极限频率以下
（
：
光速）（5.17）
在内部区域的中心，电场强度类似于平行板导线，近似为
（5.18）
这里U为发射机的输出电压，d为内外导线间的距离。
有效高度也差不多为d/3。
常用的场强值处于100~500V／m之间。
在TEM的频域范围内场分布也可用静电场计算程序求得，但它帮助不大，因为满足TEM条件时其场强可从（5.18）式算出，不满足静电学规则时会给出错误的结果。
E场的空间分布特别在壁的附近是用E场探针的测量技术求得的。
为改善试验空间的充分利用，内导线也可以偏离中心位置。
要扩展TEM小室的使用范围至最大极限频率，可以用局部粘贴吸收体的办法。
另外，吸收体最适用于紧凑的不对称的TEM室，可按波阻值达到密闭。
5.2.1.2放大器
为了能进行接近真实情况的敏感性测量，通用的测量发射机和讯号发生器的输出功率总是嫌小，因此人们要用专门的大功率测量发射机或后接功率放大器给天线供能。
因为宽带放大器的宽带大小和放大倍数是相互关联的，通常需要多级放大，它们各有不同带宽范围和不同的工作重点。
放大器最重要的特性是：
―带宽；
－放大倍数；
－输出功率；
－稳定度；
－输出端不匹配的误差。
一个理想的放大器在它的带宽之内（上下极限频率之差B=fgo－fgu）具有恒定的电压增益（gain）和负载无关（从空载到额定负载）。
在实际放大器中放大倍数是晃动的，它和频率及负载有关，因此频率响应总不是水平的。
但放大倍数应要求这样大，在输入端满负荷时（例如1mW）在规定负荷下放大增益的频率响应处于最小时也能产生需要的输出功率。
值得高兴的是当流行的调平放大器即使在波浪式的频率响应时也能做得相当好。
在负载不匹配时，例如由于有高驻波比的随频率强烈变化的阻抗率放大器必须忍受发射器的功率。
因此放大器不会工作在经过非预选安排的耦合变为振荡器的状态（保护线路）。
5.2.2宽带电磁波场的模拟
宽带电磁波场出现在电压和电流瞬态变化的远场内，例如在NEMP（核爆电磁脉冲）中和雷电放电时、在脉冲功率技术中或高压试验室内。
对它们作近乎实际的定量的模拟，要求有开口的或封闭的波导系统，它由脉冲电压源供能。
例如NEMP模拟器产生向空间扩展按双指数时间变化的瞬态电磁场。
一台NEMP模拟器主要由一个脉冲电压发生和一个波导系统组成，发生器产生电压为几个兆伏和上升时间仅几个纳秒的电压脉冲，波导系统把场耦合到试品上（平行板导线，锥形导线），如图5.30所示。
图5.30NEMP－模拟器
因为尺寸较大，用单根导线来代替板，它们同时起模滤波器的作用，因为与板状导线相反，这里没有垂直于波传播方向的电流产生。
导线的数目和间距基
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