作者：杨继深
出版社：电子工业出版社
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电磁兼容(EMC)技术之产品研发及认证(电磁兼容(EMC)工程技术丛书)试读：
内容简介
本书以产品为对象，从工程实践的角度讲解电磁兼容的基本概念、设计技术，以及出现电磁兼容问题时的分析思路，目的是使读者学会如何使所设计的产品顺利通过电磁兼容试验。本书主要内容包括电磁兼容的基本概念、电磁兼容试验的基础知识、电磁屏蔽技术、电磁干扰滤波技术、接地设计、电缆的电磁干扰对策、线路板的电磁兼容设计、通过电磁兼容试验的关键设计点、电磁兼容问题的诊断等。在编写方式上，既避免烦琐的公式推导，又防止就事论事，通过物理概念的讲解，使读者了解电磁兼容的核心内容，培养读者解决电磁兼容问题的能力。
本书适合电子产品的设计人员，电子系统、信息系统、自动控制系统的设计人员，信息系统、自动控制系统的集成人员和维护人员阅读参考。前言PREFACE
本书是在《电磁兼容技术之产品研发与认证》的基础上完成的，不过它是按照一种全新的思路进行改写的。2004年至今的十年中，笔者在各类培训中一直使用《电磁兼容技术之产品研发与认证》作为基本教材。因此，具备了直接从读者那里收集意见的机会。读者除了给予那本书大量的赞赏之外，也提供了很多修改意见，更可贵的是很多读者听说笔者有改写的想法后，对新书的出版充满了期望。正是在读者的热切希望下，我才下决心进行改写。另外，当我把改写的想法说给张蓉编辑后，她不仅积极鼓励，而且将原来计划的时间缩短，希望尽快出版这本新书。
促成笔者尽快完成这本书的原因还有一个，即在技术咨询的过程中，发现很多问题其实并不是很复杂的问题，但是工程师们在处理问题时都没有正确的思路，走了很多弯路，浪费了大量的时间。他们一边翻看书本，一边生搬硬套，采取的很多措施让人啼笑皆非。当看到工程师们桌子上摆放着厚厚一摞电磁兼容书籍，但是从中找不到正确解决问题方法时，感到十分焦急，坚定了要尽快编写一本实用图书的决心。
在策划本书时，遇到的最大困惑之一就是将重点放在哪里。因为，电磁兼容技术涉及的领域很宽，面面俱到不仅篇幅不允许，而且对于读者也是无益的。读者可能花费了大量的时间阅读，但是不能够解决自己的问题。这在信息爆炸、工作节奏渐快的时代十分不适宜。为了解决这个问题，我决定从实践中寻找答案。通过回顾15年来从事电磁兼容培训和咨询中学员们感到不好理解的问题，与各个领域的工程师们讨论过的问题，以及现场遇到的实际问题，对这些问题进行归纳和分类，本书应该聚焦的内容逐渐显现了出来。在这个基础上，本着兼顾实用性和知识系统性的原则定出了各个章节的主题。因此，本书不仅是笔者25年来相关知识和工程经验的总结，还是工作在各个领域的广大工程师的经验总结。
本书在编写过程中，尽量通过物理概念解释现象，少用公式推导。特别是，现在电磁场计算和电磁兼容分析的软件工具很多，只要物理概念清楚了，能够建立正确的模型，计算并不需要硬件开发工程师们来做。另外，本书还省略了一些电磁兼容专用器件、屏蔽材料等的指标参数，主要目的是节省篇幅，也考虑到读者真正要使用这些参数时，很容易从厂家获得，并得到厂家的指导。
本书最大的改进之处有两个，一个是增加了更多的示意图。在过去的培训中，学员们对于PPT课件资料十分欢迎。这种资料，每页是一个主题，配以一张示意图，然后在备注页是关于示意图的说明，就像儿童喜欢的连环画。这种形式使阅读更加轻松，并且主题鲜明。随着多媒体技术的发展，人们越来越习惯于这种结合图示进行说明的方式。本书试图将这种优点融入进来，增加本书的阅读性，良好的阅读性也是本书编写时追求的目标。为了达到这一目的，大量的示意图是不可避免的，这些图虽然占据了不少的版面，但是使读者在理解方面轻松了很多。本书中采用的图大部分来自互联网。正如大家所了解的，互联网的信息传播很广泛，很多图的原始来源不是很清楚，因此，除非来源很清楚的图进行了来源的标注以外，一般的图没有注明其来源。
另一个重要改进是增加了更多的实践内容，也就是工程、试验方面的具体方法。过去认为，只要读者学会了理论和基本原理，自然会在实际中应用这些知识去解决问题，而不舍得花费版面介绍具体的做法。然而，在培训中发现，很多学员提的疑问恰恰是这些实际的问题。实际上，在学习和掌握任何知识的过程中，案例都是帮助理解的最好工具。在数学、物理的学习中，我们通过研究例题，才能学会应用所学的定理来解决问题。因此，本书中不吝笔墨地对一些具体的做法进行了介绍。
本书的编写中，特别注意理论与实践的结合，希望读者不仅要学会怎样处理书中介绍的常见问题，还要运用相关的知识来分析、解决遇到的特殊问题。笔者感到，制约工程师们掌握电磁兼容技术的一个主要原因是缺少好的教材。市场上的书籍大致分为两类，一类是面向高校学生的，公式推导占了大量篇幅，却很难找到一些对实际工程有指导意义的内容。另一类是面向实践的，但是其中内容大多以设计规则、实际案例为主，缺乏理论的阐述。读者遇到问题时，可以翻看，从中查找类似的情况，然后照猫画虎、生搬硬套。虽然能够解决一定的实际问题，但是很难培养工程师解决问题的能力。将理论与实践统一起来，培养工程师解决问题的能力是编写本书的目的之一。
本书阅读起来可能比较容易，因为这正是本书所追求的目标。本书内容涉及产品电磁兼容设计中的各个方面，掌握了这些内容，完全能够满足产品研发的要求。本书适合于具有一定实践经验，并且迫切需要解决电磁兼容问题的工程师。对于刚走出校门的毕业生来说，可能体会不到其中的奥妙，但是随着工作经验的积累，会逐渐领会其中的内容。本书共分9章。
第1章，介绍电磁兼容技术中用到的基础知识，对电磁兼容三要素进行了较详细的讨论，这些是我们分析电磁兼容问题的基础。另外还用了较大的篇幅对共模电流进行了介绍。很多电磁兼容的问题是由电缆上的共模电流导致的，但是一般教科书上对共模电流的叙述很简单，不能指导对具体问题的分析。本书从电磁兼容的角度进行了细致的讨论。电子设备的辐射性骚扰发射是工程师们感觉最难处理的问题，电磁波辐射是通过天线实现的，本章简单介绍了天线的辐射特性。频域分析是电磁兼容中常用的分析方法，是工程师们必须掌握的一种技能。电磁兼容计量中常用分贝这个单位，这个单位的定义虽然简单，但如果理解不透彻，会给工作带来不小的麻烦，本章中结合电磁兼容问题分析对其中的要点做了提示。
第2章，对电磁干扰的耦合路径做了细致的介绍。在电磁兼容的三要素中，骚扰源和敏感源往往都比较明显，但是耦合路径分析起来往往比较困难。通过本章的学习，能够对耦合路径有清晰的概念，在遇到电磁兼容问题时，能够目标明确地分析耦合路径，在进行硬件设计时，能够有意识地减小耦合。
第3章，对地线进行了详细的讨论。地线引起的电磁兼容问题是很多工程师所困惑的。在实际中，经常与工程师们讨论地线的正确设计方法，发现很多观点都是似是而非的，有些是想当然的结果。本章试图使读者对地线形成一个比较系统的概念，并用这些概念分析地线系统的问题，能够设计出一个电磁兼容性风险最小的地线系统。虽然一个系统的地线设计结果并不是唯一的，但是希望本章所介绍的方法能使工程师设计的地线系统问题最少。
第4章，对电磁屏蔽技术做了介绍。电磁屏蔽技术是电磁兼容设计中的重要技术之一，但是很多工程师不知道如何实现良好的电磁屏蔽，很多人将良好的接地作为一个重要的条件，而忽略了真正重要的因素。本章不仅介绍电磁波屏蔽的理论，更强调了做好电磁屏蔽要注意的工程细节，如电磁密封材料的选用、腐蚀的控制等。
第5章，介绍了电磁干扰滤波的相关理论和实践知识。很多工程师不重视电磁干扰滤波在保证设备电磁兼容性中的作用。实际上，从某种意义上讲，电磁干扰滤波对于保证设备的电磁兼容性的重要性超过电磁屏蔽与接地设计。本章首先介绍电磁干扰滤波与电磁兼容的关系，然后介绍电磁干扰滤波的特点，之后花费了大量的篇幅介绍电磁干扰滤波在工程实践中需要注意的问题与滤波器的实现方法。
第6章，介绍电路与线路板的电磁兼容设计方法。本章实际上是前面各章介绍的基本概念的实际应用方法。电路设计的核心是频谱和电路带宽的控制，而这些主要靠滤波来实现。电磁干扰滤波的知识是这种应用的基础。本章介绍了扩谱时钟技术的应用，这实际上是傅里叶分析技术的一种应用。线路板设计的方法则主要是地线概念、耦合概念的应用。通过本章的学习，读者不仅可以学习到具体的电路和线路板电磁兼容设计的方法，而且还能体会到基础理论知识对实际工程的指导作用。
第7章，介绍了电缆的电磁兼容设计方法。从电磁兼容角度考虑，电缆是设备中最重要的因素。不仅从理论上讲，电缆是电磁辐射与接收电磁波的良好天线，还因为很多电磁兼容性试验与电缆密切相关。因此，做好电缆的电磁兼容设计，对于保证设备顺利通过电磁兼容试验、减小系统中的电磁兼容风险至关重要。
第8章和第9章，主要以电磁兼容试验项目为线索，介绍了如何顺利通过电磁兼容试验的方法。对于一些急迫想要通过电磁兼容试验的读者，可以直接阅读这两章中的相关内容，然后进行实践。虽然可能对于为什么要那样做不清楚，但是可以大大提高通过试验的概率。当然，如果读者具备了前面各章的基础知识，再按照这里介绍的方法去做，可以更加轻松，并且通过试验的概率更高。实际上，如果能够完全理解本书中各章介绍的内容，所开发的产品基本上可以一次通过电磁兼容试验。
由于本书的编写主要利用业余时间，为了完成本书，牺牲了很多与家人、朋友在一起的时间，而他们表示了谅解，并给予了鼓励，在此对他们的支持和帮助表示感谢。在本书的编写过程中，电子工业出版社的张蓉编辑给予了密切的关注，并提出了一些有益的建议，从而加快了本书的进度，在此表示感谢。我的研究生王堃兆同学对本书中的公式和图表进行了整理和校对，在此表示感谢。编著者第1章基础知识1.1电磁兼容1.1.1 什么是电磁兼容
电磁兼容有两个含义，一个是设备或者系统在预定的电磁环境中能够正常工作，另一个是两个以上的电子设备或者系统同时工作时，相互之间不会产生电磁干扰的状态。
由于电子设备的大量应用，以及人们对电子设备的高度依赖，电磁兼容性已成为最受关注的领域之一。电磁兼容的概念已经深入到了生活中每个环节。例如，在乘坐飞机时，乘务人员要反复提醒乘客关闭手机，这就是要防止手机的发射信号对飞机的通信系统、控制系统产生不良影响。
又例如，如图1-1所示两个设备，一个是电视机，另一个是振动按摩垫。这两种设备经常同时工作，一边看电视，一边按摩背部。但是发现，两者并不能同时工作。因为当按摩垫工作时，电视机的屏幕上出现了干扰的情况，就是按摩垫与电视机没有达到电磁兼容的状态。图1-1 按摩垫与电视机之间没有达到电磁兼容状态
电磁兼容性不好还体现在设备或者系统在预定的电磁环境中不能正常地工作。例如，2012年7月发生的高铁追尾事故（见图1-2），当时正处于雷电气候，关于事故原因的一种说法是高铁的信号控制系统在雷电的影响下出现了误动作，发出了错误的行车信号。如果确实是这样，就说明信号系统没有达到电磁兼容的状态，因为雷电是自然界中很常见的现象，信号系统在设计时必须考虑与这种环境兼容。实际上，我们在乘坐高铁列车时确实发现，如果有雷电天气，列车就会降低速度，因此在雷雨季节高铁列车经常会出现晚点的情况。图1-2 高铁信号系统与自然环境没有达到电磁兼容状态
雷电是一种常见自然现象，雷电实际就是静电放电的过程，在发生雷电的过程中，会产生强大的电磁场，这种电磁场会对电子设备产生干扰，轻者导致数据错误，重者导致硬件损坏。这是所有在地球上使用的电子设备都必须考虑的问题，要采取适当的防护措施，保证电子设备或者系统不受雷电的影响。
实际上，电磁兼容问题并不是最近才出现，自从20世纪的20年代，广播通信发明以来，人们就开研究无线电干扰（电磁干扰）导致的各种问题。30年代，人们对电磁干扰已经有了相当多的研究和认识，所研究的问题不仅限于无线电广播产生的干扰，而且还涉及马达、电器开关以及汽车点火装置对无线电广播所产生的干扰。
在1933年，针对越来越严重的电磁干扰问题，国际电工委员会（IEC）成立了国际无线干扰特别委员会（CISPR）。1934年，CISPR召开了第一次会议，主要议题是确定一个合理的无线干扰限制值，以及如何对电磁干扰进行测量。
第二次世界大战中，由于远程通信和雷达在军事上的应用，极大地促进了电磁兼容问题的研究，一些军用标准和规范随之诞生。
今天，电子技术已经深深地融入各行各业，电磁干扰的问题也愈加突出。如何使电子设备达到电磁兼容的状态也成为产品开发工程师、系统集成工程师以及用户关心的问题，同时也成为政府管理工作的一部分。
在电子设备和系统的设计中采取控制电磁干扰的措施，使电子设备和系统能够达到电磁兼容的状态，就是本书讨论的主要内容。1.1.2 电磁兼容标准
为了使电子设备达到电磁兼容状态，各国政府都出台了电磁兼容标准。电磁兼容标准的制定基于两项工作的基础，第一项是对现实环境中的电磁干扰现象的研究，包括电磁干扰是怎样产生的，它的幅度、频率是怎样的。第二项是对电子设备受电磁干扰的机理的研究。在这两项研究的基础上，制定了电磁兼容标准，标准规定了电子设备需要进行的试验项目，每项试验的具体实施方法以及每项试验通过与否的判据。当设备满足了电磁兼容标准的要求时，在实际环境中可以可靠地工作。
电磁兼容标准分为基础标准、通用标准、产品类标准和专用产品标准等四种：（1）基础标准：描述了EMC现象、规定了EMC测试方法、设备，定义了等级和性能判据；（2）通用标准：是按照设备使用环境划分的，当产品没有特定的产品类标准可以遵循时，使用通用标准来进行EMC测试。（3）产品类标准：针对某种产品系列的EMC测试标准。往往引用基础标准，但根据产品的特殊性提出更详细的规定。产品类标准主要从电磁骚扰发射和抗扰度两个方面对产品的电磁兼容性进行规定。（4）专用产品标准：专用产品标准通常不单独形成电磁兼容标准，而以专门条款包含在产品的通用技术条件中。专用产品标准对电磁兼容的要求与相应的产品族标准相一致，在考虑了产品的特殊性之后，也可增加试验项目和对电磁兼容性能要求作某些改变。与产品族标准相比，专用产品标准对电磁兼容性的要求更加明确，而且还增加了对产品性能试验的判据。对试验方法，应由试验人员参照相应基础标准进行。
产品类标准对产品的电磁兼容要求主要包括标如图1-3所示的几方面内容。图1-3 电磁兼容标准的内容（1）两方面要求：首先从两个方面对设备提出要求，一个是工作时不会对外界产生不良的电磁干扰影响，另一个是不能对外界的电磁骚扰过度敏感。前一个要求称为骚扰发射要求，后一个要求称为敏感性或抗扰度要求，在本书中这两个术语通用。（2）能量传播的途径：在每个方面的要求中，又按照电磁能量传播的方式进行划分。一种方式是以电磁波的形式通过空间传播，另一种方式是以电流的形式沿导线传播。因此，电磁骚扰发射可以分为传导发射和辐射发射；敏感性也可以分为传导敏感性和辐射敏感性。（3）静电放电：静电放电试验独立于传导敏感性、辐射敏感性试验，因为它对设备造成干扰的机理十分复杂。
传导发射、辐射发射、传导敏感性、辐射敏感性等四个方面的试验项目又根据不同的干扰种类、频率范围和试验方法进行细分，由此得到许多不同的试验项目。划分这么多的试验项目的目的就是能全面模拟实际的电磁环境。
制定电磁兼容标准是一件十分复杂的工作，需要投入大量的人力、财力。因此，许多国家都直接采用IEC制定的标准。
IEC有两个平行的组织负责制定EMC标准，分别是CISPR和TC77（第77技术委员会）。CISPR制定的标准编号为：CISPR Pub. ××，TC77制定的标准编号为IEC ×××××。
CISPR机构目前有七个分会：
A分会（无线电干扰测量方法与统计方法）；
B分会（工、科、医射频设备的无线电干扰）；
C分会（电力线、高压设备和电牵引系统的无线电干扰）；
D分会（机动车和内燃机的无线电干扰）；
E分会（无线接收设备干扰特性）；
F分会（家电、电动工具、照明设备及类似电器的无线电干扰）；
G分会（信息设备的无线电干扰）。
TC77机构是1981年成立的，目前有3个分会：SC77A（低频现象）、SC77B（高频现象）、SC77C（对高空核电磁脉冲的抗扰性）。
我国的民用产品电磁兼容标准基于CISPR和IEC标准，目前已发布57个，编号为GB××××—××，例如GB 9254—2008。
欧盟使用的EN标准也是基于CISPR和IEC标准，其对应关系如下：
EN55×××= CISPR标准，如EN55011 = CISPR Pub.11；
EN6××××= IEC标准，如EN61000-4-3 = IEC61000-4-3 Pub.11；
EN50×××=自定标准，如EN50801。
我国的国家标准（GB）也是引用CISPR的标准。军用标准（GJB151A、GJB152A）是引用美国军标MIL-STD-461D和MIL-STD-462D。
标准中规定的各项电磁兼容试验实际上是对现实情况的一个反映，因此，采取设计措施满足这些试验的要求能够大大减少设备、系统出现电磁干扰问题的概率。笔者处理过很多电磁干扰的问题，包括一些尚在研制过程中就已经出现了严重的电磁干扰问题而不能继续进行研制的设备和系统，实际上都是因为在设计时没有针对通过电磁兼容试验而采取必要的措施。
另外，对于产品通过电磁兼容试验还需要有另一个正确的认识，这就是产品通过了电磁兼容试验并不意味着在实际使用环境中，就绝对不会出现电磁干扰的问题，因为电磁兼容标准仅仅是针对典型电磁环境制定的，并不是针对所有电磁环境的。1.1.3 电磁兼容设计的目的和内容
电磁兼容设计的目的有两个，一个是保证电路之间、模块之间、系统内部的自兼容，另一个是顺利通过电磁兼容试验。
随着电磁兼容要求纳入强制认证，大部分硬件设计师已经开始有意识开展电磁兼容设计，当然设计的主要目的是为了通过电磁兼容性试验。而电路、模块之间的自兼容问题往往是在调试的过程中进行解决。
实际上，任何一项电磁兼容性设计往往会改善整个系统的电磁兼容性。尽管我们针对如何通过电磁兼容性试验采取了各种设计措施，但是这些措施往往对于改进电路的自兼容性也十分有益。
例如，为了通过辐射骚扰发射试验，必须对线路板进行良好的设计，包括减小信号回路的面积、降低地线上的噪声、限制时钟信号的上升沿等，这些都有益于减小电路之间的串扰。
又例如，为了通过辐射骚扰抗扰性试验，需要尽量限制电路的带宽，降低电缆接收电磁波的效率等，这对于减小电路之间的串扰也是有好处的。
无论为了什么目的开展电磁兼容设计，设计的内容主要如表1-1所示。表1-1 电磁设计的内容和目的1.2电磁兼容的三要素
发生一个电磁兼容问题，或者叫做电磁干扰问题，需要同时具备三个条件：（1）骚扰源：产生电磁骚扰的电路或设备。（2）敏感源：受这种干扰影响的电路或设备。（3）耦合路径：能够将干扰源产生的干扰能量传递到敏感源的路径。
以上三个条件称为电磁兼容的三要素，只要将三个要素中的一个消除，电磁干扰的问题就不再存在。因此，电磁兼容技术是围绕着这三个要素展开的。通过研究每个要素的特点，提出消除每个要素的技术路线，以及这些技术路线在实际工程中的实现方法。
以图1-1的电兼容问题为例。在这个例子中，敏感源是电视机，骚扰源是与电视机共用一个电源插座的按摩垫，耦合路径是电源线。
要解决这个问题，可以从三个要素分别入手。一个解决思路是控制按摩垫的传导骚扰发射，使按摩垫在工作时不向电源线发射过强的电磁骚扰；另一个解决思路是提高电视机对来自电源线骚扰的抗扰度，使它能够承受来自电网的骚扰；第三个是切断耦合的路径，如电视机与按摩垫从不同的电源供电。
关于电磁兼容三要素的分析方法同样适用于为了保证设备通过电磁兼容性试验的设计中。例如，在传导骚扰发射试验中，骚扰源是受试设备，敏感源是测试接收机，耦合路径是LISN；在电快速脉冲（EFT）抗扰度试验中，骚扰源是EFT发生器，敏感源受试设备，耦合路径是专用的耦合网络。
在分析实际的电磁兼容问题时，往往敏感源最容易辨识，因为这往往是引起我们关注电磁干扰问题的线索。骚扰源通过一定的技术分析和实验可以确定，最困难的是耦合路径的确定。本书在后面的分析过程中，也把重点放在耦合路径的分析上。1.2.1 电磁骚扰源的特性
在进行电磁兼容设计时，首先要识别电磁骚扰源，然后对这些电磁骚扰源采取措施，减小电磁骚扰的发射。有些电磁骚扰源不可能消除，例如雷电、静电放电等，这时只能采取适当的措施使设备或者系统能够抵抗这些电磁骚扰，而要做到这一点，必须要了解这些骚扰源的特征，包括它们的频谱分布和幅度。
电磁骚扰产生于电压或者电流的剧烈变化，用数学的方法描述就是，有较大的du/dt、di/dt。因此，当电路中，或者周围的环境中存在较大的du/dt、di/dt时，就构成了潜在的电磁骚扰源，电磁兼容设计就要特别关注这些现象。当然，电磁骚扰能量是否能够发射出来，并对其他电路形成干扰，取决于另外一些因素。我们进行电磁兼容设计，从某种意义上讲，就是要限制电磁骚扰能量的发射，因为在很多场合du/dt、di/dt由于系统功能的要求，并不能够随意降低。为了使读者加深对上述概念的理解，举几个例子如下。
例一 数字脉冲电路中的电压和电流都是脉冲状的，脉冲电压的上升沿具有很大的du/dt，脉冲电流具有很大的di/dt，因此数字脉冲电路就是潜在的电磁骚扰源。实际上，正是由于数字电路、脉冲电路的设备的大量普及，才引起了人们对电磁干扰问题的特别关注。
例二 开关电源、变频器等设备都是很强的电磁干扰源，这是因为这些设备都是基于开关电路的工作原理，产生脉宽调制（PWM）电压，这种工作原理必然产生很大的du/dt和di/dt。开关电源是导致传导骚扰发射的主要原因，所有的设备都需要一个电源线输入滤波器，就是因为几乎所有的设备中都包含开关电源。
例三 雷电是一种常见的电磁骚扰源。因为，雷电现象就是一种静电放电过程。热空气与冷空气对流的过程中，产生不同的静电荷，当两块云之间的电压超过某个数值时，导致两块云之间的空气电离，发生放电，产生辉光和巨大的热量，空气在巨大的热量作用下迅速膨胀，发出隆隆雷声。这种放电现象也经常发生在云块与大地之间。由于放电是突然爆发的，因此形成很大的di/dt，这会产生很强的电磁骚扰。图1-4是一个雷电产生的电流，图1-4（a）是一个完整的放电过程，图1-4（b）是放电开始时间的展开图。从图中可以看出，放电电流从零突然达到数万安培，然后突然消失，具有很大的di/dt，因此产生很强的电磁骚扰。图1-4 雷电现象的电流（来源：Updated statistics of lightning currents measured at Morro do Cachimbo Station）
为什么较大du/dt、di/dt才是潜在的骚扰源呢？这是因为电磁骚扰要对其他电路形成影响，必须通过能量的传递，电磁场往往成为传递能量的形式。根据电磁感应定律，只有变化的电磁场才能在电路中感应出电压或者电流，而变化的电磁场是由于变化的电压或者电流产生的。不变的电压或者电流形成电磁干扰的情况十分罕见。在空气干燥的气候中，人体会携带大量电荷，也就是静电，这意味着人体的电压很高。但是，并没有出现人体形成干扰的现象。仅仅当人体接触到另一个金属物体时，电荷发生转移，也就是发生静电放电，产生突变的电流和电压，才会形成干扰。抗静电放电骚扰也是电磁兼容设计的一项重要内容。
电磁骚扰的能量以两种模式传播，一种叫做传导模式，它是以电流的形式在导线上传输，被其他电路接收到后，产生干扰效应，这种骚扰称为传导骚扰，或者传导发射。另一种叫做辐射模式，它是以电磁波的形式在空间传输，被其他电路接收后产生干扰效应，这种骚扰叫做辐射骚扰，或者辐射发射。
需要注意的是，这两种模式之间是会相互转变的。也就是，导线上传输的电流也会产生电磁辐射，形成电磁波；而空间的电磁波也会在导线上感应出的电流，形成传导电流。这两种模式也是常常同时存在的。
例如，开关电源是应用最普遍的电路模块，任何电子设备都需要稳定的直流电压，而稳定的电压就是由开关电源来提供的。但是，开关电源工作在脉冲状态（它的名称就是由此而来），因此是很强的电磁骚扰源。开关电源中产生的电磁骚扰，主要通过电源线传导出来。但是，实际经验表明，开关电源往往会对邻近的电子线路产生空间的干扰。这是因为，开关电源的电源线充当了电磁辐射天线的作用。开关电源是十分典型的电磁骚扰源，后面我们要专门分析它产生电磁骚扰的机理和解决办法。
又例如，发生雷电时，电磁兼容性不良的电子设备会出现故障，这往往是由于电源线上的浪涌电压所致。也就是，电路故障的直接诱因是传导骚扰。但是实际上，这种传导骚扰是从辐射骚扰诱导出来的。雷电是发生在两个云块之间的静电放电，这产生了一个很强的电磁场，这个电磁场在配电线上感应出了很高的电压，造成设备的误动作，甚至对设备造成伤害。
实际环境中，除了雷电以外，大部分的电磁骚扰是人为产生的，有些是为了特定功能发射出来的电磁能量，如无线通信、雷达等，有些是设备工作时伴随发射的，如数字设备、开关电源、电感性负载的接通与断开等。对于功能性发射，虽然发射能量是不可避免的，但是要限制那些功能性发射频率以外的伴随发射，这主要指谐波的泄漏发射。
对于非功能性发射，要尽量加以抑制。各种电磁兼容标准中的发射限制也主要是针对这些非功能性发射而言的。很多电子设备要通过3C认证（中国强制认证），其中电磁兼容性是认证的重要内容，如果产品产生过度的电磁干扰发射就不能在市场上销售。因此，限制电子设备的伴随电磁干扰发射已经成为产品设计中必须考虑的设计项目之一。
有些电磁骚扰源十分隐蔽，分析这类问题需要比较广泛的知识面。如图1-5所示的是一台永磁发电机工作时产生的电磁辐射频谱图，这台设备用于军用电台的供电，由于它的辐射发射大大超出了电磁兼容标准GJB151A中RE102的规定，不能够正常使用，因为它会对电台产生影响，降低电台的接收灵敏度。图1-5 永磁发电机的电磁辐射频谱
很多电机工程师对此十分困惑。永磁发电机的转子安装有永磁铁，当转子旋转时，磁铁的磁场经过定子绕组，使绕组切割磁力线，产生电压。这台发电机发出电压的频率为400Hz。他们不理解，为什么一台发电频率为400Hz的发电机，会产生高达数百MHz的骚扰。
这是因为，转子旋转时，磁铁也会穿过转子的轴杆与发电机的外壳构成的回路，这会在这个回路中产生感应电动势。由于轴杆与轴承之间有润滑油，当转子高速旋转时，造成轴杆与轴承之间的时通时断，也就是造成回路中的电流时通时断，形成瞬间放电。这种放电现象不仅产生较强的电磁干扰，而且会烧毁轴承。通过改变发电机的结构可以避免这种情况，基本思路就是，在永磁铁穿过的路径中，避免形成包含轴承的回路。有关研究超出了本书所关注的范围。有兴趣的读者可以阅读相关的资料，相关的关键词是“shaft voltage”，或者“bearing current”。1.2.2 电磁敏感源的特性
任何依靠电磁原理工作的电路和设备都可能是电磁敏感源。这里所说的对“电磁”敏感是一个笼统的说法，具体可以是噪声电压、噪声电流、电场、磁场、电磁场等。一般利用什么原理工作，就对什么类型的干扰敏感。
例如，电流互感器是通过检测导体中流过的电流产生磁场强度来计量电流的器件，如果外部有较强的磁场，如安装的位置靠近变压器，而变压器产生较强的漏磁，就会影响计量的准确性。在实际工程中，经常发现在测量电缆的电流时，如果电流传感器靠近变压器，读数就会发生变化，这实际上就是因为传感器接收了外部磁场。
对于数字电路而言，如果数字逻辑是通过电平来表示的，则对噪声电压会比较敏感。如果数字电路的逻辑变换是靠脉冲沿来触发的，则这个电路会对瞬态的脉冲干扰很敏感。包含微处理器的数字电路是现实中十分敏感一种设备，受到干扰时，会发出错误的指令，或者出现死机、复位等现象。
对于模拟信号而言，电磁干扰会导致信噪比下降，或者电平值出错。对于传感器的输出，电磁干扰会导致传感器的分辨率下降，严重时无法使用。
需要注意的一点是，电路对电磁干扰的敏感频率并不限于电路的工作频率。一个典型的例子就是当使用固定电话通话时，旁边的移动电话一旦来电，固定电话中就会出现噪声。从原理上讲，固定电话的电路工作在音频，而移动电话的工作频率在1GHz甚至更高，本不应相互干扰。这是由于半导体器件的检波效应所致。
任何电路都由半导体器件构成，包括三极管、二极管。半导体三极管的基本电路如图1-6所示。当一个信号加在基极b上时，相对于发射极而言，会在基极-发射极PN结形成的二极管上发生整流。这个二极管与电路中的寄生电容构成了图1-6（c）所示的检波电路，对从基极输入的射频信号进行包络检波，输出射频信号的包络线。当频率更c高时（f>100f），检波的作用开始下降。这种现象称为调幅解调现象。它有两个作用：图1-6 三极管中的等效二极管
引起放大器直流偏置电压的漂移，使电路特性发生变化，如进入非线性工作区；
如果检波得到的包络线含有与电路工作相同的频率，就会对电路的功能造成影响，如固定电话中的噪声。
电路对空间电磁波的响应必须通过天线接收，除了以接收无线信号为目的的天线外，大部分天线是电路或设备中的寄生天线，由于这些寄生天线的存在，电路会对空间电磁波敏感，产生干扰问题。对于一个实际的设备而言，设备上最有效的寄生接收天线就是外拖电缆。当电缆的长度大于λ/4时，电场在电缆上感应的电流可以用下式估算：
这个公式的含义是：当电缆置于电磁场中，并处于接收最强电场的方向时，每1V/m的场强会在电缆上感应出1.5mA的电流，与电缆的高度和长度无关。当电缆靠近地面时，这个值会有所增加。1.2.3 电磁骚扰耦合路径
电磁骚扰源产生的骚扰能量必须传递到电磁敏感源，才能够形成电磁干扰，也就是电磁骚扰源与敏感源之间必须有耦合路径。解决电磁干扰问题的重要内容就是消除耦合路径，或者称为降低耦合。
电磁骚扰源与敏感源之间的耦合路径主要有五个：（1）电源耦合：两个电路共用一个电源网络，彼此之间形成干扰；（2）地线耦合：由于地线设计不当，两个电路通过公共部分的地线发生耦合；（3）杂散电容耦合：两个电路之间存在杂散电容，通过这种杂散电容，两个电路之间能够形成耦合；（4）互感耦合：两个电路之间存在着互感，两个电路通过这种互感形成耦合，其情形类似于变压器的初级与次级之间的耦合。（5）电磁场耦合：一个电路中的寄生天线辐射的电磁场，被另一个电路中的寄生天线所接收，并形成干扰。这种情况一般发生在电缆之间，电缆作为有效的发射天线和接收天线。
图1-1所示的例子就是电源耦合。它产生的机理是，按摩垫工作时产生了传导骚扰电流，骚扰电流通过电源网络的阻抗，形成了骚扰电压，电视机使用了这种不干净的电能，出现了显示异常。电能质量是目前很热门的一个课题，很多进口的精密设备不能正常的工作，当向厂家咨询时，得到的答复往往是，现场的电能质量达不到要求。所谓电能质量不良，就是电网电压中包含了大量的骚扰电压成分，这些骚扰来自于各种电气负荷。因此，对于这个例子，另一个解释就是，按摩垫工作时，降低了电能质量，电视机使用劣质的电能而导致异常。
地线耦合导致的电磁干扰可以发生在任何层面，可以发生在线路板上，也可以发生在共同安装在一个机柜中的模块之间，也可以发生在系统中的不同设备之间。地线耦合的概念如图1-7所示。在图1-7中，g电路1与电路2两个电路共用了一段地线，这段地线的阻抗为Z。当电1g路1的工作电流I流过地线阻抗Zg时，就会产生电压V。电路2的输入ggg电压是V，现在由于V的出现，输入电压变为（V+V），其中V的幅度随着电路1的工作状态变化。这意味着，电路2的输入信号受到了电路1的影响。地线耦合的关键点是，两个电路如果共用了一段地线，这段地线就形成了耦合路径。图1-7 地线耦合
除了电源和地线这两种看得见的耦合以外，空间耦合也是普遍存在的，特别是当骚扰的频率较高时。空间耦合主要有三种：（1）杂散电容耦合。电容器的基本构造就是两个平行的金属板，因此两个相互靠得很近的金属物体之间存在着较大的电容。这意味着，电路中相距较近的导体之间也存在着电容，电容量的大小与导体的尺寸、导体之间的相互位置等因素有关。这种电容称为电路中的杂散电容。我们知道，电容是高频的良好通路，因此，一个导体中的高频能量可以通过杂散电容传递到另一个导体中，这就是电容耦合。由于电容是通过电场传递能量的，因此电容耦合又称为电场耦合。（2）互感耦合。两个相邻的闭合回路之间存在着互感，变压器、电流互感器等都是互感原理应用的例子。因此，一个回路中的能量可以通过互感传递到另一个回路中，这就是电路之间的互感耦合。由于互感耦合是通过磁场传递能量的，因此互感耦合又称为磁场耦合。（3）电磁耦合。电磁耦合发生在较高频率范围，顾名思义，这种耦合很难分清是电场的，还是磁场的，它是通过高频电磁场传递能量的。这种情况大多发生在两根电缆之间，由于一根电缆上有较强的共模电流，形成了较强的电磁场，另一根电缆处于这个电磁场中，就会将电磁场的能量转换为共模电流，进而对电路形成干扰。电磁耦合的分析比较复杂，并且往往与设备的接地状态有关。设备之间的电磁干扰现象很多是由于电磁耦合所致。
电磁骚扰耦合的分析和解耦是十分重要的内容，我们用第2章专门来讨论相关的问题。1.3共模电流
共模电流的概念是分析电磁兼容问题时一个十分重要的概念。很多电磁兼容问题都与共模电流有关。因此理解并熟悉共模电流对于分析和解决电磁兼容问题十分重要。共模电流相关的电磁兼容问题往往与“接地”有关。所谓的“接地”，就是将两台设备的金属外壳同时连接到另外一个金属体上。接地是一个十分重要、却令很多人感到困惑和混乱的概念，我们将在第3章专门进行讨论。
有丰富电磁兼容知识和经验的工程师，一旦发现干扰现象与设备接地状态有关，就会想到共模电流的问题。例如，按照军用设备GJB152A规定的方法，某台设备进行CE102试验，试验中发现，如果在受试设备与桌面上的金属板之间垫上一个绝缘物体，如一本书，设备就能够顺利通过试验。否则，设备就会产生超标的传导发射。
从这种试验现象可以推断，导致这个受试设备试验失败的原因是共模电流发射，只要加强电源线滤波器对共模电流的衰减就可以解决问题了，详细的分析放在第8章。
又例如，某台数控机床的控制单元在试验室中调试时一切正常，但是一旦安装到机床上就会受到电机的干扰。如果在控制单元与机床之间安装一个绝缘物，甚至垫一张纸，也能够消除干扰。从这个现象可以推断，肯定从电机模块的某根电缆上有较强的共模电流发射，这种共模电流产生了电磁场，对控制模块产生了干扰。
读者可能对上面的两个例子并没有看懂，为什么共模电流相关的问题都与接地有关。这没关系，举上面的两个例子只是为了说明共模电流是导致电磁干扰问题的重要原因之一，以引起大家的重视。本节首先建立共模电流的概念，然后通过后面内容的学习，自然会理解上面案例中的道理。1.3.1 位移电流
共模电流的概念十分重要，较好地理解共模电流对于分析电磁干扰问题十分有益。理解共模电流的基础是理解位移电流。关于位移电流，在普通物理的课程中已有介绍，它是一个基本的物理概念。
电路的基本定律之一是基尔霍夫电流定律，这是1845年由古斯塔夫·基尔霍夫所发现，是最基本的电路定律之一。该定律又称节点电流定律，它所表述的意思是：电路中任何一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。
对于图1-8所示的电路，电路常识告诉我们，如果仅有直流电压，则电流是零。在电路上的任何一个节点上，都符合基尔霍夫定律。图1-8 电容上的基尔霍夫定律
但是，如果是一个交变的电压源时，电路常识告诉我们，电路中会有电流，在电路导体的任何一个位置，符合基尔霍夫定律。但是，当电流流入电容的一个电极时，在电容内部，流出的电流又到了哪里呢？如果没有电流流出这个电极，就违背了基尔霍夫定律。
电容器中的电场分布如图1-9所示，电容上的电压V与电量Q、电容量C的关系也在图中给出。图1-9 电容中的电场
如果假设电压变化得很慢，则：
这意味着，如果电压变化，则电容极板上的电荷量也变化。
对式（1-2）两边作微分，则有：
这个等式建立了两种电流之间的等式关系：等式左侧是电路中的cd电流I，等式右侧是电容中的电流I，我们称这个电流为位移电流。那么我们可以写出下式：
式（1-4）证明了在电容的极板上仍然满足基尔霍夫电流定律，只不过流入的是电路电流，而流出的是位移电流。
位移电流虽然看不到它所流动的路径，但是确实存在，并且它与线路电流具有同一个重要的性质，这就是，它会沿着阻抗最低的路径流动。1.3.2 共模电流
本书中，用共模干扰电流泛指差模电流以外的电流。也就是，在电缆中通过回流线返回源的电流以外的电流都属于共模电流。有些人将共模电流定义为通过大地返回源的电流，这容易引起误解。在很多场合，共模电流并不流经大地，而是流经电缆附近的金属物体，甚至直接通过空间以位移电流的形式流回源端。
共模电流形成的一种机理如图1-10所示。在图1-10中，脉冲信号d源通过一对导线与负载连接起来，这时会形成一个回路电流I，这就d是我们熟悉的差模电流。但是，除了I的回路以外，实际上由于杂散cc电容的存在，还会有另一个回路电流I，这个I就是共模电流，它是一种位移电流。图1-10 共模电流形成的一种机理c
提醒读者注意三点。第一，I的大小与信号源的频率相关，如果c信号源是个直流信号源，I=0，也就是没有共模电流。信号源的频率越高，共模电流越大。因此，当电路的工作频率较高时，才会有共模电流相关的电磁兼容问题。脉冲电路属于高频电路，因此，脉冲电路的共模电流问题较大。这也是为什么脉冲电路更容易对周围的电路产生干扰的原因之一。c
第二，I的大小与电路周围的金属物体有关，当电路周围有较大的金属物体时，杂散电容较大，因此共模电流也更大。电路周围是另一个电路时，这时另一个电路中的导体就可能成为共模电流的通路，从而导致干扰的问题。特别是当另一个电路与这个电路之间有地线连接时，更容易发生这种干扰问题，其特征是，当两个电路的地线连接起来时，干扰更加严重，我们会在第2章专门进行细致地讨论。c
第三，I的大小与信号源和负载之间的连接电缆有关，这段电缆ddc为I提供了回路，显然，这段电缆为I提供的回路阻抗越低，I越小。因此，选择合适的电缆能够减小共模电流。同轴电缆就是一种差模电流回路阻抗很低的电缆，因此，当使用同轴电缆连接信号源与负载时，产生的共模电流很小。我们用同轴电缆来传输高频信号，从而获得较小的损耗，就是因为同轴电缆中通过共模电流泄漏的成分较少。而泄漏的共模电流较少意味着电磁骚扰较小，因此，信号完整性与电磁兼容性在很多场合是统一的。
共模电流是一个不太好理解的概念，为了帮助读者理解，下面通过一个实验说明共模电流的概念。图1-11是实验的原理，电路部分与图1-10相同，但是在电路的下方设置了一块金属板，模拟我们通常称为“地”的导体，信号源通过导线与金属板连接起来，负载通过一个开关与金属板连接起来，信号源输出脉冲信号。图1-11 观察共模电流的实验原理图121
用示波器的两个通道分别连接两个电流卡钳P和P。电流卡钳P12观测发送线上的电流I，电流卡钳P观测发送线+回流线上的电流。122212显然，差模电流（I和I）在P中是抵消的，因此P输出的电流是I-I。12323因为I-I=I，所以电流卡钳P所测量到的电流就是共模电流I。
实验装置如图1-12所示，示波器的三个通道分别观测信号源的输P1123出电压V、卡钳P的电流i、卡钳P的电流i。图1-12 观察共模电流的实验装置
测量的结果如图1-13所示。图1-13中，分别是负载端接地和不接地的情况。图1-13（a）是负载端没有接地的情况，这时共模电流仅1产生于i的上升沿和下降沿的位置，因为这两个位置中包含了高频成分。当负载端没有接地时，共模电流仅能够通过杂散电容形成回路，而电容仅允许高频电流通过。图1-13（b）是负载端接地的情况，这时共模电流的波形与i1完全相同，说明直流成分也从共模回路流回源。图1-13 不同接地状态下的共模电流
共模电流产生的机理除了上面讨论的一种以外还有很多，其中线路板地线噪声作为共模电压源，驱动电缆上的共模电流是一种最典型的情况。电缆上的共模电流是导致辐射骚扰发射的重要原因。通过适当的线路板设计技术减小地线上的噪声电压，从而减小电缆上的共模电流，是减小辐射骚扰发射的重要技术途径。在后面的章节中会详细讨论相关的问题。1.4电磁波的辐射
辐射骚扰发射是指电磁骚扰的能量以电磁波的形式辐射到空间。电磁兼容中的辐射发射特指那些伴随电磁辐射，而不包含功能性的电磁辐射。所谓伴随电磁辐射是指这种电磁波辐射并不是为了完成预定的功能而必需的，而是在电子设备工作的同时产生的电磁辐射。
控制辐射发射是所有包含脉冲电路的电子设备在设计时必须考虑的内容，否则电子设备工作时会对无线接收设备产生影响。由于对于辐射发射的限制也是所有电磁兼容标准中都有的一项内容，如果包含脉冲电路的设备在设计时没有考虑控制辐射发射，就会导致辐射发射试验失败。
电磁波辐射的两个必要条件是天线和流过天线的交变电流。电子设备之所以会产生辐射性干扰就是因为电子设备中包含了各种寄生的天线。只要将这些寄生天线消除掉，或者降低这些天线的辐射效率，或者避免交变电流进入这些天线，辐射性的电磁干扰也就不再存在或者可以减小。因此，控制辐射性干扰源的过程就是分析寄生天线、消除寄生天线、控制天线辐射的过程。为了达到这个目的，首先需要了解天线的结构，也就是什么样的结构可以起到天线的作用。1.4.1 基本天线结构
两个基本的天线结构是电流环和电偶极，如图1-14所示。图1-14 基本天线结构
关于这两个基本天线结构的分析在一般的电磁场书中都有论述。为了便于工程应用，对原来比较复杂的公式做适当的简化。在电磁兼容的分析中，往往只考虑最坏的情况，在这里就是辐射最强的情况，并忽略相位等时间因素，这样就可以大大简化分析的过程。按照上面的思路对天线辐射的电磁场公式进行简化，就得到式（1-5）～式（1-12）等一系列简明的公式。
根据观测点到辐射源的距离，将区域分为近场区和远场区。如果设电磁波的波长为λ，观测点到辐射源的距离小于λ/2π的区域称为近场区，观测点到辐射源的距离大于λ/2π的区域称为远场区，λ/2π附近的区域称为过渡区。在近场区和远场区，这两种天线辐射的电磁场的表述都比较简单，在过渡区比较复杂。1．电流环天线的辐射特性
下面的结论基于几个假设：（1）环路中的电流是均匀的；（2）除了环路自身的电抗以外，环路导线的阻抗为零；（3）环路的尺寸<<λ；（4）环路的尺寸<环路与观测点之间的距离D；（5）环路处于自由空间中，附近没有金属物体。
1）在近场区（D<λ/2π）
式中 H——电流环辐射的磁场（A/m）；
E——电流环辐射的电场（V/m）；
I——环路中的电流（A）；2
A——环路面积（m）；
λ——电流频率对应的波长（m）；
D——观测点到电流环的距离（m）；0
Z——自由空间的特征阻抗，120π或377Ω。
从式（1-5）可知，在近场区，磁场的辐射强度与频率无关，因此这个公式对直流也是适用的。磁场的强度随距离的三次方衰减。因此利用增加距离来减小磁场强度是十分有效的方法。
由式（1-6）可知，电场的辐射强度随频率升高增加，随距离的平方衰减。
2）远场区（D>λ/2π）
在远场区，电场和磁场的辐射强度都随频率的平方增加，这就是为什么脉冲电路的干扰很强的原因。脉冲信号中包含了大量的高频成分，这些高频成分的辐射效率很高。2．电偶极天线的辐射特性
计算电偶极天线的辐射时，与电流环的不同点在于，只有交流电流才能够形成回路，这种电流是通过空间的杂散电容形成的位移电流，如图1-15所示。图1-15 电偶极中的电流
下面的结论基于与电流环路类似的几个假设：（1）电偶极导体上的电流是均匀的；（2）电偶极的长度<<λ；（3）电偶极的长度<电偶极与观测点之间的距离D；（4）电偶极处于自由空间中，附近没有金属物体。
1）在近场区（D<λ/2π）式中 H——电偶极辐射的磁场（A/m）；
E——电偶极辐射的电场（V/m）；
I——电偶极中的电流（A）；
L——电偶极的长度（m）；
λ——电流频率对应的波长（m）；
D——观测点到电偶极的距离（m）；0
Z——自由空间的特征阻抗，120π或77Ω。
由式（1-10）可知，电场强度随着频率增加而减弱。这似乎与常识不符，一般认为频率越高辐射越强。实际上，这个问题要这样理解，这里的电流I是由加在电偶极上的电压V和偶极之间的电容C决定的。当I一定时，频率越高，由于偶极之间的容抗越低，需要的驱动电压越低，因此产生的电场强度越小。
2）远场区（D>λ/2π）1.4.2 实际电路的辐射
上一节讨论了两种基本天线结构的电磁辐射情况。实际中，除了专门制作的天线以外，并不存在这种天线。特别是，当用电流环路模型计算实际电路的电场辐射强度时，计算结果会小于实际的电场强度，实验结果表明，最大可以相差60dB以上。这显然是不能接受的。因此需要对基本天线模型进行修正，使其更适合实际电路的辐射预测。
一个更符合实际情况的模型如图1-16所示。这个电路既不是完全C开路的，也不是完全短路的，而是有一个适中的值Z：图1-16 实际电路的模型（1）在近场区，根据电路的阻抗不同，计算方法也不同。C
如果Z≥7.9Df（D的单位为m，f的单位MHz），则：式中 V——驱动源的电压（V）；2
A——电路的面积（m）；
D——观测点到电路的距离（m）。
在实际中常用μV/m，这时的计算公式如下：式中 V——驱动源的电压（V）；2
A——电路的面积（cm）；
D——观测点到电路的距离（m）。C
如果Z<7.9Df（D的单位为m，f的单位MHz），则：式中 I——电路中的电流（A）；
F——电流的频率（MHz）；2
A——电路的面积（m）；
D——观测点到电路的距离（m）。
在实际中常用μV/m，这时的计算公式如下：式中 I——电路中的电流（A）；
F——电流的频率（MHz）；2
A——电路的面积（cm）；
D——观测点到电路的距离（m）。
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