电磁兼容标准与测试

电磁兼容作业

电磁兼容标准与测试

班级：电气工程及其自动化0703班

姓名：贾震

学号：070301091

电磁兼容标准及测试

一．概述

随着科学技术的发展，特别是微电子、信息、通讯等高科技的迅速进步与发展，对电磁骚扰的控制与防护提出了繁多而又复杂的问题。在世界各国，特别是欧洲的一些先进国家，经过几十年对电磁干扰和抗干扰等问题的研究和控制，已将这些技术研究形成了一门新兴的学科——电磁兼容（Electromagnetic Compatibility）。

电磁兼容就是研究在有限的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下，各种用电设备（分系统，系统、广义的还包括生物体），可以共存并不致引起降级的一门科学，国家标准GB/T 4365-1995《电磁兼容术语》对电磁兼容所下的定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。就是说在规定的电磁环境中，任何设备、系统都不因受电磁干扰而降低工作性能，并且其本身所发射的电磁能量也不大于规定的极限值，以免影响其它设备或系统的正常工作，从而达到互不干扰而共存的目地。

国际无线电干扰特别委员会（法文缩写是CISPR）是国际电工委员会（IEC）的一个特别委员会，它成立于1934年，是最早开始系统地对电磁兼容进行研究的国际性的标准化组织。该委员会成立的初衷主要是保护广播、通讯不受电磁干扰的影响。围绕这方面的问题，对车辆、

家电、电动工具、工科医射频设备、高压架空线路等提出了一系列骚扰限值（包括射频辐射和传导两方面,工作频率多在9kHz～18GHz）和测试方法的标准。近几年来随着它的业务范围不断扩大，也开展了一些抗扰度标准的研究。它更主要的重点还是研究电磁骚扰限值及其测量方法。

二、电磁兼容标准

早在一九三四年国际电工委员会就成立了无线电干扰特别委员会简称CISPR，专门研究无线电干扰问题，制定有关标准，旨在保护广播接收效果。当初只有少数国家参加该委员会，如比利时、法国、荷兰和英国等。经过多年的发展人们对电磁兼容的认识发生了深刻的变化，1989年欧洲共同体委员会颁发了89/336/EEC指令，明确规定，自1996年1月1日起，所有电子、电器产品须经过EMC性能的认证，否则将禁止其在欧共体市场销售。此举在世界范围内引起较大反响，EMC已成影响国际贸易的一项重要指标。随着技术的发展CISPR工作范围也由当初保护广播接收业务扩展到涉及保护无线电接收的所有业务。国际电工委员会IEC有两个专们从事电磁兼容标准化工作的技术委员会：一个就是CISPR成立于1934年；另一个是电磁兼容委员会TC77，成立于1981年。CISPR最初关心的主要是广播接收频段的无线电骚扰问题，之后在EMC标准化工作方面进行了不懈的努力。

CISPR已基本上将工业和民用产品的EMC考虑在其标准中。CISPR 还起草了通用射频骚扰限额值国际标准草案，这样，对那些新开发的以及暂时还不能与现有CISPR产品标准相对应的产品，可以用射频骚扰

限额值来加以限制。几年前CISPR将其工作频率范围扩展为DC~400GHz，目前实际工作范围为9kHz~18GHz，以前的CISPR标准主要涉及无线电干扰限额值及其测量方法，近年来在抗扰度方面加强了研究，并已制定了一些标准。TC77最初主要关心低压电网系统的EMC 问题（9kHz以下频段），后来将其工作范围扩大到整个EMC所涉及的频率范围及产品。目前CISPR已制定有CISPR22（1997）《信息技术设备的无线电骚扰特性的测量方法及限值》等14个标准；TC77也已制定了25个IEC标准，其中IEC61000-4系列标准是目前国际上比较完整和系统的抗扰度基础标准。

我国的EMC测试及标准化工作始于六十年代，当时国内的一些院所建立了相对简陋的试验室，开展无线电干扰（骚扰）测试研究，同时参考前苏联和欧美国家标准制定我国的EMC标准。自从1986年成立了全国无线电干扰标准化委员会后，我国才开始有组织有系统地对应CISPR/IEC开展国内EMC标准化工作。目前全国无线电干扰标准化委员会已成立了八个分技术委员会，其中七个分会与CISPR/A、B、C…F、G分会相对应，S分会是根据我国国情而成立的，它主要涉及无线电系统与非无线电系统之间的电磁兼容问题。目前我国已制定了六十多项EMC国家标准，其中基础标准为GB4365-1995电磁兼容术语；GB/T6113-1995无线电干扰和抗扰度测量设备规范。

三、电磁兼容测试

电磁兼容测试贯穿在产品的设计、开发生产、使用和维护的整个

周期，对设备达到电磁兼容起到至关重要的作用。

电磁兼容(EMC)测试按其目的可分为诊断测试和达标测试。诊断测试的目的是调查产生电磁兼容问题的原因，确定产生噪声和被干扰的具体部位，从而为采取抑制措施做准备。达标测试是根据有关电磁兼容标准规定的方法对设备进行测试，评估其是否达到标准提出的要求。产品在定型和进人市场之前必须进行达标测试。

电磁兼容(EMC)测试按其内容可分为电磁骚扰（EMI）发射测试和设备的抗扰度（EMS）测试。EMI测试是测量设备向外界发射的骚扰，EMS测试时给设备外加各种骚扰，测试设备的敏感度，即抗干扰能力。

应该指出的是电磁兼容测试并不仅仅是根据标准的规定进行的简单操作。同样的测量仪器、场地和测试步骤，不同的人操作得出的结果可能大相径庭，这主要取决于操作人员的素质。电磁兼容测试人员应具备广泛的知识，因为电磁兼容问题涉及到电磁场、微波、传输线、天线、电波传播、电路、计算机等基础理论；同时还应对各种被检测的设备的工作原理要有大概的了解，对标准规定的方法要进行仔细的研究，知其然，还要知其所以然。在实际测试中，要善于发现问题，并且能用所学原理解决问题，从而不断地积累经验。

3.1电磁骚扰发射测试

电磁骚扰发射（EMI）包括辐射发射（RE）和传导发射（CE）。辐射发射测试是测量受试设备（EUT）通过空间传播的骚扰辐射场强。传导发射测试是测量受试设备（EUT）通过电源线或信号线向外发射的骚扰电压和电流。

3.1.1 骚扰的辐射发射测试（9KHz～18GHz）

在30MHz～18GHz频率段，测量骚扰的电场强度。1GHz以下使用开阔场地或半电波暗室，模拟半自由空间；1GHz以上使用全电波暗室，模拟自由空间。如采用替代法测量，则测试场地可用开阔场地、半电波暗室或全电波暗室，测量结果用发射功率表示。

在9KHz～30MHz频率段，测量骚扰的磁场强度。如果EUT较小，则将其放在大磁环天线（LLA）中，测量骚扰磁场的感应电流。如果EUT较大，则采用远天线法，用单小环在规定距离测量骚扰的磁场强度。

3.1.1.1 30MHz～1000MHz频率段的辐射发射测试

为了对辐射骚扰有一个统一的度量，标准不但对测量布置、测量方法作了规定，而且对骚扰测量仪、天线和测量场地都作了严格的规定，现分别加以讨论。

(1) 测量布置和测量方法

标准要求测试在开阔场地或半电波暗室内进行，场地必须符合NSA （归一化场地衰减）的要求。测试布置如图1所示。

测试天线和受试设备（EUT）之间的距离应符合远场条件，标准规定为3、10m或30m。远场的场结构比较简单，电场方向、磁场方向和电波传播方向三者互相垂直，波阻抗即电场强度与磁场强度之比为377Ω，场强随距离一次方衰减。近场的场结构比较复杂，在电波传播方向存在电场或磁场的分量，三者不一定互相垂直，波阻抗不为常数

而是随距离变化，场强随距离平方或三次方衰减。

图1 30MHz～1000MHz辐射发射测试的布置

比较近场和远场的特性可知，在远场条件下测量场强一致性和重复性较好，测量误差较小。在远场条件下测试距离d应满足下列情况：

a) d ≥λ/2π, 如EUT被看作是偶极子天线，则误差为3dB。

b) d ≥λ，可看作是平面波，如EUT被看作是偶极子天线，则误差为0.5dB。

c) d ≥ 2D2/λ， D为EUT的最大尺寸，该条件仅适用于D>>λ的情况。

在30MHz～1000MHz频率段，λ为10m～0.3m, d=3m、10m、30m时都符合上述远场条件。

国内暗室绝大部分只能进行3m法测试,而标准上给出的限值很多都是针对10m法测试的,所以应该将它们转换为3m法的限值,转换公式为：

L2 ＝L1 (d1/d2)或L2 (dB) ＝ L1 (dB)+ 20lg(d1/d2)

式中L1和 L2分别为测试距离为d1 和d2时的辐射限值,例如GB9245中仅规定了信息技术设备在10m 测量距离处的辐射骚扰限值，由此可转换为3m处限值，如表1所示。

表1 B级ITE在10m和3m处的辐射限值

一般不同频率段的限值是不一样的，过渡频率点应该采取较低的限值，表1中230MHz的限值应取较低值：30dB(μV/m)（10m法），

40dB(μV/m)(3m法)。

在确定测试距离时常遇到起始点和终止点的问题，起始点是被测设备（EUT）的边框，这在标准上有明确的规定。终止点应该在天线的什么部位？当天线是对称振子天线或双锥天线时，终止点在天线的中间部位。当天线是喇叭天线时,终止点应为喇叭口。但当天线是对数周期天线和混合宽带天线时，终止点就不好确定，标准中也没有明确规定。对数周期天线，根据其工作原理，在频率较高时是短振子起作用，；频率较低时是长振子起作用。如果把终止点定在对数天线的顶端，则高频测量时距离约为3m，而低频测量时距离偏移较大。由于天线接收的场强E∝f/d，而由距离引起的测量误差为△E∝f△d/d2，显然对于同样的距离偏移，频率越高，产生的场的测量误差就越高，所以笔者认为终止点放在对数周期天线的顶端比较合适。如果天线上已有天线中

心的标记，则终止点放在天线中心的标记处。

由于达标测试是测量EUT 可能辐射的最大值，所以EUT 应放在转台上（可360°旋转）以便寻找EUT 的最大骚扰辐射方向。台式EUT 离地面高度通常为0.8m ，立式EUT 则直接放置地面，接触点与地面应绝缘。接收天线的高度应该在1～4m （如测试距离为3m 或10m ）或2～6m （如测试距离为30m ）内扫描，记录最大辐射场强。EUT 的辐射电磁波到达天线有两条途径，如图2所示。一条是直达波A E ，一条是通过地面的反射波B ，天线接收到的总场强为直达波和反射波的矢量和，即

B A E E E +=

由于二条路径长度不同，电磁波到达

天线所需时间不同，因此A E 和B E 有一

定相位差Δφ，总场强与Δφ有关。如果A 和B 同相，则两者相加，总场强最大；如果A 和B 反相，则两图2 辐射电磁波的直达波和反射波 者相减，总场强最小。Δφ与天线高度有关，

当接收天线在1～4m 之间移动时，接收到的场强也以驻波方式变化，波峰和波谷间的高度差约为λ/2，因此可以保证在30MHz 仍能找到最大场强。

由于骚扰场强的水平极化分量和垂直极化分量是不同的，所以测量时应把天线水平放置测水平极化分量，垂直放置测垂直极化分量。

垂直放置时天线的最低端离地应大于25cm,以免影响天线的性能。整个测试系统是同轴传输系统，应该保持阻抗匹配，即天线的阻扰、同轴电缆的特性阻抗和干扰测量仪的输入阻抗都应相等，一般为50Ω。阻抗不匹配将引起反射，从而影响读数的准确性。目前自动化的EMI测试系统己普遍使用，测量仪、天线塔、转台都用GPIB（IEEE-488）接口连接，由计算机控制，进行自动测试、数据处理和报告生成。(2) 骚扰测量仪

骚扰测量仪实际上是一台超外差式选频电压表。骚扰波形通常是由很多频率组成的，骚扰测量仪可用来测量这些频率的电压幅值。图3是其电路方框图。

其电路结构类似于半导体收音机。测量时先将测量仪调谐，对准某个频率f i。该频率经高频衰减器和高频放大器后进人混频器，与本地振荡器的频率f l混频，产生很多混频信号。经过中频滤波器以后仅得到中频f0＝f l－f i。中频信号经中频衰减器、中频放大器后，由包络检波器进行包络检波，滤去中频得到其低频包络信号A（t）。A（t）再进一步进行加权检波，加权可根据需要获得A（t）的峰值（Peak）、有效值（rms）、平均值（Ave）或准峰值（QP），这些值经低频放大后可推动电表指示。测量前如果用校准信号发生器的信号进行预先校准，则可以直接读数。骚扰信号的读数等效于正弦信号的有效植。

图3 骚扰测量仪的电路框图

由于很多骚扰都是脉冲性的，所以骚扰测量仪应能测量脉冲信号，这是它与一般电压表的不同之处。设输人信号是幅度为A、宽度为τ、周期为T的脉冲信号。由图3可见其中频信号波形[（b）点]为载波频率为中频f0的调幅信号，其包络幅度为2AτGB，G为中频放大器和以前各级电路的增益，B为中频带宽；包络主瓣宽度为2/B，两个主瓣之间间隔为T．包络检波器后的波形[（c）点]只不过是滤去中频载波后的中频包络。由于包络的宽度和幅度都与中频带宽B有关，因此测量仪的中频带宽一定要有统一的规定否则对于同一脉冲信号，由于中频带宽不同，测量结果可能不同，这是与仅能测量正弦波的电压表的一个不同之处。

对同一个脉冲输人信号的中频输出波形进行不同形式的加权检波，

可能得到不同的值，一般包络的峰值＞准峰值＞有效值＞平均值。骚扰测量中的发射限值（即标准允许的最大骚扰发射量）绝大多数都是以准峰值形式规定的，因为准峰值可以反映人耳或人眼对脉冲骚扰的响应，当脉冲很快上升时，人耳不能立即反应，当脉冲跌落后，人耳的感觉仍有滞留效应。加权检波的形式是由检波电路的充放电时间常数决定的，充电慢、放电快得到的加权值就越低，所以对准峰值的充放电时间也要有统一规定。这是与仅能测量正弦波的电压表的又一个不同之处，因为对于正弦波输人信号，其中频输出波形的包络的峰值、准峰值、有效值、平均值都是相等的。

图中（d）点的波形是准峰值加权波形，（e）点是电表读数。由于电表具有一定的惯性（即电表机械时间常数）所以电表读数将受一定影响，因此标准规定电表应处于临界阻尼状态，并具有确定的机械时间常数。虽然现在大多使用数字化电表，该指标仍然保留，只要在A/D 变换器后加一个二阶低通滤波器即可。

由于骚扰测量仪以测量脉冲信号为主，脉冲幅度往往很大，所以测量仪还应该具有较大的过载能力，以免把脉冲顶部削掉。

综上所述，骚扰测量仪必须具有统一的中频带宽、检波器充放电时间常数、电表机械时间常数和过载系数，这样才能保证在测量同一脉冲信号时得到一致的结果。表2为GB/T6113.1规定的骚扰测量仪指标。其中各频率段的范围为：

A频段——9～150kHz；

B频段——0.15～30MHz；

C频段——30～300MHz；

D频段——300～1000MHz；

表2 骚扰测量仪的四大类指标

为了鉴别骚扰测量仪是否达到了表2规定的四大类指标，标准又进一步规定了骚扰测量仪的绝对脉冲特性和相对脉冲特性。所谓绝对脉冲特性指输人规定的周期脉冲信号时骚扰测量仪的读数应达到规定的值。绝对脉冲特性见表3。

表3 骚扰测量仪的绝对脉冲特性

表3的含义是：在A、B、C、D各频段内，分别输入各自的标准周期脉冲，要求脉冲的幅度×宽度等于a（μVs），重复频率为c（Hz），该周期脉冲的频谱至少应该在b（MHz）以下是均匀的，脉冲信号发生器的源阻抗应和骚扰测量仪输入阻抗相等。对于该输人信号，骚扰测量仪在该频段的任何频率上的读数都应该等于60dB（μV）。

所谓相对脉冲特性指输人周期性脉冲信号时，脉冲的重复频率越高，其读数越高，重复频率低，读数低。当读数不变时输人脉冲的幅度和重复频率的关系应符合表4的规定。

表4中各频段的输入脉冲的相对等效电平，以绝对脉冲特性中的该频段的标准周期脉冲的幅值为基准（定义为0dB）。如果骚扰测量仪的绝对脉冲特性和相对脉冲特性都符合表3和表4的要求，则说明该骚扰测量仪的四大类指标基本符合表2的要求。

表4 骚扰测量仪的相对脉冲特性

骚扰测量仪除了具有准峰值测试功能外，一般还具有峰值和平均值测试功能，峰值检波器的放电时间常数(TD)和充电时间常数（TC）的比值要远远大于准峰值检波器，各项段的TD/TC值如表5所示。

表5. 骚扰测量仪峰值测量时的指标

峰值测量时中频带是可以选择的，其选择范围和优选值如表5所示，在给出骚扰电平时应标明所选带宽。对于非重叠骚扰，指中频段输出波形中的各个主瓣不重叠，见图3中（b）点波形，由于峰值测量结果和带宽成正比，所以测量结果也可用对于1MHz带宽的归一化值V1MHz (dBμＶ/MHz)来表示。

V1MHz (dBμＶ/MHz)═Ｖ(dBμ)+20lg 1MHz/Bimp

式中Bimp为脉冲带宽,与6dB带宽B6 的关系为Bimp =1.05 B6。Ｖ(dBμ)为使用Bimp带宽时的峰值测量读数, 20lg 1MHz/Bimp为1MHz 和Bimp的比值的对数。峰值测量所需的过载系数比峰值测量小的多，检波器前电路的过载系数只需比1稍大些即可。

峰值测量时的绝对脉冲特性的含义和准峰值测量是相同的，只不过输入的标准脉冲强度不同，标准规定为脉冲幅度×宽度

=1.4/Bimp(mＶs), Bimp单位为Hz ,具体数值见表6。对于标准脉冲输入,测量仪在该频段上的任何频率上的测量结果均应该等于60dB(μＶ)。

骚扰测量仪用于平均值测量时，带宽的选择同峰值测量方法。检波器前电路对于脉冲重复频率为fPR 的脉冲过载系数应该为Bimp/fPR，但是实际上当fPR很低时，接收机不可能提供足够的过载系数。平均值测量时要求的绝对脉冲特性和峰值基本一样,但各频段的重复频率不同，即输入标准强度为1.4/Bimp(mＶ．s),重复频率为Ａ频段：25Hz;B频段：500Hz;C和D频段:5KHz。对于标准脉冲输入,测量仪在该频段上的任何频率上的测量结果均应该等于60dB(μＶ)。

表6 峰值测量时的绝对脉冲特性

骚扰测量仪可以进行准峰值测量、峰值测量和平均值测量。当输入信号是正弦波时，无论用何种方式测量，得到的读数都是相同的，等于该正弦波的有效值，精度应优于±2dB。但是如果输入的是周期脉冲信号，则三种测量方法得到的读数是不一样的，其结果如表7所示。

表7 峰值、准峰值和平均值测量的结果比较

表中 E——正弦波的有效值；

δ——脉冲强度，等于脉冲幅度×脉冲宽度，单位：mＶS

Bimp——脉冲宽度；Bimp=1.05B6

fPR——脉冲重复频率；

P(α)——准峰值检波效率，与检波器的充、放电时间常数、脉冲重复频率和带宽有关，P(α)≤1。

由表7可知，峰值测量结果≥准峰值测量结果。表6中列出了输入标准脉冲，在标准宽带情况下峰值与准峰值表头指示之比值。表8列出了具有相同带宽的准峰值和平均值表头指示之比值，由表可知，准峰值≥平均值。对于规则的周期性脉冲可以根据表7来进行峰值、准峰值、平均值之间的转换。但是一般骚扰都是随机的，很难进行彼此间的换算，因此有些标准同时规定了发射测量的准峰值限值和平均值限值。

表8 在相同带宽条件下准峰值和平均值表头读数之比值

在准峰值测量时，如想要在某个频率点得到较稳定的测量值，则测量时间应大于检波器充放电时间和电表机械时间常数之和，并且测量不止一个周期，所以一般准峰值测量时间要求比较长。如果测量仪具有扫频测量功能，则设置的扫描时间应符合表9的规定。在实际测量中，往往先用峰值进行全频段测量，然后再对超过限值的频率点进行峰值测量，这样可以大大节省测量时间。

表9 最小扫频时间

综上所述骚扰测量仪由于规定了四大类指标和二个脉冲特性，所以可以测量脉冲信号和正弦信号，在测量正弦信号时无论采用哪一种检波方式，结果都是一样的。一般的电压表（包括场强仪）仅能测量正弦波，不能测量脉冲信号。骚扰测量仪目前市场上有二种基本类型，一种是测量接收机类型，它是单频点测量，灵敏度较高，自动化程度高的可以自动扫描各频点。另一种是频谱分析仪类型，可以显示整个频段，但灵敏度稍低些。但是无论什么类型的测量仪，只有符合

GB/T6113.1规定的四大类指标和二个脉冲特性后才能进行EMI测量。

四、结束语

电磁干扰的种类很多，传播方式、干扰途径不尽相同，对静态继电保护装置的可靠运行危害很大，应当引起我们足够的重视。虽然电磁干扰看不见，摸不着，但还是有一定的规律可循。我们要通过对各种电磁干扰的特性、传播方式和干扰途径的认识，以及种种干扰抑制措施的理解和掌握。在产品的设计过程中，对各种干扰都给予充分的考虑，从电路原理的设计、应用软件的编制、元器件的选用、布局、印制板的走线，以及机箱、配线的工艺要求等等都要考虑电磁兼容。在各个可能引入干扰的回路，设置各种滤波隔离手段，对干扰信号进行有效的衰减、分离、吸收，直至减弱和消除其影响。

在产品设计阶段，同时进行综合的电磁兼容性设计，在相同的电磁兼容性下，可以做到成本最低，效果最好，可谓事半功倍，如有一些疏漏，补救起来也容易得多。如果在设计阶段没有进行抗干扰设计，或对其考虑的很少，待产品完成后，如发现问题，再进行补救，就困难得多，效果也很差，成本也会升高。

电磁干扰的形成和种类很多，抗电磁干扰的方法和手段也多种多样。甚至它也可以说是一门试验技术，各种技术方法和控制手段的采用不能教条，要根据自己产品的特点合理采用，积极实践、努力探索。新器件、新材料的发展也很快，我们也要对其学习跟踪，及时采用。以此不断地提高继电保护装置的电磁兼容水平。