通信設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)研究

周玉猛，曹亞輝，馬 魁

（中兵通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430200）

0 引 言

電磁兼容設(shè)備是影響通信設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵性因素，但傳統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代通信設(shè)備的實(shí)際需要，對(duì)此需要結(jié)合目前通信設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)際需要，采取有效的電磁兼容設(shè)計(jì)方法，以減少電磁對(duì)通信設(shè)備運(yùn)行的干擾，保證通信設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 通信設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)概述

1.1 電磁兼容的原理分析

1.1.1 電磁兼容

電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）的定義是系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，而不會(huì)對(duì)電磁環(huán)境中的其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾的能力。

按照其定義，電磁兼容包含了2 個(gè)方面，一方面，要求系統(tǒng)或設(shè)備在自身正常工作的過(guò)程中，對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）不能超過(guò)一定的限值；另一方面，要求系統(tǒng)或設(shè)備對(duì)其所處環(huán)境中存在的電磁干擾要有一定的電磁抗擾度（Electro Magnetic SuscepTIbility，EMS）能力，也就是要求在相同電磁環(huán)境中的系統(tǒng)或設(shè)備都能正常工作，并且彼此不受干擾，可以達(dá)到一種兼容狀態(tài)。

1.1.2 電磁干擾

電磁干擾是指任何在傳導(dǎo)或者在有電磁場(chǎng)伴隨著電壓、電流的作用下而產(chǎn)生會(huì)降低某個(gè)裝置、設(shè)備或系統(tǒng)的性能，還有可能對(duì)生物或者物質(zhì)產(chǎn)生不良影響的電磁現(xiàn)象。電磁干擾的種類(lèi)有很多種，按照傳播方式的不同，可以被劃分成2種類(lèi)型：一種是輻射干擾，另一種是傳導(dǎo)干擾。在這2 種類(lèi)型中，輻射干擾可以被劃分成近場(chǎng)感應(yīng)耦合干擾和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合干擾，傳導(dǎo)干擾可以被劃分成電耦合傳導(dǎo)干擾、磁耦合傳導(dǎo)干擾以及電磁耦合傳導(dǎo)干擾。按照擾動(dòng)源的種類(lèi)，可將其劃分為自然擾動(dòng)源和人為擾動(dòng)源，其中自然擾動(dòng)源主要是指來(lái)自大氣的電子噪聲源和外太空的宇宙噪聲源，而人為擾動(dòng)原則是指由人為設(shè)備產(chǎn)生的干擾。此外，若按波段劃分，可將其劃分為“寬頻”與“窄帶”2 類(lèi)。

1.1.3 電磁抗擾

電磁抗擾的定義是在存在電磁干擾的情況下，系統(tǒng)或設(shè)備能正常工作并保持性能不下降的能力。按照定義， EMI 包括輻射抗干擾、導(dǎo)電抗干擾、瞬時(shí)脈沖群擾、浪涌、靜電釋放（Electro-Static Discharge，ESD）、工頻磁場(chǎng)、電壓跌落等。

1.1.4 電磁分析方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)隨之發(fā)展起來(lái)，以電磁場(chǎng)理論和微波技術(shù)為基礎(chǔ)，以高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具和手段，運(yùn)用數(shù)學(xué)的計(jì)算方法來(lái)解決電磁場(chǎng)問(wèn)題已經(jīng)成為重要趨勢(shì)。

計(jì)算電磁學(xué)的研究包含了以下幾個(gè)主要的流程。

（1）運(yùn)用電磁場(chǎng)理論和微波技術(shù)，對(duì)電磁問(wèn)題展開(kāi)了分析研究，抓住重要的影響因素，忽略次要因素。

（2）在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建與之對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，這是電磁場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中非常關(guān)鍵的一個(gè)步驟，其精度將直接關(guān)系到電磁場(chǎng)計(jì)算的效果。

（3）在已知的電磁波數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上選擇一種算法，由計(jì)算機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)算步驟，所以算法的選擇十分重要。首先，它會(huì)對(duì)計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，如果選擇不好，就無(wú)法得到想要的結(jié)果；其次，選擇會(huì)影響到計(jì)算效率，同一種模型的計(jì)算效率可能會(huì)有很大的差距；最后，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)算法進(jìn)行計(jì)算，并得到最終的結(jié)果。

電磁場(chǎng)分析主要有以下3 種方法。

（1）解析法。主要有2 類(lèi)：一是 PDE，以解析分離變量為主；二是用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化的方法，構(gòu)造并求出了積分方程組。分析方法的不足之處在于：其應(yīng)用范圍較窄；不適合于新的結(jié)構(gòu)特征；用戶(hù)可編程度不夠高。

（2）數(shù)值法。在數(shù)值計(jì)算中，用差分代替微分，將積分改為有限求和，使問(wèn)題轉(zhuǎn)化為差分或代數(shù)方程。該方法具有以下特點(diǎn)：一是應(yīng)用面廣泛；二是用戶(hù)編程能力強(qiáng)；三是不需要有專(zhuān)業(yè)的電磁場(chǎng)理論知識(shí)，也不需要有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。其不足之處在于：所需的資料較多；算法存在著計(jì)算量大的缺點(diǎn)；算法需要用到很好的電腦輔助。

（3）基于半分析的方法。半分析算法則是將2種算法有機(jī)地融合在一起，既有其長(zhǎng)處又有其不足之處。該方法是人工對(duì)一維的分析函數(shù)進(jìn)行分析，然后用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行低維的離散。它的最大優(yōu)點(diǎn)就是人和計(jì)算機(jī)之間的合理分工，結(jié)果十分顯著，而且操作者很容易理解，在一般的計(jì)算機(jī)上也能使用。

1.2 電磁兼容設(shè)計(jì)的方法

計(jì)算電磁學(xué)作為一種新的交叉學(xué)科，促進(jìn)了EMC設(shè)計(jì)的變革，使 EMC設(shè)計(jì)從一個(gè)“黑盒”中的“藝術(shù)品”，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)“黑盒”中的“透明盒”。

電磁兼容的設(shè)計(jì)被納入到了設(shè)計(jì)之初。許多大公司都有自己的電磁兼容設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)中包括了設(shè)計(jì)和測(cè)試2 個(gè)部分，但是因?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)的加入，團(tuán)隊(duì)中還增加了一個(gè)很關(guān)鍵的新成員——仿真小組，進(jìn)一步細(xì)化了分工，并且彼此之間的配合也變得更加密切。

在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)，仿真團(tuán)隊(duì)會(huì)對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)方面展開(kāi)各種可能的模擬，并對(duì)不同的結(jié)果展開(kāi)分析和對(duì)比。當(dāng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)還只是一個(gè)概念時(shí)，仿真小組就已經(jīng)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品所會(huì)遇到的問(wèn)題進(jìn)行了模擬，并且給出了有數(shù)據(jù)支撐的設(shè)計(jì)意見(jiàn)。因此，設(shè)計(jì)者就會(huì)以模擬的結(jié)果為依據(jù)，充滿(mǎn)自信地展開(kāi)產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來(lái)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)任何的問(wèn)題，因?yàn)檫@些問(wèn)題在產(chǎn)品還處于概念階段的時(shí)候都已經(jīng)被避免或解決了。

在未來(lái)，隨著科技的發(fā)展，電磁兼容設(shè)計(jì)會(huì)與更多的新材料、新工具、新方法、新技術(shù)、新流程等相融合，將會(huì)變得更簡(jiǎn)單。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，就必須要對(duì)電磁兼容設(shè)計(jì)進(jìn)行思考，不是僅僅依靠書(shū)本上的理論知識(shí)，而要以最新的計(jì)算電磁學(xué)理論為依據(jù)，借助強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力。在電磁兼容設(shè)計(jì)之初，通過(guò)電磁兼容仿真軟件，對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)方面進(jìn)行建模仿真，從而獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為實(shí)際的電磁兼容設(shè)計(jì)提供支持。這樣，就可以對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，在原有的基礎(chǔ)上將原本需要不斷重復(fù)的設(shè)計(jì)測(cè)試流程，改為在設(shè)計(jì)之前，使用數(shù)學(xué)建立軟件進(jìn)行仿真，對(duì)實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行模擬，這樣不僅可以節(jié)約設(shè)計(jì)成本，還可以縮短研發(fā)周期。因此，該項(xiàng)目的研究對(duì)于解決工程中的實(shí)際問(wèn)題具有重要的借鑒意義，能夠在設(shè)計(jì)初期對(duì)電磁兼容相關(guān)的部件進(jìn)行模擬，得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，為工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持，降低了反復(fù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。這就從設(shè)計(jì)流程上對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)測(cè)試流程進(jìn)行了全面的優(yōu)化，從而縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本[1]。

2 通信設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)的原則

采用行之有效的措施來(lái)解決電磁兼容性問(wèn)題，不但提高了通信設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命，還可以有效降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本和研發(fā)時(shí)間。在這一階段，通信裝置的 EMC 設(shè)計(jì)應(yīng)該遵守以下的基本原理[2]。

（1）要注意通信裝置的接地，特別是信號(hào)接地、電源接地和 EMC 接地，采用合理的接地方式，既能保證通信裝置的正常工作，又能防止通信裝置的電磁干擾。

（2）要對(duì)通信裝置中可能存在的各種干擾因素進(jìn)行詳細(xì)分析，采用各種方法對(duì)這些干擾因素進(jìn)行有效的抑制。當(dāng)干擾源使用太空輻射來(lái)干擾通信裝置時(shí)，可以通過(guò)屏蔽來(lái)解決；當(dāng)干擾信號(hào)是沿著電纜向通信裝置方向傳播時(shí)，可以通過(guò)過(guò)濾來(lái)進(jìn)行處理。

3 通信設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

在 EMC 的設(shè)計(jì)中普遍采用“問(wèn)題求解”的方式，即首先進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行漏洞修補(bǔ)?！跋仍O(shè)計(jì)”指的是在設(shè)計(jì)時(shí)，所有的零件都是按照自己的理論和經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的，而在此之前，沒(méi)有任何的數(shù)據(jù)可以證明這個(gè)零件是最好的，也不知道這個(gè)零件是否可以被驗(yàn)證。所謂“再補(bǔ)漏”，就是一種新的產(chǎn)品，在實(shí)驗(yàn)室里做了一次試驗(yàn)，試驗(yàn)的時(shí)候有2 種情況，一種是合格，一種是不合格，如果不合格，那么就必須要進(jìn)行一次補(bǔ)漏，如在主板和外殼之間的空隙處添加一種導(dǎo)體。針對(duì)是否要在散熱器的下方添加一些吸收電磁波材料的問(wèn)題，本文提出了“設(shè)計(jì)—修改—重新設(shè)計(jì)”的新思路。在電磁兼容“問(wèn)題解決法”設(shè)計(jì)流程圖中，出現(xiàn)了多次重復(fù)的現(xiàn)象，這對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于研發(fā)周期的拖延，將會(huì)錯(cuò)過(guò)最好的推出時(shí)機(jī)，從而喪失市場(chǎng)，甚至?xí)七t重大項(xiàng)目整體招標(biāo)。

研發(fā)產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)早晚和設(shè)計(jì)周期都與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本有著緊密的聯(lián)系，從電磁兼容設(shè)計(jì)周期和研發(fā)成本的關(guān)系圖中可以看到，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，電磁兼容設(shè)計(jì)越早介入，就越能控制產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。

“問(wèn)題解決法”之所以可以被應(yīng)用到現(xiàn)在，既有它的主觀因素，也有它的客觀因素。在主觀因素中，電磁兼容設(shè)計(jì)屬于一門(mén)相對(duì)偏僻的學(xué)科，它與產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)沒(méi)有任何關(guān)系。所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，人們并不會(huì)對(duì)電磁兼容設(shè)計(jì)進(jìn)行太多的思考，只有當(dāng)產(chǎn)品的功能和性能都達(dá)到了相應(yīng)的要求之后，才會(huì)進(jìn)行與電磁兼容有關(guān)的測(cè)試設(shè)計(jì)。客觀地講，歐美等先進(jìn)國(guó)家早在70 年代就開(kāi)始制定和實(shí)施 EMC 的相關(guān)法律，而中國(guó)則是2000 年以后才開(kāi)始制定和實(shí)施 EMC 的相關(guān)法律，這使得許多企業(yè)對(duì) EMC 的研究還不夠深入。

4 通信設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)分析

4.1 接地設(shè)計(jì)

在通信設(shè)備進(jìn)行接地設(shè)計(jì)時(shí)，將地線作為信號(hào)流回源的低阻抗路徑，若有限阻抗中有電流流過(guò)，則會(huì)造成設(shè)備的電壓降低，從而真實(shí)反映了地線上的電位情況，方便設(shè)備對(duì)電磁兼容性進(jìn)行分析[3]。通過(guò)對(duì)接地進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。

（1）通過(guò)接地的方式，保證了通信裝置中各部分的線路均能以相同的公用零電壓為基準(zhǔn)，從而保證了通信裝置整體的穩(wěn)定。

（2）將通信裝置的外部外殼與地面連接，防止了靜電在外殼上積聚，導(dǎo)致電壓過(guò)高，引起重大的安全事故，從而對(duì)裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成不利影響。另外，在對(duì)線路進(jìn)行接地時(shí)，也能有效提高線路的屏蔽效果。

（3）接地的設(shè)計(jì)能夠有效防止因閃電引起的電磁效應(yīng)對(duì)通信裝置造成損害，減少工作人員在使用通信裝置時(shí)被電擊的危險(xiǎn)。

4.2 屏蔽設(shè)計(jì)

作為一種常用的通信設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)，在屏蔽設(shè)計(jì)的幫助下，大多數(shù)的電磁兼容問(wèn)題都可以得到解決[4]。在 EMC 設(shè)計(jì)時(shí)，不需要改變裝置的線路，不會(huì)對(duì)裝置的線路造成任何影響。在進(jìn)行屏蔽的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的問(wèn)題如下文所述。

（1）屏蔽材料。進(jìn)行 EMC 設(shè)計(jì)時(shí)，在選用屏蔽材料時(shí)，除了要選用導(dǎo)電性能好的材料外，還要對(duì)其磁性成分如高導(dǎo)磁率、高導(dǎo)電等特性進(jìn)行分析。一般而言，對(duì)于電磁屏蔽，應(yīng)選擇具有良好導(dǎo)電性的屏蔽材料，并盡可能將其布置在靠近輻射源的位置；在對(duì)磁場(chǎng)波進(jìn)行屏蔽時(shí)，在與磁場(chǎng)源的距離上可以選擇具有高導(dǎo)磁性能的材料[5]。

（2）涂層技術(shù)。目前，由于泡沫材料成型容易，價(jià)格便宜，便于安裝，不易腐蝕，因此在通信設(shè)備EMC 屏蔽方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。通常使用的是在發(fā)泡體的基礎(chǔ)上放置一層由銀粉、鎳粉等物質(zhì)構(gòu)成的導(dǎo)電性涂料。

另外，在進(jìn)行 EMC 屏蔽的設(shè)計(jì)時(shí)，還需要關(guān)注2 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，一是要保證屏蔽體是一個(gè)完全連續(xù)的導(dǎo)電體，二是要在屏蔽設(shè)計(jì)中避免出現(xiàn)穿過(guò)機(jī)殼的導(dǎo)體[6]。

4.3 濾波設(shè)計(jì)

光靠電磁發(fā)生器的屏蔽無(wú)法徹底消除通信裝置的電磁干擾，保證通信裝置的穩(wěn)定工作。如一些裝置或系統(tǒng)的線纜在對(duì)單個(gè)裝置進(jìn)行 EMC 試驗(yàn)時(shí)，表現(xiàn)出了很好的性能；當(dāng)2 個(gè)以上的設(shè)備在進(jìn)行通信時(shí)，會(huì)因?yàn)殡娎|引起的電磁干擾而影響到設(shè)備的正常工作。所以，在對(duì)通信設(shè)備的電磁兼容性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用過(guò)濾設(shè)計(jì)，能夠有效地阻斷電磁干擾的傳播途徑，并與屏蔽的設(shè)計(jì)措施相結(jié)合，有效提高通信設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

電磁兼容設(shè)計(jì)對(duì)通信設(shè)備的運(yùn)行有重要影響，只有做好電磁兼容設(shè)計(jì)，選擇合理的電磁兼容設(shè)計(jì)方法，才能提高通信設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，以更好地促進(jìn)通信設(shè)備的發(fā)展。