國內外電磁兼容標準概況與測試手段簡介

[摘要]本文介紹了電磁兼容性的定義，國內外電磁兼容標準的發展概況和電磁兼容測量所需的環境要求以及騷擾、抗干擾測量設備的有關情況。目的是使廣大工程技術人員對電磁兼容有個初步了解。
[關鍵詞]標準、電磁兼容、測量環境、測量設備。 隨著技術的發展，特別是人們環境保護意識的增強，對產品的電磁兼容性越來越重視。我國已將產品的電磁兼容性要求納入了國家強制性產品認證范圍，國家規定從2003年5月1日起凡列入國家強制性產品認證目錄的產品未經認證不得出廠、進口和銷售。
  那么什么是產品的電磁兼容性？國內外電磁兼容標準發展情況又如何？產品的電磁兼容性測量又需要那些環境條件和測量設備。本文就上述內容作出簡單介紹。 電磁兼容性(electromagnetic compatibility) 縮寫ＥＭＣ就是指某電子設備既不干擾其它設備，同時也不受其它設備的影響。電磁兼容性和我們所熟悉的安全性一樣，是產品質量最重要的指標之一。安全性涉及人身和財產，而電磁兼容性則涉及人身和環境保護。在我們的日常生活中經常會遇到這樣一些情況，在我們正常收聽廣播或收看電視節目的時候如果戶外有汽車駛過，很容易造成收聽或收看質量下降，還有當我們在家玩電子游戲機時，常常造成鄰居家電視機的某些頻道無法正常收看；同樣鄰居家在玩游戲機時也會影響自家電視機的接收效果。這樣的例子足以說明，在我們日常生活的空間確實存在著另外一種環境污染——電磁污染。可以這樣說，凡有電、有開關的設備均會產生電磁干擾。 早在一九三四年國際電工委員會就成立了無線電干擾特別委員會簡稱CISPR，專門研究無線電干擾問題，制定有關標準，旨在保護廣播接收效果。當初只有少數國家參加該委員會，如比利時、法國、荷蘭和英國等。經過多年的發展人們對電磁兼容的認識發生了深刻的變化，1989年歐洲共同體委員會頒發了89/336/EEC指令，明確規定，自1996年1月1日起，所有電子、電器產品須經過EMC性能的認證，否則將禁止其在歐共體市埸銷售。此舉在世界范圍內引起較大反響，EMC已成為影響國際貿易的一項重要指標。隨著技術的發展CISPR工作范圍也由當初保護廣播接收業務擴展到涉及保護無線電接收的所有業務。國際電工委員會IEC有兩個專們從事電磁兼容標準化工作的技術委員會：一個就是CISPR成立于1934年；另一個是電磁兼容委員會TC77，成立于1981年。CISPR最初關心的主要是廣播接收頻段的無線電騷擾問題，之后在EMC標準化工作方面進行了不懈的努力，CISPR共有七個分技術委員會其中
A分會涉及無線電騷擾和抗擾度測量設備及測量方法；
B分會涉及工業、科學、醫療射頻設備的EMC；
C分會涉及架空電力線路和高壓設備的EMC；
D分會涉及車輛、機動船和火花點火發動機驅動裝置的EMC；
E分會涉及收音機和電視接收機及有關設備的EMC；
F分會涉及家用電器、電動工具及熒光燈和照明裝置的EMC；
G分會涉及信息技術設備的EMC問題。
CISPR已基本上將通常的工業和民用產品的EMC考慮在其標準中。CISPR還起草了通用射頻騷擾限額值國際標準草案，這樣，對那些新開發的以及暫時還不能與現有CISPR產品標準相對應的產品，可以用射頻騷擾限額值來加以限制。幾年前CISPR將其工作頻率范圍擴展為DC-400GHz，目前實際工作范圍為9KHz—18GHz，以前的CISPR標準主要涉及無線電干擾限額值及其測量方法，近年來在抗擾度方面加強了研究，并已制定了一些標準。TC77最初主要關心低壓電網系統的EMC間題（9KHz以下頻段），后來將其工作范圍擴大到整個EMC所涉及的頻率范圍及產品。目前CISPR已制定有CISPR22（1997）《信息技術設備的無線電騷擾特性的測量方法及限值》等14個標準；TC77也已制定了25個IEC標準，其中IEC61000-4系列標準是目前國際上比較完整和系統的抗擾度基礎標準。 我國的EMC測試及標準化工作始于六十年代，當時國內的一些院所建立了相對簡陋的試驗室，開展無線電干擾（騷擾）測試研究，同時參考前蘇聯和歐美國家標準制定我們國家自已的EMC標準和技術條件，自從1986年成立了全國無線電干擾標準化委員會后，我國才開始有組織有系統地對應CISPR/IEC開展國內EMC標準化工作。目前全國無線電干擾標準化委員會已成立了八個分技術委員會，其中七個分會與CISPR/A.B.C…F.G分會相對應，S分會是根據我國國情而成立的，它主要涉及無線電系統與非無線電系統之間的電磁兼容問題。目前我國已制定了六十多項EMC國家標準，其中基礎標準為GB4365-1995電磁兼容術語；GB/T6113-1995無線電干擾和抗擾度測量設備規范。 電磁兼容性的測量手段主要由測試場地和測試儀器組成。EMC測試所需埸地主要包括開闊埸、電波暗室（anechoic chamber）、屏蔽室等。 開闊埸：根據標準要求通常測試埸成橢園形，長軸是焦距的兩倍，短軸是焦距的√3倍，發射與接收天線分別置橢園的兩個焦點上。兩個焦點的距離即是我們所要求的測量距離，根據現有標準可分為3米、10米和30米。我國現有標準大多數規定3米法測量，美國的FCC標準、英國的VDE標準有10米法測量的要求。 開闊埸一般應選擇遠離市區、電磁環境較好的地方建造，但這給建造、試驗、生活管理等帶來了諸多不便，目前國內大都利用樓頂平臺，因地制宜進行建造。試驗埸地應設有轉臺和天線升降塔，便于全方位的輻射發射及天線升降測試，關于開闊埸還有一些具體要求，如要符合埸地衰減要求，埸地周圍無金屬反射物等等。

屏蔽室(screen room)：在EMC測試中，屏蔽室能提供環境電平低而恒定的電磁環境，它為測量精度的提高，測量的可靠性和重復性的改善帶來了較大的益處。但是由于被測設備在屏蔽室中產生的干擾信號通過屏蔽室的六個面產生無規則的漫反射，特別是在輻射發射測量和輻射敏感度測量中表現更嚴重，導致在屏蔽室內形成駐波而產生較大的測量誤差。
目前國內生產的屏蔽室的屏蔽效能在10Kz-10GHz頻率范圍內一般能大于100dB。 電波暗室(anechoic chamber): 通常所說的電波暗室在結構上大都由屏蔽室和吸波材料兩部分組成。在工程應用中又分全電波暗室(fully anechoic chamber)( 六面裝有吸波材料）和半電波暗室(semi anechoic chamber)( 地面為金屬反射面）。全電波暗室可充當標準天線的校準埸地，半電波暗室可作為EMC試驗場地。電波暗室的主要性能指標有“靜區”、“工作頻率范圍”等六個指標（靜區是指射頻吸波室內受反射干擾最弱的區域）。但建造電波暗室的成本、難度均相當高，因為暗室的工作頻率的下限取決于暗室的寬度和吸收材料的高度、上限取決于暗室的長度和所充許的靜區的最小截面積，所以在建造上有較大的難度。且由于吸波材料的低頻特性等原因，總的測試誤差有時高達幾十分貝，造價需幾百萬元。 由于開闊場、電波暗室的諸多缺點，1974年美國國家標準局(NBS)的專家首先系統地論述了橫電磁波傳輸小室（簡稱ＴＥＭ小室Transverse Electromagnetic Transmission Cell），其外形為上下兩個對稱梯形。橫電磁波傳輸小室的優點是結構簡單，主要缺點是可用頻率上限與可用空間存在矛盾。標準TEM小室的測量尺寸大約限定在設計的最小工作波長的四分之一范圍。如果要進行1GHz（波長30cm）的測試，測試腔尺寸要限定在7.5cm。如果對PC機進行測試，測試腔高度起碼要有半米，即使加入一些側壁吸收材料，可用頻率上限也不會超過300MHz。用TEM小室的方法測量已列入CISPR標準之中。為了克服TEM小室的缺點，1987年瑞士ABB公司發明了TEM小室家族中的新成員GTEM小室，其外形為四棱錐形。GTEM小室綜合了開闊場、屏蔽室、TEM小室的優點，克服了各種方法的局限性，便于進行幾乎全部輻射敏感度及發射試驗。其頻率范圍可覆蓋0-18GHz，模擬入射平面波，可以產生強的場強、對周圍的人員和設備沒有危害和干擾。 但GTEM小室的使用目前國際上尚有爭論，還沒有列入標準的測試方法之中，一般用于預測試。 在電磁輻射敏感度測量方面還有一種非對稱橫電波傳輸室簡稱ATEM小室（Asymmetric Transverse Electromagnetic Transmission Cell）。通常TEM小室呈對稱形，ATEM小室為非對稱形，其外形為中間是方形的兩頭為非對稱的棱錐形。ATEM小室目前還處在研究階段，主要用于預測試，尚未正式列入標準。 電磁兼容性測量所需的儀器設備的技術參數在標準中都有描述，電磁兼容性的測量分干擾（騷擾）和抗干擾： 電磁干擾（electromagnetic interference）簡稱EMI，測量一般為兩個參數即輻射干擾(Radiated interference) 和傳導干擾(Conducted interference) ，所謂輻射干擾是指通過空間傳播的干擾，所謂傳導干擾是指通過電源端而產生的干擾。
測量所需的主要設備有：
１．接收天線（根據測量頻率不同可以選則偶極子天線、雙錐天線、對數周期天線等）。
２．測量接收機。
３．人工電源網絡(artificial mains network串接在被測設備電源進線處的網絡。它在給定頻率范圍內，為騷擾電壓的測量提供規定的負載阻抗，并使被試設備與電源相互隔離)。
４．天線升降架、轉臺及部分適配器。
５．吸收鉗（absorbing clamp）。
６．計算機、接口板、軟件等。關于EMI測量儀器的生產廠，目前國內尚沒有這方面的生產能力，國際上也只集中在少數幾家公司如德國的羅德與施瓦茨公司（RS公司）是生產EMI儀器的著名公司，一直緊跟標準的變化，美國的惠普公司（HP公司，現為安捷倫公司）也以其自身的優勢大量生產著EMI測量儀器，還有美國的依頓公司、泰克公司、日本的目黑公司等也生產EMI測量儀器。有的可用于認證測試，有的可用于企業預測試。
對抗干擾(electromagnetic susceptibility)簡稱EMS，這方面的測量參數一般有10項：靜電放電、無線電頻率電磁輻射場、電快速瞬變脈沖、浪涌、由射頻場引起的傳導、電源頻率磁場、脈沖磁場、阻尼振蕩磁場、電壓跌落短期中斷和電壓變化、振蕩波抗擾度試驗。其中無線電頻率電磁輻射場和由射頻場引起的傳導兩項試驗所需的儀器多一些如需高頻信號源、高頻功率放大器、功率計、場監系統、計算機及相應的專用測試軟件和接口等..