第一章 电磁兼容的基本原理
1.1 电磁兼容的基本概念
当代以半导体工业为基础和支柱的微电子技术，它的迅速发展和应用已渗透到社会生活的各个领域，特别是通信领域近期发展之快和变化之大往往超出人们的预料。最为明显的几个特征是从全球移动卫星系统到无线局域网的出现，无线技术正向通信的各个方面渗透，Internet和www网络继续保持指数的增长势头，并产生对高速公众数据网的强烈需求。但是广泛应用上述微电子技术的设备，它的安全性、可靠性和电磁兼容性实在令人担忧，因为上述超大规模集成电路和公众数据网络的不断发展，导致了对人为或自然的过电压或过电流的冲击更加敏感到几乎成指数增长的趋势，可以说是目前人类享受高科技给人类带来的各种效益，是同人类百年来为之奋斗的电磁兼容事业密不可分。因此，联合国确定电磁污染是继环境中的空气、水质、噪声等污染之后的第四大环境污染。
本章所指的电磁兼容（Electromagnetic Compatibility——EMC）对于设备或系统的性能指标来说，应为“电磁兼容性”。但作为一门学科来说，应为“电磁兼容”。
它的确切定义按国家军用标准GJB——85《电磁干扰和电磁兼容性名词术语》为：“设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即：该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其它设备（分系统、系统），因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。”
所以电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频谱资源等条件下，各种用电设备（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。电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境下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。它有以下三方面的含意。
1)电磁环境应是给定的或预期的。
2)设备、分系统或系统不应产生超过标准或规范所规定的电磁骚扰发射（EMI）限值的要求电磁骚扰发射就是从骚扰源向外发出电磁骚扰能量的现象，它是引起电磁骚扰的原因。
3)设备、分系统或系统应满足标准或规范所规定的电磁敏感性（EMS）限值或抗扰度（immu-nity）；其中电磁敏感性为在存在电磁骚扰的情况下，设备、分系统或系统暴露在电磁辐射下所呈现不希望有的响应程度；抗扰度为设备、分系统或系统抗电磁骚扰的能力。
1.1.1电磁干扰效应
由电磁骚扰源发射的电磁能量，经过耦合途径 传输到敏感设备，这个过程称为电磁干扰效应。因此形成电磁干扰后果必须具备三个基本要素：
1)电磁骚扰源：任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，即称为电磁骚扰源。
2)耦合途径：即传输骚扰的通路或媒介。
3)敏感设备（Victim）：是指当受到电磁骚扰源所发出的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或系统既是电磁骚扰源又是敏感设备。
为了实现电磁兼容，必须从上面三个基本要素出发，运用技术和组织两方面措施。所谓技术措施，就是从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有效的技术手段，抑制骚扰源、消除或减弱骚扰的耦合、降低敏感设备对骚扰的响应或增加电磁敏感性电平；为了对人为骚扰进行限制，并验证所采用的技术措施的有效性，还必须采取组织措施，制定和遵循一套完整的标准和规范，进行合理的频谱分配，控制与管理频谱的使用，依据频率、工作时间、天线方向性等规定工作方式，分析电磁环境并选择布置地域，进行电磁兼容性管理等。
1.1.2 实现电磁兼容必须深入研究的五个问题
1)对于电磁骚扰源的研究，包括电磁骚扰源的频域和时域特性，产生的机理以及抑制措施等的研究；
2)对于电磁骚扰传播特性的研究，即研究电磁骚扰如何由骚扰源传播到敏感设备，包括对传导和辐射骚扰的研究，传导骚扰是指沿着导体传输的电磁骚扰，辐射骚扰即由器件、部件、连接线、电缆或天线，辐射的电磁骚扰；
3)对于敏感设备抗干扰能力的研究，这种抗干扰能力常以电磁敏感性或抗扰度表征，电磁敏感电平越小，抗扰度越低，抗干扰能力越差；
4)对于测量设备、测量方法与数据处理方法的研究，由于电磁骚扰十分复杂，测量与评价需要有许多特殊要求，例如测量接收机要有多种检波方式，多种测量带宽、大过载系数、严格的中频滤波特性等，还要求测量场地的传播特性与理论值符合得很好等，如何评价测量结果，也是个重点问题，需要应用概率论、数理统计等数学工具；
5)对于系统内、系统间电磁兼容性的研究，系统内电磁兼容性是指在给定系统内部的分系统、设备及部件之间的电磁兼容性，而给定系统与它运行时所处的电磁环境，或与其它系统之间的电磁兼容性即系统间电磁兼容性，这方面的研究需要广泛的理论知识与丰富的实践经验。
还应当指出，由于电磁兼容是抗电磁骚扰的扩展与延伸，它研究的重点则是设备或系统的非预期效果和非工作性能，非预期发射和非预期响应，而在分析骚扰的迭加和出现概率时，还需按最不利的情况考虑，即所谓“最不利原则”，这些都要比研究设备或系统的工作性能复杂得多。
总之，电磁兼容是一门综合性的边缘学科，其理论基础广泛，包括数学、电磁场理论、电路理论、微波理论与技术、天线与电波传播、通信理论、材料科学、计算机与控制理论、机械工艺学、核物理、生物医学以及法律学、社会学等内容。现在，电磁兼容学已成为国内外瞩目的迅速发展的学科，预计到二十一世纪，它还将获得更加迅速的发展。
1.2 电磁兼容发展简史和主要国际组织和机构
电磁兼容的研究工作可追溯到19世纪，希维赛德1881年写的“论干扰”一文，是重要的早期文献，此后1887年柏林电气协会成立了全部干扰问题委员会，1889年英国邮电部门研究了通信干扰问题。到20世纪20年代以后各工业先进国家都日益重视电磁兼容的研究，纷纷成立相关的国际组织；40年代为了解决飞机通信系统受到电磁干扰造成的飞机事故，开始较系统的进行电磁兼容技术的研究，特别是美国1945年颁布了一系列电磁兼容军标和实际规范，使电磁兼容技术进入新的阶段；60年代起，美、苏、英等国家军事部门都先后建立较完善的电磁兼容实验室、电磁兼容分析中心，制定各种标准规范、研究各类武器系统在恶劣环境下的电磁干扰问题；到了80年代国外电磁兼容标准规范从军事转向民用发展，为满足规范要求工业发达国家投入了大量人力物力，开辟实验基地，建设屏蔽室，研究各种干扰测试方法和抑制措施，形成电磁兼容发展高潮。
我国电磁兼容工作起步较晚，70年代随着四个现代化的实施才逐渐发展起来。
人们对电磁骚扰进行有组织的对抗，从一开始就是国际性的。各种世界性组织和地区性组织不断进行国际间的协调行动，在世界范围内进行合理的频谱分配与管理，对人为骚扰提出规定性限制，对一些固定业务进行合理的保护等。目前，这方面主要的世界性国际组织有：
1)国际电信联盟（ITU），是最早、最大的国际组织之一。无线电通信的国际合作，始于1903年无线电报预备会议；1906年第一次无线电报大会上签定了国际无线电公约；1927年召开了无线电报大会，有八十个国家参加；1932年马德里大会将组织改为国际电信联盟（TTU），首次签署了国际电信公约和无线电规则。至今已拥有一百五十多个会员国，主要从事电磁频谱管理和通信系统的协调工作，定期召开政府级会议，制定通信领域内各种规则和建议。ITU的常设咨询委员会是国际无线电咨询委员会（CCIR），其主要任务是研究无线电技术的应用问题，并针对这些问题提出建议书，内容包括频谱利用、无线电波传播等。ITU的组成部分之一有国际电报电话咨询委员会（CCITT），其第五和第六研究组经常研究电磁兼容有关的问题。
2)国际电工技术委员会（IEC），是世界上最具权威性的国际标准化机构之一，1906年10月在伦敦成立。它负责制定电气和电子领域的国际标准，围绕这一中心工作，建立了较为严密的组织体制。现已成立了82个技术委员会，以及国际无线电干扰特别委员会（CISPR）、IEC/ISO联合技术委员会（JTCI）、电磁兼容性咨询委员会（ACEC），还有127个分技术委员会和700个工作组。上述组织中，约有半数均涉及EMC问题。尤其是IEC/TC-77电气设备（含网络）之间EMC技术委员会和IEC/TC-65工业过程测量和控制技术委员会，前者主要研究非无线电干扰引起的EMC问题；后者在进行EMC研究和制定标准方面与CISPR协调一致，目前就传导影响及磁影响将电磁环境分为完善防护型环境、防护型环境、有代表性的工业环境、严重恶劣的工业环境和需要进行分析的专门情况等几个等级。
CISPR旨在促进国际上对于无线电骚扰在下列几方面达成一致意见，以利于国际贸易：
保护无线电接收，免受人为骚扰；
统一骚扰的测量设备和测量方法；
统一人为骚扰源的骚扰允许值；
统一声音和电视广播接收机的抗扰度，规定抗扰度的测量方法；
研究安全规程对电气设备骚扰抑制的影响。
60余年来，它的业务范围不断扩大，现在下设7个分委员会，即：
A分会（SC   A）：无线电骚扰测量方法与统计方法
B分会（SC   B）：工业、科学、医疗射频设备（ISM）的无线电骚扰
C分会（SC   C）：电力线、高压设备和电牵引系统的无线电骚扰
D分会（SC   D）：机动车辆和内燃机的无线电骚扰
E分会（SC    E）：无线电接收设备骚扰特性
F分会（SC    F）：家用电器、电动工具、照明设备及类似电器的无线电骚扰
G分会（SC   G）：信息技术设备的无线电骚扰
近年来，CISPR对已出版的出版物进行了全面的修订，并在对抗扰度进行了深入研究的基础上，制定了相关的抗扰度标准。CISPR制定的标准，自成体系，其基础标准通过被引用，而构成产品类标准的必要组成部分。至1998年底，由CISPR及其下属分委员会制定的标准共25个。
IEC/TC-77近年来负责制定出版的IEC61000系列标准，在国际上产生了很大影响，特别是IEC61000-4系列标准（见表1），是近年来对EMC抗扰度研究的很大突破。IEC/TC-77的组织结构如下：
TC77：电磁兼容
             WG1：术语
             WG13：电磁兼容通用标准
             WG14：电磁兼容与安全
             WG15：电磁现象的测量方法
SC77A：低频现象
                WG1：谐波（源于低压电器及公共电网）
                WG2：电压波动（源于低压电器及公共电网）
                WG6：抗扰性测试
                WG8：工频电磁干扰（描述现象、描述环                       境、兼容性电平）
SC77B：高频现象
                WG2：抑制方法与安装导则
                WG3：抗扰性测试
                WG5：干线信令系统
                WG6：工频以外的电磁骚扰
                WG7：数字无线电话的射频发射
                WG8：场地
                WG9：TEM   Cell
SC77C：对高空核电磁脉冲（HEMP）的抗扰性
               WG1：高空核电磁脉冲的防护器件
ACEC成立于1987年，其任务是在IEC内部及其它有关组织之间就产品或系统的EMC标准进行指导和协调，并负责起草IEC电磁兼容标准化工作的政策和方针。1991年年初，ACEC研究了和欧洲电子技术标准化委员会（CENELEC）在EMC领域的合作和协调问题，认为应迅速制定有关的EMC标准，以满足欧共体（EEC）的需要。
3)欧洲电工标准化委员会（European  Committee  for  Electrotechnical  Standardization-CENELEC）是欧洲范围的标准化组织。其中涉及电磁兼容领域的主要是210技术委员会（TC210）：
TC210：电磁兼容（EMC）
               WG1：通用标准
               WG2：基础标准
               WG3：电波暗室与半电波暗室
SC210A：信息技术
按照IEC与CENELEC之间的协议，TC210主要是尽可能地在电磁兼容领域IEC联系以促进其表决过程，提出建议或修正，以及按CENELEC的需要向IEC提出有关标准的准备等等。
4)国际频率登记委员会（IFRB），负责国际无线电频率的协调工作。
5)国际无线电科学联盟（URSI），成立于1919年，它已有的九个委员会中有研究电磁兼容噪声与骚扰的委员会和生物电磁学委员会等，研究内容包括宇宙空间电磁环境、雷电、天电、人为噪声以及电子电路EMC等。
6)跨国电气电子工程师学会EMC专业(IEEE-EMC)，IEEE的前身是美国无线电工程师学会（IRE），1957年成立了射频干扰专业组，1959年改为EMC专业组，1978年又改为EMC专业委员会。研究领域涉及EMC检测、电波传播、强电噪声及静电放电、EMC教育、生态效应等二十多个方面。
上述国际组织都在国际间的协调与合作方面进行了大量工作，这对实现电磁兼容是完全必要的，不可缺少的。
20世纪90年代以来，世界各国对环境问题，包括电磁环境问题的关注越来越强烈。随着科学技术的发展，大量技术含量高、内部结构复杂的电子、电气产品得到了广泛应用。由此而产生的电磁环境污染在对电子、电气产品的安全与可靠性产生影响和危害的同时，也对人类的健康与生存产生了直接影响。因此，保护电磁环境、防止杂散电磁波的污染，已引起世界各国及有关国际组织的普遍关注。前几年，国际上提出了可持续发展的概念，把环境等问题与经济发展有机的结合起来，并且提高到发展战略的高度来认识，引起了广泛的重视，已构成世界经济和国际贸易发展的大趋势。在这同时，世界上一些发达国家在EMC技术的研究、标准的制定、EMC测试及认证等领域的活动也日益频繁。
1989年5月3日欧洲共同体委员会通过了一项理事会指令：《各成员国就有关电磁兼容性的法律达成的共识》（编号为89/336/EEC），自1992年开始试行，并作为法规经过4年过渡期，于1996年1月1日起进入实质性实施阶段—强制性执行阶段后，所有电子、电气产品须经过EMC性能的认证，其EMC指标合格与否更成为欧共体市场准入或市场流通的必要备件。该指令的目的在于消除成员国在EMC领域所存在的贸易壁垒，保证共同体内部的自由贸易；同时确保产品符合EMC要求，从而净化电磁环境，防止电磁骚扰，此举在世界范围引起较大反响，EMC已成为影响国际贸易的重要性能指标，各国政府也开始从商业贸易的角度考虑EMC问题，并纷纷采取措施加强EMC标准的制定和认证制度的建立和完善，以及有关法规的制定、贯彻和实施。

（下期待续）