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复杂电磁环境

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  • 发布时间:2013/9/29 22:36:01
  • 作者:AnyWay中国

复杂电磁环境  电磁波无时无刻不在影响着人们的生活及生产,电磁能的广泛应用,使工业技术的发展日新月异。电磁能在为人类创造巨大财富的同时,也带来一定的危害。无线通讯技术、电力电子技术、计算机技术等的高速发展及运用,导致电磁环境日趋复杂,复杂电磁环境泛指由密集、重叠、无序的电磁波构成的电磁环境。

 

 

 

一、概述

1、狭义的复杂电磁环境

  复杂电磁环境一词,在军事领域用于特指作战时空内,人为电磁发射和多种电磁现象的总合,是信息化战争的舞台,是信息化战场的基本特征。

  海湾战争的“沙漠风暴”行动实施后,多国部队的多种电子战飞机首先升空,与其他电子对抗设备一起对伊军的电台、雷达和通信设备进行压制性干扰,使伊军的通信联络中断、电子设备失去作用,雷达显示器上一片杂波,从而为之后的获胜奠定了基础。

  未来的信息化战场上,传统的夺取制空权,取决于夺取制信息权;夺取制信息权,基础是夺取制电磁权。复杂电磁环境,是信息化战争的舞台,是信息化战场的基本特征。推进机械化条件下的作战向信息化条件下的作战转变,必须深入研究复杂电磁环境下的作战问题。信息化战争多是从电磁场拉开序幕 ,随着新军事变革的不断推进,战争形态由机械化向信息化演变的速度越来越快,复杂的战场电磁环境,正是战争形态演变的产物,并将随着信息化战争的发展而发展。

2、广义的复杂电磁环境

  电磁波作为一种特殊形态的物质,广泛存在于整个宇宙中。电磁环境是指存在于给定场所的所有电磁现象的总和,是由各种电磁波构成的环境,具有空间、时间和频谱三个要素。它由人为电磁环境和自然电磁环境组成。

电磁波无时无刻不在影响着人们的生活及生产,电磁能的广泛应用,使工业技术的发展日新月异。电磁能在为人类创造巨大财富的同时,也带来一定的危害。无线通讯技术、电力电子技术、计算机技术等的高速发展及运用,导致电磁环境日趋复杂,复杂电磁环境泛指由密集、重叠、无序的电磁波构成的电磁环境。

二、电磁兼容

  与复杂电磁环境密切相关的,频繁使用的一个词就是“电磁兼容”。

  电磁兼容(electromagnetic compatibility)是指设备或系统在共同的电磁环境中,能够一起工作而不影响各自功能的和谐状态。

  电磁兼容的两个研究方向分别是降低电磁发射和提高抗干扰性能。

  电磁干扰与传染病的传播非常类似,包括干扰源、传播途径、敏感设备三个环节,且三个环节缺一不可。换言之,消除或降低干扰源的发射,切断或抑制传播途径,提高敏感设备的抗干扰能力均可有效的抑制电磁干扰,实现“电磁兼容”。

1、干扰源

  干扰源的分类方法很多。

a、一般说来电磁干扰源分为两大类:自然干扰源与和人为干扰源。

  自然干扰源主要来源于大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声。他们既是地球电磁环境的基本要素组成部分,同时又是对无线电通讯和空间技术造成干扰的干扰源。自然噪声会对人造卫星和宇宙飞船的运行产生干扰,也会对弹道导弹运载火箭的发射产生干扰。

  人为干扰源是有机电或其他人工装置产生电磁能量干扰,其中一部分是专门用来发射电磁能量的装置,如广播、电视、通信、雷达和导航等无线电设备,称为有意发射干扰源。另一部分是在完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射,如交通车辆、架空输电线、照明器具、电动机械、家用电器以及工业、医用射频设备等等。因此这部分又成为无意发射干扰源。

b、从电磁干扰属性来分,可以分为功能型干扰源和非功能性干扰源。

  功能性干扰源系指设备实现功能过程中造成对其他设备的直接干扰;非功能性干扰源是指用电装置在实现自身功能的同时伴随产生或附加产生的副作用,如开关闭合或切断产生的电弧放电干扰。

c、从电磁干扰信号频谱宽度,可以分为宽带干扰源和窄带干扰源。

  他们是相对于指定感受器的带宽大或小来加以区别的。干扰信号的带宽大于指定感受器带宽的成为宽带干扰,反之称为窄带干扰源。

d、从干扰信号的频率范围来分

  可以把干扰源分为工频与音频干扰源(50Hz及其谐波)、甚低频干扰源(30Hz以下)、载频干扰源(10kHz~300kHz)、射频及视频干扰源(300kHz)、微波干扰源(300MHz~100GHz)。

  工业自动化领域,工厂主要干扰源有高电压、大电流开关的闭合与分断产生的电弧放电干扰,交流高电压产生的强电场干扰,交流大电流产生的强磁场干扰。斩波器、整流器、变频器、电机、变压器、调压器等均是工业现场的主要干扰源。

2、传播途径

  电磁干扰传播途径一般也分为两种:即传导耦合方式和辐射耦合方式。

  任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径(或传输通道)。通常认为电磁干扰传输有两种方式:一种是传导传输方式;另一种是辐射传输方式。因此从被干扰的敏感器来看,干扰耦合可分为传导耦合和辐射耦合两大类。

  传导传输必须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器,发生干扰现象。这个传输电路可包括导线,设备的导电构件、供电电源、公共阻抗、接地平板、电阻、电感、电容和互感元件等。

辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合由三种:

  a.甲天线发射的电磁波被乙天线意外接受,称为天线对天线耦合;

  b.空间电磁场经导线感应而耦合,称为场对线的耦合;

  c.两根平行导线之间的高频信号感应,称为线对线的感应耦合。

在实际工程中,两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在,反复交叉耦合,共同产生干扰,才使电磁干扰变得难以控制。

3、敏感设备

  敏感设备是对干扰对象统称,它可以是一个很小的元件或一个电路板组件,也可以是一个单独的用电设备甚至可以是一个大型系统。

三、前端数字化与复杂电磁环境

提问:

  AnyWay前端数字化产品的抗干扰能力如何?

问题补充:

  AnyWay的测试设备采用前端数字化和光纤传输技术,传输环节不受干扰,那么,其数字化前端如:SP系列变频功率传感器DT系列数字变送器DM系列分布式测试子站等本身抗干扰能力如何?

解答:

  电磁环境日益复杂,电磁兼容是每一个仪器仪表厂家研究的一个重要内容,相比之下,AnyWay的数字化前端与电磁环境较复杂的一次线路直接相连,要求有更强的抗干扰能力,因此,电磁兼容性是AnyWay数字化前端的重要技术指标。

  根据电磁干扰的机理,干扰源、传播途径、敏感设备是电磁干扰的三个环节中,做好每一个环节,都可有效的解决干扰问题,一般而言,作为测试设备,本身电磁发射一般可以忽略,而整改干扰源的工程量大,投资大,技术复杂。因此,切断或抑制传播途径、提高敏感设备的抗干扰能力是测试设备抗干扰的主要研究方向。

在提高敏感设备抗干扰能力方面,AnyWay除了采用常规方法诸如:隔离、屏蔽、接地、滤波、接插件优化、专业布线等方法提高电磁兼容性能之外,在每一次技术革新或产品改型之后,都要依据IEC标准进行严谨的、全面的抗扰测试。

  由于工业现场测试的大多数情况下,信号传输环节由用户处理,传感器、仪器仪表厂家只对自己的产品负责,因此,众多厂家都将抗干扰研究集中在提高敏感设备抗干扰性能方面,并通过相关的电磁兼容试验验证其电磁兼容性。却忽视了电磁干扰的传播环节的技术研究。

  通过切断传播途径,可以有效的抑制电磁干扰,正是AnyWay的前端数字化理念的基本指导思想。

前端数字化

图1 采用前端数字化技术的WP4000变频功率分析仪适合各种复杂电磁环境下的高精度测量

  所谓电磁干扰,简单讲就是接收到了对系统有害的电磁波。对于传导耦合干扰,切断了传输线路,干扰就被隔离了。对于辐射耦合干扰,就像卫星电视接收节目(有用信息)需要专业的天线一样,接收到干扰(有害信息)同样需要天线,只不过后者的天线一般不是人为制造的,信号线、电源线、甚至是PCB板上的一个IC引脚,都可能成为接收有害电磁波的天线,相比之下,信号线由用户负责,未经专业处理,且线路形式、长度、阻抗、布线方式等等因数受现场使用条件限制,很难统一。因而,传输线路成了最有效的接收电磁干扰的天线。

  AnyWay的前端数字化产品,正是通过消除这一天线,截断电磁波的主要传播途径,有效抑制电磁干扰。