通信设备电磁兼容设计研究

2023-08-20周玉猛曹亚辉

通信电源技术 2023年9期

关键词：电磁场屏蔽电磁

周玉猛，曹亚辉，马魁

（中兵通信科技股份有限公司，湖北武汉 430200）

0 引言

电磁兼容设备是影响通信设备稳定运行的关键性因素，但传统的电磁兼容设计方法已经无法满足现代通信设备的实际需要，对此需要结合目前通信设备稳定运行的实际需要，采取有效的电磁兼容设计方法，以减少电磁对通信设备运行的干扰，保证通信设备的稳定运行。

1 通信设备电磁兼容设计概述

1.1 电磁兼容的原理分析

1.1.1 电磁兼容

电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）的定义是系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，而不会对电磁环境中的其他系统和设备造成干扰的能力。

按照其定义，电磁兼容包含了2 个方面，一方面，要求系统或设备在自身正常工作的过程中，对周围环境产生的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）不能超过一定的限值；另一方面，要求系统或设备对其所处环境中存在的电磁干扰要有一定的电磁抗扰度（Electro Magnetic SuscepTIbility，EMS）能力，也就是要求在相同电磁环境中的系统或设备都能正常工作，并且彼此不受干扰，可以达到一种兼容状态。

1.1.2 电磁干扰

电磁干扰是指任何在传导或者在有电磁场伴随着电压、电流的作用下而产生会降低某个装置、设备或系统的性能，还有可能对生物或者物质产生不良影响的电磁现象。电磁干扰的种类有很多种，按照传播方式的不同，可以被划分成2种类型：一种是辐射干扰，另一种是传导干扰。在这2 种类型中，辐射干扰可以被划分成近场感应耦合干扰和远场辐射耦合干扰，传导干扰可以被划分成电耦合传导干扰、磁耦合传导干扰以及电磁耦合传导干扰。按照扰动源的种类，可将其划分为自然扰动源和人为扰动源，其中自然扰动源主要是指来自大气的电子噪声源和外太空的宇宙噪声源，而人为扰动原则是指由人为设备产生的干扰。此外，若按波段划分，可将其划分为“宽频”与“窄带”2 类。

1.1.3 电磁抗扰

电磁抗扰的定义是在存在电磁干扰的情况下，系统或设备能正常工作并保持性能不下降的能力。按照定义， EMI 包括辐射抗干扰、导电抗干扰、瞬时脉冲群扰、浪涌、静电释放（Electro-Static Discharge，ESD）、工频磁场、电压跌落等。

1.1.4 电磁分析方法

随着科学技术的发展，高性能计算机技术随之发展起来，以电磁场理论和微波技术为基础，以高性能计算机技术为工具和手段，运用数学的计算方法来解决电磁场问题已经成为重要趋势。

计算电磁学的研究包含了以下几个主要的流程。

（1）运用电磁场理论和微波技术，对电磁问题展开了分析研究，抓住重要的影响因素，忽略次要因素。

（2）在此基础上，构建与之对应的电磁场数学模型，这是电磁场计算过程中非常关键的一个步骤，其精度将直接关系到电磁场计算的效果。

（3）在已知的电磁波数学模型基础上选择一种算法，由计算机执行相应的计算步骤，所以算法的选择十分重要。首先，它会对计算的结果产生很大的影响，如果选择不好，就无法得到想要的结果；其次，选择会影响到计算效率，同一种模型的计算效率可能会有很大的差距；最后，计算机会根据算法进行计算，并得到最终的结果。

电磁场分析主要有以下3 种方法。

（1）解析法。主要有2 类：一是 PDE，以解析分离变量为主；二是用数学转化的方法，构造并求出了积分方程组。分析方法的不足之处在于：其应用范围较窄；不适合于新的结构特征；用户可编程度不够高。

（2）数值法。在数值计算中，用差分代替微分，将积分改为有限求和，使问题转化为差分或代数方程。该方法具有以下特点：一是应用面广泛；二是用户编程能力强；三是不需要有专业的电磁场理论知识，也不需要有一定的数学基础。其不足之处在于：所需的资料较多；算法存在着计算量大的缺点；算法需要用到很好的电脑辅助。

（3）基于半分析的方法。半分析算法则是将2种算法有机地融合在一起，既有其长处又有其不足之处。该方法是人工对一维的分析函数进行分析，然后用计算机对其进行低维的离散。它的最大优点就是人和计算机之间的合理分工，结果十分显著，而且操作者很容易理解，在一般的计算机上也能使用。

1.2 电磁兼容设计的方法

计算电磁学作为一种新的交叉学科，促进了EMC设计的变革，使 EMC设计从一个“黑盒”中的“艺术品”，转变为一个“黑盒”中的“透明盒”。

电磁兼容的设计被纳入到了设计之初。许多大公司都有自己的电磁兼容设计团队，团队中包括了设计和测试2 个部分，但是因为计算电磁学的加入，团队中还增加了一个很关键的新成员——仿真小组，进一步细化了分工，并且彼此之间的配合也变得更加密切。

在设计开始时，仿真团队会对产品的各个方面展开各种可能的模拟，并对不同的结果展开分析和对比。当产品的设计还只是一个概念时，仿真小组就已经对整个产品所会遇到的问题进行了模拟，并且给出了有数据支撑的设计意见。因此，设计者就会以模拟的结果为依据，充满自信地展开产品的实际设计。当产品设计出来进行测试时，就不会出现任何的问题，因为这些问题在产品还处于概念阶段的时候都已经被避免或解决了。

在未来，随着科技的发展，电磁兼容设计会与更多的新材料、新工具、新方法、新技术、新流程等相融合，将会变得更简单。

在产品设计之初，就必须要对电磁兼容设计进行思考，不是仅仅依靠书本上的理论知识，而要以最新的计算电磁学理论为依据，借助强大的计算机计算能力。在电磁兼容设计之初，通过电磁兼容仿真软件，对产品的各个方面进行建模仿真，从而获得准确的数据，为实际的电磁兼容设计提供支持。这样，就可以对设计过程进行改进，在原有的基础上将原本需要不断重复的设计测试流程，改为在设计之前，使用数学建立软件进行仿真，对实际的产品设计过程进行模拟，这样不仅可以节约设计成本，还可以缩短研发周期。因此，该项目的研究对于解决工程中的实际问题具有重要的借鉴意义，能够在设计初期对电磁兼容相关的部件进行模拟，得到最优化的设计方案，为工程实践中的应用提供可靠的数据支持，降低了反复设计和试验的风险。这就从设计流程上对现有的设计测试流程进行了全面的优化，从而缩短了产品的设计周期，降低了开发成本[1]。

2 通信设备电磁兼容设计的原则

采用行之有效的措施来解决电磁兼容性问题，不但提高了通信设备的产品质量和使用寿命，还可以有效降低产品开发的成本和研发时间。在这一阶段，通信装置的 EMC 设计应该遵守以下的基本原理[2]。

（1）要注意通信装置的接地，特别是信号接地、电源接地和 EMC 接地，采用合理的接地方式，既能保证通信装置的正常工作，又能防止通信装置的电磁干扰。

（2）要对通信装置中可能存在的各种干扰因素进行详细分析，采用各种方法对这些干扰因素进行有效的抑制。当干扰源使用太空辐射来干扰通信装置时，可以通过屏蔽来解决；当干扰信号是沿着电缆向通信装置方向传播时，可以通过过滤来进行处理。

3 通信设备电磁兼容设计的现状

在 EMC 的设计中普遍采用“问题求解”的方式，即首先进行设计，然后进行漏洞修补。“先设计”指的是在设计时，所有的零件都是按照自己的理论和经验来进行的，而在此之前，没有任何的数据可以证明这个零件是最好的，也不知道这个零件是否可以被验证。所谓“再补漏”，就是一种新的产品，在实验室里做了一次试验，试验的时候有2 种情况，一种是合格，一种是不合格，如果不合格，那么就必须要进行一次补漏，如在主板和外壳之间的空隙处添加一种导体。针对是否要在散热器的下方添加一些吸收电磁波材料的问题，本文提出了“设计—修改—重新设计”的新思路。在电磁兼容“问题解决法”设计流程图中，出现了多次重复的现象，这对于一个产品来说，由于研发周期的拖延，将会错过最好的推出时机，从而丧失市场，甚至会推迟重大项目整体招标。

研发产品的电磁兼容设计早晚和设计周期都与产品开发成本有着紧密的联系，从电磁兼容设计周期和研发成本的关系图中可以看到，在产品设计时，电磁兼容设计越早介入，就越能控制产品开发成本。

“问题解决法”之所以可以被应用到现在，既有它的主观因素，也有它的客观因素。在主观因素中，电磁兼容设计属于一门相对偏僻的学科，它与产品的功能设计没有任何关系。所以，在进行设计时，人们并不会对电磁兼容设计进行太多的思考，只有当产品的功能和性能都达到了相应的要求之后，才会进行与电磁兼容有关的测试设计。客观地讲，欧美等先进国家早在70 年代就开始制定和实施 EMC 的相关法律，而中国则是2000 年以后才开始制定和实施 EMC 的相关法律，这使得许多企业对 EMC 的研究还不够深入。

4 通信设备电磁兼容设计分析

4.1 接地设计

在通信设备进行接地设计时，将地线作为信号流回源的低阻抗路径，若有限阻抗中有电流流过，则会造成设备的电压降低，从而真实反映了地线上的电位情况，方便设备对电磁兼容性进行分析[3]。通过对接地进行设计，可以实现以下目标。

（1）通过接地的方式，保证了通信装置中各部分的线路均能以相同的公用零电压为基准，从而保证了通信装置整体的稳定。

（2）将通信装置的外部外壳与地面连接，防止了静电在外壳上积聚，导致电压过高，引起重大的安全事故，从而对装置的正常运转造成不利影响。另外，在对线路进行接地时，也能有效提高线路的屏蔽效果。

（3）接地的设计能够有效防止因闪电引起的电磁效应对通信装置造成损害，减少工作人员在使用通信装置时被电击的危险。

4.2 屏蔽设计

作为一种常用的通信设备电磁兼容性设计，在屏蔽设计的帮助下，大多数的电磁兼容问题都可以得到解决[4]。在 EMC 设计时，不需要改变装置的线路，不会对装置的线路造成任何影响。在进行屏蔽的设计时，需要考虑的问题如下文所述。

（1）屏蔽材料。进行 EMC 设计时，在选用屏蔽材料时，除了要选用导电性能好的材料外，还要对其磁性成分如高导磁率、高导电等特性进行分析。一般而言，对于电磁屏蔽，应选择具有良好导电性的屏蔽材料，并尽可能将其布置在靠近辐射源的位置；在对磁场波进行屏蔽时，在与磁场源的距离上可以选择具有高导磁性能的材料[5]。

（2）涂层技术。目前，由于泡沫材料成型容易，价格便宜，便于安装，不易腐蚀，因此在通信设备EMC 屏蔽方面得到了越来越多的应用。通常使用的是在发泡体的基础上放置一层由银粉、镍粉等物质构成的导电性涂料。

另外，在进行 EMC 屏蔽的设计时，还需要关注2 个关键问题，一是要保证屏蔽体是一个完全连续的导电体，二是要在屏蔽设计中避免出现穿过机壳的导体[6]。

4.3 滤波设计

光靠电磁发生器的屏蔽无法彻底消除通信装置的电磁干扰，保证通信装置的稳定工作。如一些装置或系统的线缆在对单个装置进行 EMC 试验时，表现出了很好的性能；当2 个以上的设备在进行通信时，会因为电缆引起的电磁干扰而影响到设备的正常工作。所以，在对通信设备的电磁兼容性进行设计时，采用过滤设计，能够有效地阻断电磁干扰的传播途径，并与屏蔽的设计措施相结合，有效提高通信设备的电磁兼容性设计。