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

電磁兼容設備是影響通信設備穩(wěn)定運行的關鍵性因素，但傳統(tǒng)的電磁兼容設計方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代通信設備的實際需要，對此需要結合目前通信設備穩(wěn)定運行的實際需要，采取有效的電磁兼容設計方法，以減少電磁對通信設備運行的干擾，保證通信設備的穩(wěn)定運行。

1 通信設備電磁兼容設計概述

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)或設備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，而不會對電磁環(huán)境中的其他系統(tǒng)和設備造成干擾的能力。

按照其定義，電磁兼容包含了2 個方面，一方面，要求系統(tǒng)或設備在自身正常工作的過程中，對周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）不能超過一定的限值；另一方面，要求系統(tǒng)或設備對其所處環(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)或設備都能正常工作，并且彼此不受干擾，可以達到一種兼容狀態(tài)。

1.1.2 電磁干擾

電磁干擾是指任何在傳導或者在有電磁場伴隨著電壓、電流的作用下而產(chǎn)生會降低某個裝置、設備或系統(tǒng)的性能，還有可能對生物或者物質(zhì)產(chǎn)生不良影響的電磁現(xiàn)象。電磁干擾的種類有很多種，按照傳播方式的不同，可以被劃分成2種類型：一種是輻射干擾，另一種是傳導干擾。在這2 種類型中，輻射干擾可以被劃分成近場感應耦合干擾和遠場輻射耦合干擾，傳導干擾可以被劃分成電耦合傳導干擾、磁耦合傳導干擾以及電磁耦合傳導干擾。按照擾動源的種類，可將其劃分為自然擾動源和人為擾動源，其中自然擾動源主要是指來自大氣的電子噪聲源和外太空的宇宙噪聲源，而人為擾動原則是指由人為設備產(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。

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、導電抗干擾、瞬時脈沖群擾、浪涌、靜電釋放（Electro-Static Discharge，ESD）、工頻磁場、電壓跌落等。

1.1.4 電磁分析方法

隨著科學技術的發(fā)展，高性能計算機技術隨之發(fā)展起來，以電磁場理論和微波技術為基礎，以高性能計算機技術為工具和手段，運用數(shù)學的計算方法來解決電磁場問題已經(jīng)成為重要趨勢。

計算電磁學的研究包含了以下幾個主要的流程。

（1）運用電磁場理論和微波技術，對電磁問題展開了分析研究，抓住重要的影響因素，忽略次要因素。

（2）在此基礎上，構建與之對應的電磁場數(shù)學模型，這是電磁場計算過程中非常關鍵的一個步驟，其精度將直接關系到電磁場計算的效果。

（3）在已知的電磁波數(shù)學模型基礎上選擇一種算法，由計算機執(zhí)行相應的計算步驟，所以算法的選擇十分重要。首先，它會對計算的結果產(chǎn)生很大的影響，如果選擇不好，就無法得到想要的結果；其次，選擇會影響到計算效率，同一種模型的計算效率可能會有很大的差距；最后，計算機會根據(jù)算法進行計算，并得到最終的結果。

電磁場分析主要有以下3 種方法。

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

（2）數(shù)值法。在數(shù)值計算中，用差分代替微分，將積分改為有限求和，使問題轉(zhuǎn)化為差分或代數(shù)方程。該方法具有以下特點：一是應用面廣泛；二是用戶編程能力強；三是不需要有專業(yè)的電磁場理論知識，也不需要有一定的數(shù)學基礎。其不足之處在于：所需的資料較多；算法存在著計算量大的缺點；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種算法有機地融合在一起，既有其長處又有其不足之處。該方法是人工對一維的分析函數(shù)進行分析，然后用計算機對其進行低維的離散。它的最大優(yōu)點就是人和計算機之間的合理分工，結果十分顯著，而且操作者很容易理解，在一般的計算機上也能使用。

1.2 電磁兼容設計的方法

計算電磁學作為一種新的交叉學科，促進了EMC設計的變革，使 EMC設計從一個“黑盒”中的“藝術品”，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€“黑盒”中的“透明盒”。

電磁兼容的設計被納入到了設計之初。許多大公司都有自己的電磁兼容設計團隊，團隊中包括了設計和測試2 個部分，但是因為計算電磁學的加入，團隊中還增加了一個很關鍵的新成員——仿真小組，進一步細化了分工，并且彼此之間的配合也變得更加密切。

在設計開始時，仿真團隊會對產(chǎn)品的各個方面展開各種可能的模擬，并對不同的結果展開分析和對比。當產(chǎn)品的設計還只是一個概念時，仿真小組就已經(jīng)對整個產(chǎn)品所會遇到的問題進行了模擬，并且給出了有數(shù)據(jù)支撐的設計意見。因此，設計者就會以模擬的結果為依據(jù)，充滿自信地展開產(chǎn)品的實際設計。當產(chǎn)品設計出來進行測試時，就不會出現(xiàn)任何的問題，因為這些問題在產(chǎn)品還處于概念階段的時候都已經(jīng)被避免或解決了。

在未來，隨著科技的發(fā)展，電磁兼容設計會與更多的新材料、新工具、新方法、新技術、新流程等相融合，將會變得更簡單。

在產(chǎn)品設計之初，就必須要對電磁兼容設計進行思考，不是僅僅依靠書本上的理論知識，而要以最新的計算電磁學理論為依據(jù)，借助強大的計算機計算能力。在電磁兼容設計之初，通過電磁兼容仿真軟件，對產(chǎn)品的各個方面進行建模仿真，從而獲得準確的數(shù)據(jù)，為實際的電磁兼容設計提供支持。這樣，就可以對設計過程進行改進，在原有的基礎上將原本需要不斷重復的設計測試流程，改為在設計之前，使用數(shù)學建立軟件進行仿真，對實際的產(chǎn)品設計過程進行模擬，這樣不僅可以節(jié)約設計成本，還可以縮短研發(fā)周期。因此，該項目的研究對于解決工程中的實際問題具有重要的借鑒意義，能夠在設計初期對電磁兼容相關的部件進行模擬，得到最優(yōu)化的設計方案，為工程實踐中的應用提供可靠的數(shù)據(jù)支持，降低了反復設計和試驗的風險。這就從設計流程上對現(xiàn)有的設計測試流程進行了全面的優(yōu)化，從而縮短了產(chǎn)品的設計周期，降低了開發(fā)成本[1]。

2 通信設備電磁兼容設計的原則

采用行之有效的措施來解決電磁兼容性問題，不但提高了通信設備的產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命，還可以有效降低產(chǎn)品開發(fā)的成本和研發(fā)時間。在這一階段，通信裝置的 EMC 設計應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）要對通信裝置中可能存在的各種干擾因素進行詳細分析，采用各種方法對這些干擾因素進行有效的抑制。當干擾源使用太空輻射來干擾通信裝置時，可以通過屏蔽來解決；當干擾信號是沿著電纜向通信裝置方向傳播時，可以通過過濾來進行處理。

3 通信設備電磁兼容設計的現(xiàn)狀

在 EMC 的設計中普遍采用“問題求解”的方式，即首先進行設計，然后進行漏洞修補。“先設計”指的是在設計時，所有的零件都是按照自己的理論和經(jīng)驗來進行的，而在此之前，沒有任何的數(shù)據(jù)可以證明這個零件是最好的，也不知道這個零件是否可以被驗證。所謂“再補漏”，就是一種新的產(chǎn)品，在實驗室里做了一次試驗，試驗的時候有2 種情況，一種是合格，一種是不合格，如果不合格，那么就必須要進行一次補漏，如在主板和外殼之間的空隙處添加一種導體。針對是否要在散熱器的下方添加一些吸收電磁波材料的問題，本文提出了“設計—修改—重新設計”的新思路。在電磁兼容“問題解決法”設計流程圖中，出現(xiàn)了多次重復的現(xiàn)象，這對于一個產(chǎn)品來說，由于研發(fā)周期的拖延，將會錯過最好的推出時機，從而喪失市場，甚至會推遲重大項目整體招標。

研發(fā)產(chǎn)品的電磁兼容設計早晚和設計周期都與產(chǎn)品開發(fā)成本有著緊密的聯(lián)系，從電磁兼容設計周期和研發(fā)成本的關系圖中可以看到，在產(chǎn)品設計時，電磁兼容設計越早介入，就越能控制產(chǎn)品開發(fā)成本。

“問題解決法”之所以可以被應用到現(xiàn)在，既有它的主觀因素，也有它的客觀因素。在主觀因素中，電磁兼容設計屬于一門相對偏僻的學科，它與產(chǎn)品的功能設計沒有任何關系。所以，在進行設計時，人們并不會對電磁兼容設計進行太多的思考，只有當產(chǎn)品的功能和性能都達到了相應的要求之后，才會進行與電磁兼容有關的測試設計。客觀地講，歐美等先進國家早在70 年代就開始制定和實施 EMC 的相關法律，而中國則是2000 年以后才開始制定和實施 EMC 的相關法律，這使得許多企業(yè)對 EMC 的研究還不夠深入。

4 通信設備電磁兼容設計分析

4.1 接地設計

在通信設備進行接地設計時，將地線作為信號流回源的低阻抗路徑，若有限阻抗中有電流流過，則會造成設備的電壓降低，從而真實反映了地線上的電位情況，方便設備對電磁兼容性進行分析[3]。通過對接地進行設計，可以實現(xiàn)以下目標。

（1）通過接地的方式，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，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，導致電壓過高，引起重大的安全事故，從而對裝置的正常運轉(zhuǎn)造成不利影響。另外，在對線路進行接地時，也能有效提高線路的屏蔽效果。

（3）接地的設計能夠有效防止因閃電引起的電磁效應對通信裝置造成損害，減少工作人員在使用通信裝置時被電擊的危險。

4.2 屏蔽設計

作為一種常用的通信設備電磁兼容性設計，在屏蔽設計的幫助下，大多數(shù)的電磁兼容問題都可以得到解決[4]。在 EMC 設計時，不需要改變裝置的線路，不會對裝置的線路造成任何影響。在進行屏蔽的設計時，需要考慮的問題如下文所述。

（1）屏蔽材料。進行 EMC 設計時，在選用屏蔽材料時，除了要選用導電性能好的材料外，還要對其磁性成分如高導磁率、高導電等特性進行分析。一般而言，對于電磁屏蔽，應選擇具有良好導電性的屏蔽材料，并盡可能將其布置在靠近輻射源的位置；在對磁場波進行屏蔽時，在與磁場源的距離上可以選擇具有高導磁性能的材料[5]。

（2）涂層技術。目前，由于泡沫材料成型容易，價格便宜，便于安裝，不易腐蝕，因此在通信設備EMC 屏蔽方面得到了越來越多的應用。通常使用的是在發(fā)泡體的基礎上放置一層由銀粉、鎳粉等物質(zhì)構成的導電性涂料。

另外，在進行 EMC 屏蔽的設計時，還需要關注2 個關鍵問題，一是要保證屏蔽體是一個完全連續(xù)的導電體，二是要在屏蔽設計中避免出現(xiàn)穿過機殼的導體[6]。

4.3 濾波設計

光靠電磁發(fā)生器的屏蔽無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)的線纜在對單個裝置進行 EMC 試驗時，表現(xiàn)出了很好的性能；當2 個以上的設備在進行通信時，會因為電纜引起的電磁干擾而影響到設備的正常工作。所以，在對通信設備的電磁兼容性進行設計時，采用過濾設計，能夠有效地阻斷電磁干擾的傳播途徑，并與屏蔽的設計措施相結合，有效提高通信設備的電磁兼容性設計。

5 結 論

電磁兼容設計對通信設備的運行有重要影響，只有做好電磁兼容設計，選擇合理的電磁兼容設計方法，才能提高通信設備運行的穩(wěn)定性，以更好地促進通信設備的發(fā)展。