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技术专栏 电磁兼容与电磁防护相关研究进展

  刘鑫(1983-),男,湖北武汉人,供职于工业和信息化部电子第五研究所,中级职称,研究方向:电磁兼容。

  从本质而言,电磁兼容和电磁防护是一个整体结构。根据对两者的深入研究发现,多方面内容均存在着重合现象,如电磁环境等,对电磁领域获得良好发展前景有着极大帮助。文章主要对电磁兼容和电磁防护展开详细研究,并将研究结论应用贯彻到具体实践中,有利于提高我国科学技术水平和综合实力。

  通常来说,工作人员在开展研究前需先明确电磁干扰源的表现形式,只有满足这一要求才能确保最终获得准确结果,并真实反映当前实际情况。电磁干扰源主要包括能量、信号形式及干扰信号时域等内容。在进行电磁干扰源试验测试时,需充分发挥电波暗室和开阔场的作用,将多个辐射电磁干扰叠加在一起,即为辐射总干扰。但若将这种试验方法应用到大型复杂系统结构中将非常不利,多个子系统辐射电磁干扰会发生混乱,无法确保子系统辐射产生电磁干扰频谱的准确性。对于上述情况,可采取自适应对消原理的辐射电磁干扰测试方法,通过对周围环境电磁干扰的自适应过滤达到对某一子系统辐射电磁干扰测试效果,还要掌握电磁干扰特征和辐射干扰使用原理,广泛应用精准度较强的扫描技术手段。

  现阶段,仿真建模可以说是电磁兼容分析的基础途径,相关人员针对电磁干扰源设备级、系统级等分别展开了相关研究。据调查,电路板的等效建模已逐渐成为当前电磁兼容测试的有效手段之一,不仅包括人为电磁干扰源,雷电等自然环境形式的电磁干扰源也受到一定重视。如在进行ESD仿真建模时,一般研究人员最先关注的便是ESD电流的数学特征,并采用函数等数学描述方法,确保所用电流波形充分满足标准规范。

  随着科学技术水平的提高,科学研究人员开始借助计算机系统进行ESD仿真建模研究,如三维全波仿真软件可实现对电路模型的综合分析评价。现今电子设备或系统主要构成单元包括电路功能模块、电子器件及PCB板等,相应的所需开展的电磁干扰仿真建模研究内容也较多。随着建模应用技术手段的愈发成熟,电子系统集成度和复杂化程度也在不断提高,面临的电磁干扰问题相继暴露,相关研究人员需切实提高自身对该方面内容的重视程度。除此之外,要想实现电磁干扰研究的最佳状态,需将该工作建立在信号处理分析和电磁干扰测试内容研究基础上,当前应用频率最高的便是自适应对消技术和阵列测试技术。随着电磁兼容问题的不断暴露,电磁兼容试验需求也呈现出持续上升局面,对电磁干扰源精准度和智能化提出了更高标准,成为日后发展的必然趋势。

  一般在开展该方面内容研究时,要求研究人员能对电磁能量耦合有充分的了解认识。

  电磁能量耦合途径可分为传导耦合和辐射耦合,这两种电磁耦合途径的研究分析可以说是干扰研究工作开展的前提。其中,传导耦合作为电磁能量耦合中的重要组成之一,在对其进行模型构建时必须要准确掌握电磁能量耦合相关参数,借此构建较为合理的等效电路模型结构。因电磁干扰主要分为人为因素和自然因素,所以电磁能量耦合建模也需借助隔离或屏蔽手段完成,不但能最大限度地降低人为或自然因素出现的概率,还能为电磁兼容研究的准确性和科学性提供良好参考价值。基于电磁防护角度,不断创新研发新材料、新技术对电磁干扰源和敏感对象的能量耦合能够起到一定的控制作用,在此基础上还能大大提高复杂环境下的敏感对象安全性。

  然而结合当前实际情况来看,多数电磁防护新材料、新技术都尚处于开发研究阶段,与实际完成应用仍相隔较远距离,需研究人员进一步强化自身研究进程,做好电磁防护器件性能评估工作,进一步提高电磁脉冲下的电磁防护性能水平。

  构建相对完善的仿真模型是电磁敏感对象研究的首要前提。基于电磁技术水平的不断提高,社会对于电磁敏感对象模型的构建性能也提出了更严格的标准。当前我国在该方面的研究已取得突出成就,构建了晶体管分布参数模型结构。

  与传统模型相比,晶体管分布参数模型构建标志着模型精准度和使用频率均获得了较大进步,并且在进行电磁敏感测试时也能真实反映不同实验操作过程的区别。也就是说,在进行电磁敏感度实验测试时需结合实际情况做出相应调整,综合考虑所有可能发生因素,如电磁敏感度、半导体器件敏感、静电敏感及抗干扰性等。其中,电磁敏感度最为重要,需相关研究人员高度重视。

  因电磁干扰源仿真模型较多,且试验预测技术相对成熟,所以电子系统结构的集成化水平和智能化也愈发提高。基于电子系统角度,研究人员若想准确得到其电磁干扰发射水平,必须参考借鉴当前的电磁兼容标准,并在最初设计环节对电磁发射水平展开系统建模测试。因不同子系统来源较不相同,所以无论是数据还是模型均需由相应供应商提供。由此可以了解到,如何获得完整电磁干扰发射模型是构建系统级电磁干扰发射模型首先需要考虑的问题。除此之外,研究人员还要做好电磁兼容问题检查改进工作。尤其是对一些大型复杂电磁系统来说,一旦电磁干扰源出现在多处环境中,必须立即对电磁干扰信号进行隔离、定位操作,确保信号处理分析和电磁干扰测试落实到位,推动电磁领域朝更好的方向前进。

  因电磁环境愈加复杂,相应的电磁干扰覆盖频率和覆盖范围也在不断扩大,在此情况下构建一个相对安全准确的电磁敏感模型是电磁兼容分析迫在眉睫的任务。尽管目前部分建模方法已在较广泛频率得到广泛使用,但仅仅是通过模型复杂程度增加来实现,无疑会大大增加系统级仿真模型构建难度,需研究人员切实提高对电磁敏感度的重视程度。从敏感对象来看,不仅包含严重电磁干扰兼容问题,还面临其他威胁隐患,如静电放电等不仅会造成集成电路和电子器件使用性能的失效,还容易引发易燃易爆危险品的安全事故。为解决上述隐患问题,研究人员需有效利用多物理场联合分析和建模技术手段,针对电磁环境展开综合考虑 分析。

  当前,研究人员对孔缝耦合和场线耦合等较为简单形式的研究投入较大,并且处理技术和建模分析逐渐趋于成熟。但对于一些大型复杂类系统来说,因其空间极其有限所以集成电子设备也愈发增多,致使电磁能量耦合途径呈现出复杂趋势。在此情况下,需研究人员能够提出系统级电磁能量耦合下的建模分析,确保电磁兼容问题得到顺利解决,在此基础上采取相应防护加固措施,进一步增强电磁兼容的有效性和针对性优势。

  总之,在新时期发展背景下,无论是电磁兼容还是电磁防护研究工作均取得了突破性进展,但相应地也对电磁环境及新技术、新设备提出了更高标准。这就需要研究人员加大电磁环境研究投入力度,进一步提高系统级兼容水平和电磁防护能力,不断创新开发各种复杂型电磁仿真软件,促使电磁领域朝更好的方向前进。

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  四川省安全生产监督管理局安全技术中心(四川省电子学会电磁脉冲与雷电防护技术专业委员会主任委员单位)

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