国际电气工程先进技术译丛 设备设计与系统集成的电磁兼容.pdf

国际电气工程先进技术译丛设备设计与系统集成的电磁兼容德 Karl-Heinz Gonschorek Ralf Vick 著 杨自佑 崔 强 译机 械 工 业 出 版 社 本书详细讲述了设备级和系统级的电磁兼容设计理论，作者通过应用对策、不同的途径和方法、图表曲线、经验法则、背景理论以及计算机工具，来帮助读者解决电磁不兼容的问题。全书共分 11 章，内容包括：编著缘由与内容概述，对电压、电流、场和阻抗的思考，电场，磁场，电磁场，干扰模型，系统内的措施，大气噪声、电磁环境和限值，EMC 工程和分析，场计算的数值计算方法以及抗扰度试验的模型。为了便于读者加深对实际问题解决方法的理解，每章都附有习题和实际案例。本书可供电子电气产品的设计人员、电磁兼容工程师和系统集成的设计人员使用，也可作为高等学校工科电子信息和通信类专业研究生的教材。译者序随着电子科学技术的发展，几乎所有的电子电气产品都含有集成电路（IntegrateCircuit，IC）和印制电路板（Printed Circuit Board，PCB），这就会涉及电磁兼容性（Electro-Magnetic Compatibility，EMC）的问题。世界上的不同国家也都制定了各自的电磁兼容法规和标准（军用和民用），对在其地域范围内销售的产品都要强制符合这些法规和标准。因此，EMC 是必须要求的产品指标之一。Karl-Heinz Gonschorek 教授和 Ralf Vick 教授编著的本书英文版 ElectromagneticCompatibility for Device Design and System Integration，详细讲述了设备级和系统级的电磁兼容设计理论，作者通过应用对策、不同的途径和方法、图表曲线、经验法则、背景理论以及计算机工具，以帮助读者解决电磁不兼容的问题。全书共分 11 章，内容包括：编著缘由与内容概述，对电压、电流、场和阻抗的思考，电场，磁场，电磁场，干扰模型，系统内的措施，大气噪声、电磁环境和限值，EMC 工程和分析，场计算的数值技术以及抗扰度试验的模型。为了便于读者加深对实际问题解决方法的理解，每章都附有习题和实际案例。本书可作为电子电气产品的设计人员、电磁兼容工程师和系统集成的设计人员使用，也可作用高等学校工科电子信息和通信类专业研究生的教材。杨自佑、崔强参加了本书的翻译工作，并由崔强博士完成了全书的统稿和审校工作。在本书翻译的过程中，得到了北京邮电大学吕英华教授的指导和机械工业出版社王欢编辑的支持。译者在此表示诚挚的感谢。此外，译者还要特别感谢机械工业出版社对我们的厚爱和信任，把此书交予我们翻译。由于译者水平有限，翻译时间紧，书中的不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。译 者2014 年 8 月目录译者序第 1 章 编著缘由与内容概述11.1 如何获得本书的软件程序41.2 如何获得本书中的插图4第 2 章 对电压、电流、场和阻抗的思考5第 3 章 电场123.1 电场的效应及其计算13第 4 章 磁场184.1 磁场的效应184.2 单芯和多芯电缆磁场强度的计算194.3 Geofol 变压器的磁场214.4 细导线的任意布置产生的泄漏场21 4.4.1 四导体布置的磁场22 4.4.2 绞合电缆的磁场22 4.4.3 使用程序 STRAYF 进行磁场计算的实例24 4.4.4 绞合电缆的磁场特性26第 5 章 电磁场285.1 电磁波的特性285.2 电磁场的效应315.3 基本偶极子34 5.3.1 距离的转换38 5.3.2 场阻抗415.4 天线的有效高度、有效面积和辐射电阻435.5 口面天线电场强度的估算47 5.5.1 远场区的功率密度和电场强度48 5.5.2 近场区的功率密度和电场强度49 5.5.3 程序 APERTUR 简述50 5.5.4 程序 SAFEDIST 简述50第 6 章 干扰模型536.1 电流耦合57 6.1.1 解决电流耦合干扰的措施596.2 容性耦合60 6.2.1 减小容性耦合的措施626.3 感性耦合63 6.3.1 磁去耦64 6.3.2 多芯电缆有效互感的定义65 6.3.3 减小感性耦合的措施676.4 电磁耦合69 6.4.1 减小电磁耦合的措施70 6.4.2/2 耦合模型70 6.4.3 关于评估电磁耦合的一些说明72第 7 章 系统内的措施787.1 有关接地、屏蔽、布线和滤波的一些说明79 7.1.1 接地79 7.1.2 屏蔽80 7.1.3 布线80 7.1.4 滤波837.2 电场屏蔽 屏蔽网897.3 磁场屏蔽91 7.3.1 静磁场和甚低频磁场的屏蔽91 7.3.2 中频磁场的屏蔽96 7.3.3 两平行板屏蔽交变磁场96 7.3.4 空心球体屏蔽磁场97 7.3.5 空心圆柱体屏蔽横向磁场97 7.3.6 空心圆柱体屏蔽纵向磁场977.4 谢昆诺夫屏蔽理论简介99 7.4.1 程序 SHIELD 的源代码1027.5 泄漏、开孔、腔体谐振102 7.5.1 泄露、信号穿透103 7.5.2 低频谐振和腔体谐振1087.6 电缆耦合和电缆的转移阻抗111 7.6.1 电缆耦合111 7.6.2 非绞合/绞合的两导体电缆的耦合112 7.6.3 屏蔽电缆的耦合114 7.6.4 电缆屏蔽层与设备输入端的连接130目 录第 8 章 大气噪声、电磁环境和限值1358.1 大气噪声源和电磁环境1358.2 限值的转换143 8.2.1 距离的转换143 8.2.2 电场与磁场的相互转换145第 9 章 EMC 工程和分析1489.1 复杂系统的设计阶段149 9.1.1 概念阶段149 9.1.2 技术设计阶段150 9.1.3 构建和制造阶段1519.2 EMC 试验计划1529.3 进行分析158第 10 章 场计算的数值计算方法16210.1 选择合适的数值计算方法16410.2 合理性检查16710.3 实例分析173 10.3.1 轿车中谐振的研究173 10.3.2 电介质材料对印制电路板辐射的影响173 10.3.3 移动电话的辐射174 10.3.4 护卫舰的电磁场17610.4 数值方法的使用指南17710.5 应用：天线耦合180 10.5.1 N 端口理论综述180 10.5.2 双端口的参数180 10.5.3 天线耦合的计算181 10.5.4 程序 MATCH 的源代码184第 11 章 抗扰度试验的模型18611.1 标准化的抗扰度试验方法18611.2 建模抗扰度的统计方法188 11.2.1 故障概率18911.3 故障频率函数191 11.3.1 抗扰度试验结果的解释19211.4 时变抗扰度193 11.4.1 建模193 11.4.2 单片机设备的抗扰度197设备设计与系统集成的电磁兼容附录200附录 A1 圆柱导体布置的电场200 A1.1 电位系数和部分电容200 A1.2 接地平面上的水平导体201 A1.2.1 程序 HCOND 的源代码206 A1.3 接地平面上的垂直导体206 A1.3.1 程序 VROD 的源代码209附录 A2 漏磁场209 A2.1 低漏磁场的电缆安装209 A2.1.1 单芯电缆（本书 4.2 节图 4.2 中的情形 a）209 A2.1.2 具有一个正向导体和一个返回导体的电缆（本书 4.2 节图 4.2中的情形 b）210 A2.1.3 具有两个正向导体和两个返回导体的电缆（本书 4.2 节图 4.2中的情形 c1）210 A2.1.4 公共接地平面上正向导体和返回导体的布置（本书 4.2 节图 4.2中的情形 c2）211 A2.1.5 四个正向导体和四个反向导体的布置（本书 4.2 节图 4.2 中的情形 d）212 A2.2 估计漏磁场的计算机程序212 A2.2.1 有限长导线的场212 A2.2.2 单层线圈的场214 A2.2.3 考虑相位关系217 A2.2.4 程序 STRAYF 的源代码218附录 A3 自感和互感218 A3.1 y 轴上的有限长导体和 xy 平面上的梯形区域之间的互感219 A3.2 线段在 xy 平面所围区域的分解220 A3.3 空间中任意导体环路的处理221 A3.4 具有横向距离的两个圆环之间的互感222 A3.5 程序 MUTUAL 的源代码223附录 A4 基本偶极子223 A4.1 赫兹偶极子223 A4.1.1 估算一般情况的场强分量224 A4.1.2 时谐激励的解225 A4.2 电流环（环天线）227 A4.3 波阻抗的比较232附录 A5 极化椭圆232 A5.1 二维情况（Ez=0）233 A5.2 三维情况-时域解235 A5.2.1 极化椭圆平面的一些考虑236 A5.3 三维情况-频域解240附录 A6 集肤效应和谢昆诺夫理论241目 录 A6.1 半无限大导电空间中的集肤效应242 A6.1.1 圆柱导体内的强集肤效应243 A6.1.2 圆柱导体内的弱集肤效应243 A6.2 谢昆诺夫屏蔽理论244 A6.2.1 概述244 A6.2.2 必要的公式244 A6.2.3 屏蔽机理245 A6.2.4 屏蔽效能246 A6.2.5 谢昆诺夫理论的简单应用246 A6.2.6 图示确定屏蔽效能的程序247 A6.2.7 误差估算250 A6.2.8 总结251附录 A7 系统 EMC 设计指导的示例251 A7.1 接地252 A7.2 系统滤波253 A7.3 屏蔽253 A7.4 布线253附录 A8 印制电路板的布线和设备结构设计的 EMC 规则256附录 A9 便于应用的计算电缆转移阻抗的程序261 A9.1 使用示波器计算电压比264 A9.2 使用网络分析仪计算电压比265附录 A10 导体/结构的电容和电感269附录 A11 电磁不兼容现象的报告275附录 A12 习题答案278附录 A13 物理常量和转换关系287 A13.1 物理单位和常量287 A13.2 压力单位的转换288 A13.3 能量单位的转换289 A13.4 电量和磁量的相互转换289 A13.5 转换为对数量290 A13.6 缩略语290附录 A14 参考文献292名词术语295设备设计与系统集成的电磁兼容第 1 章编著缘由与内容概述原书作者在电磁兼容（EMC）领域已工作了 30 多年，其间发表了大量有关干扰、解决干扰的对策以及电磁场数值计算等方面的论文。此后，逐渐形成一个愿望：就是想将原书作者的全部 EMC 工作经验、有效的分析方法和有关干扰问题方面的解决措施等信息资料编成一部较全面的专著。于是就在 2003 2004 年进行了这项编著工作，并于2005 年出版发行了本书的德文版。后来，原书作者与同事和出版商进行的一些讨论，启发了出版本书英文版的愿望。此外，如所期待的，这些讨论也建议原书作者对本书某些章节的内容作出修改。主要修改了两个方面：一是扩充程序列表；二是有关滤波器的章节。有关程序列表，原书作者最初的愿望是全部包含在本书中。现在虽已经删去，但它们仍可以在原书作者的网页上获得，并且该网页所囊括的程序中有更多的应用实例。然而本书仅保留了部分非常少的程序列表。关于滤波章节，大家一致认为对巴特沃兹（Butterworth）滤波器的理论讲述应简明，并应更多地讲述必要的 EMC 特性。因此，有关 EMC 特性的内容就扩展了，更多地从 EMC 的角度来说明元件特性，并从符合 EMC 安装方面提出建议。鉴于上述的说明，所以本书的英文版不是德文原版 EMV fur Gerateentwickler undSystemmintegratoren 的单纯翻译，而是希望进一步的扩充和完善。不过还是有 90%以上的内容来自德文原版。哪一位青年科学家没有发表过论文，或是在学术讨论会上介绍自己研究成果的经历呢？这些始终都是他们为之自豪的。此后，他们在寻觅对文章的赞许或批评的过程中，是否明白读者回馈只是例外而不是惯例呢？然而尽管如此，作