如何預測和抑制電磁干擾

電子設備通常具有一定的電磁干擾 （EMI） 抗擾度。但是，有意或無意的電磁力也可能導致信息失真，尤其是在計算設備 （CE） 附近。為了降低 EMI 并確保抗噪性，必須在 CE 開發的早期階段采取行動。

很多時候，在靠近具有大幾何尺寸的 CE 對象的電磁環境中，可能存在電源線、飛機機身、車身、建筑物中的金屬結構、雷電放電等。為了預測 CE 元件的抗噪性，可以使用 EMI 的物理仿真。

在 CE 的抗擾度和信息保護框架內，一項很少被研究的任務是通過建筑物金屬結構元件的有意電磁效應。同樣可能受到有意電磁效應影響的還有電力線、接觸網絡、飛機機身等。

EMI 的物理仿真

在實際物理規模上創建 EMI 模擬器將存在困難。由于研究對象配置的模糊性，也很難獲得可重復的結果。

我們可以通過使用基于物理仿真的技術來解決這個問題。這些是步驟：

1. 設計師將能夠確定研究對象的所有重要初始數據。這些參數會影響電磁環境的形成以及 EMI。以尺寸為 10.8 × 10.8 × 14.4 m 的建筑結構為例。墻壁有一個鋼筋混凝土的鋼筋網（圖 1）。

圖1. 所示為建筑物的比例模型，該建筑物的墻壁具有鋼筋網和鋼筋混凝土。（圖片由參考文獻 1 提供）

脈沖電流源已并聯在熱水系統的供回管道之間。建筑物內部 EMI 的“接收器”是 CE 通信線，其形式為直徑為 100 mm 的環形天線，負載為 R = 50 Ω（圖 2）。

圖2. 這是一個干擾測量電路。（圖片由參考文獻 1 提供）

2. 圖 3 顯示了短持續時間的有意脈沖電流源的潛在參數。對于樓層較小的民用建筑，提供了短時脈沖電流的影響測試：

• 電流幅度 1.25 kA

• 電流持續時間 200 μs

圖3. 物理仿真的主要比例因子。（圖片由參考文獻 1 提供）

因此，我們將為物理仿真選擇主要比例因子。

3. 然后我們選擇一個數學模型來計算 EMI。我們計算物理仿真的次要比例因子。為了計算距離 r 處的磁場強度 H（t），使用了以下表達式：

H''（t'） = I'（t'）/4πr' = （1/6I（t））/4πr（1/12）） ，

H（t） = H''（t'） / 2， k_H = 2

為了模擬 CE 通信線路中的 EMI，使用了以下表達式：¹

U'（t） = μ₀πkl²ra²（k_H/k_t）（dH（t）/dt ） = 6U' （12t'）

4. 計算有意源電流的刻度參數值（圖 4）。

圖4. 有意源電流的刻度參數的計算值。

5. 設計人員正在開發一個研究臺，用于 EMI 的物理模擬，在 CE 通信線路中，在來自有意電流源的磁場的影響下。IGM 4.1 發生器用作短脈沖電流的模擬器。使用 LeCroy WR104MXi 數字示波器作為測量儀器。

6. 圖 5 顯示了在比例模型建筑的通信線路中測得的 EMI（在最靠近有意電流發生器連接點的測量點處）。

圖5. 在最靠近有意電流發生器連接點的測量點的比例模型建筑物的通信線路中測得的 EMI。

7. 圖 6 顯示了建筑物內真實 CE 通信線路中 EMI 的物理建模結果。

圖6. 這是建筑物內真實 CE 通信線路中 EMI 的物理建模結果。單級 EMI 濾波器

這種類型的濾波器由共模扼流圈 （CMC）、Cy 和 Cx 電容器組成（圖 7）。

布達佩斯技術與經濟大學和 Robert Bosch Kft.

圖7. 此圖是單級 EMI 濾波器的示意圖（圖片由參考文獻 2 提供）

首選設計是使用更精確的電路，它分別考慮了 CMC 在共模和差模下的行為不同，這在單獨的共模和差分模塊中進行了描述（圖 8）。

圖8. 最好使用具有獨立公共模塊和差分模塊的更精確的電路，以表明 CMC⁷ 在共模和差分模式下的行為不同。（圖片由參考文獻 2 提供）

用戶可以通過基于散射參數（S 參數）測量的遞歸分析表征過程來獲取參數值，其中 CMC 是在自樣式的開路 （OC） 配置中測量的。

無線醫療設備和環境中的 EMI 效應

標準電磁兼容性 （EMC） 測試將為評估電氣/電子設備的電磁抗擾度提供指導。但是，這可能還不足以確保高度可靠和安全關鍵型設備能夠在整個預期生命周期內按預期運行。⁶ 例如，根據當前國際電工委員會 （IEC） 60601 標準認證的醫療保健設備 （HCE） 必須能夠承受 10 V/m 的磁場。

然而，在醫療保健環境中觀察到更強大的磁場。這表明，在這些標準中，為了有效防止 EMI，可能仍需要解決某些方面的問題以進行改進。

通常，在相當多的醫療場景中，避免靠近敏感設備的干擾源是一項挑戰。目前的標準并沒有令人滿意地解決這種情況。

盡管如此，最好的 EMI 標準假設只會同時出現一個干擾。然而，在實際環境中，電子設備在其直接作環境中可能同時面臨多種電磁干擾。

為了評估電子設備在這種情況下的抗擾度，必須解決關鍵的可靠性和安全性問題。醫療保健環境中的電子設備必須能夠抵御日益增加的 EMI 干擾。

射頻識別 （RFID） 很可能會干擾附近的關鍵醫療設備。設計人員在部署此類系統之前，必須強調識別 RF 干擾源的重要性。此外，EMI 效應可能會受到靠近關鍵醫療設備的無線發射器和反射材料的影響。這需要仔細考慮屏蔽材料。

總結

預測和抑制 EMI 并非易事。設計師，尤其是在治療性醫療和醫院場景中，對包含醫療設備、患者以及有意和無意來源的三維環境進行了建模。這些方法將有助于管理和預測醫療保健中的電磁兼容性，確保醫療設備的可靠性和安全性。

引用

1. “通過物理建模預測在通過建筑物金屬結構的電磁干擾影響下計算設備的抗噪性”，Zinnur M. Gizatullin、Rifnur M. Gizatullin、Marat G. Nuriev，喀山國立研究技術大學，以 A.N. Tupolev-KAI 命名，2020 IEEE。

2. “電磁干擾濾波器的高頻測量和仿真”，布達佩斯技術與經濟大學電氣工程與信息學系寬帶信息通信和電磁理論系 Balint Pinter， Arnold Bingler;Mark Csornyei，動力總成解決方案 - 電力電子，Robert Bosch Kft.，2023 年電磁兼容性國際研討會 - 歐洲 EMC，2023 IEEE。

3. “脈沖輻射產生的電磁脈沖干擾對真空康普頓探測器響應的耦合模型研究”，易成、王毅、翠萌（IEEE高級會員）、楊開祥、宋兆暉、關興銀、李東、路毅、楊燁、韓和彤、郝帥，IEEE核科學匯刊，第71卷，第9期，2024年9月。

4. “電纜間電磁干擾矩陣描述研究”，吳宇彤，系統工程研究所，中國北京;徐秀明，哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，中國哈爾濱;徐秀明，哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，中國哈爾濱;2021 年 IEEE 第 9 屆計算機科學與網絡技術國際會議 （ICCSNT）。

5. “用于預測鐵氧體磁芯電磁干擾抑制特性的等效傳輸線模型”，Mahesh Chaluvadi、K George Thomas，SAMEER 電磁學中心電磁兼容部門，印度欽奈，IEEE 2018。

6. “分析無線醫療設備和環境中的電磁干擾效應”，西班牙加泰羅尼亞理工大學電磁兼容性小組 Prashanth Domakonda、Geon George Bastian、Marco A. Azpurua、Mireya Fernandez-Chimeno、Ferran Silva;2024 年國際電磁兼容性研討會 （EMC Europe 2024） 論文集，比利時布魯日，2024 年 9 月 2 日至 5 日，IEEE。

7. “通過簡單測量表征高頻共模扼流圈”，C. Dominguez-Palacios、J. Bernal 和 M. M. Prats，IEEE 電力電子匯刊，第 33 卷，第 5 期，第 3975-3987 頁，2018 年 5 月。

8. “利用小波變換的能量特性在圖像中進行輪廓檢測”，Lyasheva S.A.、Medvedev M.V.、Shleymovich M.P.，SPIE 論文集，2018 年，第 10774 卷，電信光學技術 2017 年，1077417。DOI：10.1117/12.2303644。