请勿干扰。EMC 如何增强安全。

请勿干扰

大量电气和无线电产品互不干扰地相互共存,并非理所当然之事。只有采取针对性的电磁兼容 (EMC) 措施,才能保证心脏起搏器不会受到干扰,确保飞机将乘客平安送达目的地。

能量强大的电磁力

目前已知的最强的一次 EMC 事件本来会引发全球性灾难,但却风静浪平,没有造成严重后果。这是因为会受到影响的电气设备在当时还未出现。但是,当时电报系统的反应却是一种警告,预示在高场强下电磁现象将迸发出强大的威力。电线杆火花四射,电报员触电而猛然从设备上弹开,电报纸燃烧,电报机打出无人发出的奇怪讯息。赤道地区出现通常只能在高纬度地区看到的极光。专家确信,如果现在出现和 1859 年一样强烈的太阳磁暴,会对高科技基础设施带来灾难性影响。据统计,这种超强风暴大约每 500 年才会出现一次。长期以来,人们普遍采取的做法是保护电气设备免受其他设备的干扰,而不是抵御自然灾害。鉴于无线网络无处不在,这在未来将变得更加重要。

无线电时代开启
1920+
CISPR 成立
1934
首个罗德与施瓦茨测试接收机诞生
1937

问题变得有声可循

在 1900 年左右发现无线电传播并迅速将其用于通信之前,没有任何感测系统可以使人类能够感知到电磁频谱的低频部分。在长达数十年的时间里,人们并不清楚电气设备(尤其是电机)产生多少电子烟雾,也没有因此遇到任何问题。直到 20 世纪 20 年代出现无线电广播,并持续“监测”部分无线电频段(起初仅监测一小部分),问题才逐渐显露。强烈的噪声扰乱了原本愉悦的收听乐趣,明确表明所有人共用一个电磁频谱,需要加以妥善处理。

直到 20 世纪 20 年代出现无线电广播,并持续“监测”部分无线电频段,问题才逐渐显露。

电磁波不分国界

让国际机构来负责制定技术保护建议,是一个必然而有远见的决策。国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 成立于 1934 年,是国际电工委员会 (IEC) 的下属委员会,也是发布电磁兼容标准的权威机构。欧洲电工标准化委员会 (CENELEC)、欧洲电信标准协会 (ETSI)、美国联邦通信委员会 (FCC) 和美国国家标准学会 (ANSI) 等其他委员会与 CISPR 相辅相成,确保不得销售未经监管部门批准的含电气元件的产品。这些非营利性公共服务组织的委员会吸引了所有市场参与者和国家指定机构委派的代表,所发布的建议通过法定决议而具有法律效力。作为领先的测试与测量设备制造商,罗德与施瓦茨同样投身于标准化工作,因为如果不能以合理的成本通过测量来检查合规性,那么即使是最佳规则也将没有任何用处。

在欧盟地区,产品上的 CE 标志表示其符合所有相关标准(包括 EMC 标准)的要求。这和美国的 FCC 合规性标签作用相当。但是,由于产品数量众多且相关成本高昂,无法正式批准每个产品,因此确保产品合规成为制造商的责任。制造商必须确保产品符合标准。违者严惩,一经发现,至少产品将被禁止销售。即使是高价产品,有时也无法通过测试人员的检测。例如,几年前德国知名消费者组织商品检验基金会对电动自行车进行了一项测试并得到媒体的高度关注,因为测试证实一些自行车是干扰源。即使是现在,许多产品的 EMC 特性仍有不足之处。2019 年,德国联邦网络管理局的一项研究发现,21.5% 的被调查产品并不符合规定。

所有产品组都有特定的适用 EMC 标准,包括显示器。图中,测试接收机在测量传导干扰,即设备通过电源线发出的干扰信号。

EMC 测量在电磁屏蔽室中进行,确保仅测量被测设备发出的辐射。这还可以防止干扰辐射逸出,而在抗扰度测试中会在被测设备上施加此类辐射。与电波暗室一样,屏蔽室的内侧壁、顶部和底部均以吸收材料做内衬,可将杂散的电磁能转化为热能,以提供“平和”的电磁环境。

家用电器也必须进行测试。图中,洗衣机被放置在转盘上以进行角度相关测量。

车辆、飞机和直升机暴露在强磁场中,以测试对磁场的抗干扰能力。因此,这些产品必须完整放置在合适的大型测试室中。

在产品开发中越早考虑 EMC 问题,实现合规的成本就越低。可以使用磁场探头检测和定位电路的不良发射。

从麻烦问题到危险事故

EMC 标准旨在确保不应发出干扰信号的产品(例如电机或微波炉)符合要求,或者批准用于无线电或广播操作的产品(例如 WLAN 设备)符合应用标准的要求,并且不会中断服务或干扰其他无线服务。此外,所有产品必须不受规定限值范围内外部电磁干扰的影响。如果不符合这些条件,可能会产生麻烦问题,也可能造成重大事故。

例如,德国 Tornado 飞机曾发生坠毁事故,原因就在于当飞机从一台短波发射机上方低空飞过的时候,机载航空电子设备对发射机发出的强无线电信号做出了响应。结果,飞机制造商被迫更改设计。据日本媒体报道,工业机器人可能受到工厂辐射发射的影响,开始在人们面前移动,导致数人死亡。各种小型事故也层出不穷,例如在飞机驾驶舱内接收到未获批的儿童电话传出的儿童哭声、车库门因军用无线电而卡住、遥控无钥匙进入系统由于信号被同频电磁干扰掩盖而突然停止运作,导致驾驶员被锁在车外。

以车辆为试金石

受到干扰的无钥匙进入系统是个麻烦问题,但通常并不会带来危险。然而,现代汽车集成大量的电气和电子元件,并提供越来越多安全相关功能。所有车载系统的电磁兼容至关重要,因为只有安全的车辆才能获得批准。一些 EMC 标准专门针对汽车电子行业(例如规定对电线相关干扰的抗扰度),旨在确保车辆的电磁兼容。其他法规同样适用于车辆中日渐增多的无线电设备。除了常规的 EMC 标准,各种无线电通信服务的平和共存也变得日益重要,而这不仅限于车辆。Wi-Fi 和 Bluetooth® 等移动通信和短程技术,以及车辆中的 GPS、无线电、遥控功能和雷达,通常会集成在一个产品中,必须协同工作而不相互干扰。如果无线技术实施不当,有用信号很容易成为干扰信号。即使只是为了履行责任,供应商和车辆制造商也需要重视这个问题,并操作复杂的测试设施。

EMC Story
在任何地方,EMC 测试暗室都是最令人印象深刻的测试设施之一。最大的测试暗室可以容纳整架飞机。

生命危在旦夕

在医疗行业,EMC 问题会产生非常严重的影响,因为设备或植入物需要可靠运行,才能保障人员生命和健康。医疗行业曾发生过许多事故。当行业尚未要求必须审慎考虑无线电信号时,早期的心脏起搏器对外部干扰非常敏感,有时会漏拍。例如,任天堂在 DS 游戏机的安全使用说明中明确指出,在启用无线功能时,游戏机与装有心脏起搏器的人应保持至少 9 英寸的距离。不论以前,还是现在,都有类似的移动电话建议。虽然现代植入物被视为可抵抗此类干扰,特别是考虑到目前的制造商已具有危险意识,但在产品开发中仍须相当谨慎。正是出于这一充分理由,美国食品药品管理局保留批准含无线接口之医疗器械的权利,而这通常由 FCC 负责。医疗器械制造商必须详细展示如何应对潜在危害,以及已使用哪些测试方法来证明设备的电磁兼容。如果创新设备尚无任何适用标准,制造商必须主动确保设备可以在预期应用领域内不受干扰地运行,必要时必须制定合适的测试方法。例如,罗德与施瓦茨的 EMC 专家正和一家测试机构合作,联合为一家大型医疗设备制造商的下一代患者监护仪开发测试程序。

医院(尤其是重症监护室)必须能够依赖患者护理和监护设备的抗干扰性。出于安全原因,医院通常至少会彻底禁止在手术室使用移动通信设备。此外,由于数据传输方式正由有线连接转向 Bluetooth® 等无线连接,越来越多的医疗器械也会发出无线电信号。远程医疗越来越依赖于低延迟 5G 移动网络来实现实时应用。罗德与施瓦茨解决方案等各种集成式测试解决方案不仅重视被测设备的 EMC 和共存能力,还关注设备的功能性参数(无线电和数据性能)。这可以更加快速地测试日益复杂的技术,并降低了成本。

保护我们的数字生活方式

自世纪之交以来,无线电产品的数量呈爆炸式增长,远远超过了地球上的人口数量。智能的云服务和无线服务正渗透到生活的各个方面。无线家庭网络成为主流趋势,在可预见的未来车辆将与环境联网。这些都需要限制性地利用有限的频率资源。标准定义了技术可以运行的频率范围,但只有使用特殊的测试与测量设备,才能验证设备是否正常。

良好的开端

1937 年,罗德与施瓦茨在成立四年后推出第一台射频场强计——可能是有史以来的第一台射频场强计。如此一来,制造商能够在设备受到干扰的无线电频段中测量设备发射,并采取具体对策。几十年来,罗德与施瓦茨一直努力开发这个产品组,并顺应技术发展,推出各种新一代设备。此外,EMC 测试与测量设备的产品组合不断丰富。目前,这一产品组合满足工业和测试机构从天线到交钥匙测试系统的所有电磁兼容测量需求。无线电服务持续繁荣,让 EMC 测试与测量设备变得更加重要。