電子設(shè)備通常具有一定的電磁干擾 （EMI） 抗擾度。但是，有意或無(wú)意的電磁力也可能導(dǎo)致信息失真，尤其是在計(jì)算設(shè)備 （CE） 附近。為了降低 EMI 并確?？乖胄裕仨氃?CE 開(kāi)發(fā)的早期階段采取行動(dòng)。

很多時(shí)候，在靠近具有大幾何尺寸的 CE 對(duì)象的電磁環(huán)境中，可能存在電源線、飛機(jī)機(jī)身、車身、建筑物中的金屬結(jié)構(gòu)、雷電放電等。為了預(yù)測(cè) 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(hù)框架內(nèi)，一項(xiàng)很少被研究的任務(wù)是通過(guò)建筑物金屬結(jié)構(gòu)元件的有意電磁效應(yīng)。同樣可能受到有意電磁效應(yīng)影響的還有電力線、接觸網(wǎng)絡(luò)、飛機(jī)機(jī)身等。

EMI 的物理仿真

在實(shí)際物理規(guī)模上創(chuàng)建 EMI 模擬器將存在困難。由于研究對(duì)象配置的模糊性，也很難獲得可重復(fù)的結(jié)果。

我們可以通過(guò)使用基于物理仿真的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這些是步驟：

1. 設(shè)計(jì)師將能夠確定研究對(duì)象的所有重要初始數(shù)據(jù)。這些參數(shù)會(huì)影響電磁環(huán)境的形成以及 EMI。以尺寸為 10.8 × 10.8 × 14.4 m 的建筑結(jié)構(gòu)為例。墻壁有一個(gè)鋼筋混凝土的鋼筋網(wǎng)（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(wǎng)和鋼筋混凝土。（圖片由參考文獻(xiàn) 1 提供）

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

圖2. 這是一個(gè)干擾測(cè)量電路。（圖片由參考文獻(xiàn) 1 提供）

2. 圖 3 顯示了短持續(xù)時(shí)間的有意脈沖電流源的潛在參數(shù)。對(duì)于樓層較小的民用建筑，提供了短時(shí)脈沖電流的影響測(cè)試：

• 電流幅度 1.25 kA

• 電流持續(xù)時(shí)間 200 μs

圖3. 物理仿真的主要比例因子。（圖片由參考文獻(xiàn) 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(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算 EMI。我們計(jì)算物理仿真的次要比例因子。為了計(jì)算距離 r 處的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H（t），使用了以下表達(dá)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(dá)式：¹

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

4. 計(jì)算有意源電流的刻度參數(shù)值（圖 4）。

圖4. 有意源電流的刻度參數(shù)的計(jì)算值。

5. 設(shè)計(jì)人員正在開(kāi)發(fā)一個(gè)研究臺(tái)，用于 EMI 的物理模擬，在 CE 通信線路中，在來(lái)自有意電流源的磁場(chǎng)的影響下。IGM 4.1 發(fā)生器用作短脈沖電流的模擬器。使用 LeCroy WR104MXi 數(shù)字示波器作為測(cè)量?jī)x器。

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

圖5. 在最靠近有意電流發(fā)生器連接點(diǎn)的測(cè)量點(diǎn)的比例模型建筑物的通信線路中測(cè)得的 EMI。

7. 圖 6 顯示了建筑物內(nèi)真實(shí) CE 通信線路中 EMI 的物理建模結(jié)果。

圖6. 這是建筑物內(nèi)真實(shí) CE 通信線路中 EMI 的物理建模結(jié)果。單級(jí) 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(dá)佩斯技術(shù)與經(jīng)濟(jì)大學(xué)和 Robert Bosch Kft.

圖7. 此圖是單級(jí) EMI 濾波器的示意圖（圖片由參考文獻(xiàn) 2 提供）

首選設(shè)計(jì)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(dú)的共模和差分模塊中進(jìn)行了描述（圖 8）。

圖8. 最好使用具有獨(dú)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(xiàn) 2 提供）

用戶可以通過(guò)基于散射參數(shù)（S 參數(shù)）測(cè)量的遞歸分析表征過(guò)程來(lái)獲取參數(shù)值，其中 CMC 是在自樣式的開(kāi)路 （OC） 配置中測(cè)量的。

無(wú)線醫(yī)療設(shè)備和環(huán)境中的 EMI 效應(yīng)

標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容性 （EMC） 測(cè)試將為評(píng)估電氣/電子設(shè)備的電磁抗擾度提供指導(dǎo)。但是，這可能還不足以確保高度可靠和安全關(guān)鍵型設(shè)備能夠在整個(gè)預(yù)期生命周期內(nèi)按預(yù)期運(yùn)行。⁶ 例如，根據(jù)當(dāng)前國(guó)際電工委員會(huì) （IEC） 60601 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的醫(yī)療保健設(shè)備 （HCE） 必須能夠承受 10 V/m 的磁場(chǎng)。

然而，在醫(yī)療保健環(huán)境中觀察到更強(qiáng)大的磁場(chǎng)。這表明，在這些標(biāo)準(zhǔn)中，為了有效防止 EMI，可能仍需要解決某些方面的問(wèn)題以進(jìn)行改進(jìn)。

通常，在相當(dāng)多的醫(yī)療場(chǎng)景中，避免靠近敏感設(shè)備的干擾源是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。目前的標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有令人滿意地解決這種情況。

盡管如此，最好的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)只會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)干擾。然而，在實(shí)際環(huán)境中，電子設(shè)備在其直接作環(huán)境中可能同時(shí)面臨多種電磁干擾。

為了評(píng)估電子設(shè)備在這種情況下的抗擾度，必須解決關(guān)鍵的可靠性和安全性問(wèn)題。醫(yī)療保健環(huán)境中的電子設(shè)備必須能夠抵御日益增加的 EMI 干擾。

射頻識(shí)別 （RFID） 很可能會(huì)干擾附近的關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備。設(shè)計(jì)人員在部署此類系統(tǒng)之前，必須強(qiáng)調(diào)識(shí)別 RF 干擾源的重要性。此外，EMI 效應(yīng)可能會(huì)受到靠近關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備的無(wú)線發(fā)射器和反射材料的影響。這需要仔細(xì)考慮屏蔽材料。

總結(jié)

預(yù)測(cè)和抑制 EMI 并非易事。設(shè)計(jì)師，尤其是在治療性醫(yī)療和醫(yī)院場(chǎng)景中，對(duì)包含醫(yī)療設(shè)備、患者以及有意和無(wú)意來(lái)源的三維環(huán)境進(jìn)行了建模。這些方法將有助于管理和預(yù)測(cè)醫(yī)療保健中的電磁兼容性，確保醫(yī)療設(shè)備的可靠性和安全性。

引用

1. “通過(guò)物理建模預(yù)測(cè)在通過(guò)建筑物金屬結(jié)構(gòu)的電磁干擾影響下計(jì)算設(shè)備的抗噪性”，Zinnur M. Gizatullin、Rifnur M. Gizatullin、Marat G. Nuriev，喀山國(guó)立研究技術(shù)大學(xué)，以 A.N. Tupolev-KAI 命名，2020 IEEE。

2. “電磁干擾濾波器的高頻測(cè)量和仿真”，布達(dá)佩斯技術(shù)與經(jīng)濟(jì)大學(xué)電氣工程與信息學(xué)系寬帶信息通信和電磁理論系 Balint Pinter， Arnold Bingler;Mark Csornyei，動(dòng)力總成解決方案 - 電力電子，Robert Bosch Kft.，2023 年電磁兼容性國(guó)際研討會(huì) - 歐洲 EMC，2023 IEEE。

3. “脈沖輻射產(chǎn)生的電磁脈沖干擾對(duì)真空康普頓探測(cè)器響應(yīng)的耦合模型研究”，易成、王毅、翠萌（IEEE高級(jí)會(huì)員）、楊開(kāi)祥、宋兆暉、關(guān)興銀、李東、路毅、楊燁、韓和彤、郝帥，IEEE核科學(xué)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(tǒng)工程研究所，中國(guó)北京;徐秀明，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，中國(guó)哈爾濱;徐秀明，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，中國(guó)哈爾濱;2021 年 IEEE 第 9 屆計(jì)算機(jī)科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)國(guó)際會(huì)議 （ICCSNT）。

5. “用于預(yù)測(cè)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(xué)中心電磁兼容部門(mén)，印度欽奈，IEEE 2018。

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

7. “通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)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(yè)，2018 年 5 月。

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