二、电磁兼容理论基础-1.ppt

2 1各种信号的频谱分析2 2电路与磁路2 3电磁场原理2 4电磁兼容的单位及换算 第2章电磁兼容理论基础 信号的分类 信号 一 信号的频谱分析 连续时间周期信号分析 在满足狄里赫利 Dirichlet 条件下 信号可表示为傅里叶级数 或 三个特征 基频 各谐波的幅度和相位 或 离散性 由不连续的谱线组成 每一条线代表一个正弦分量谐波性 每一条线只能出现在基频的整数倍的频率上收敛性 各次谐波的幅值大小随着频率的增加而逐渐减小 连续时间非周期信号分析 周期趋于无限的连续时间周期信号 周期信号的频谱是离散的复频域 表示的是每个谐波分量 单一频率 的复振频 连续时间非周期信号 非周期信号的频率是连续的频谱 表示的是每单位带宽内所有谐波分量合成的复振频 傅立叶正变换 傅立叶反变换 离散时间周期信号 周期序列 分析 连续时间周期信号是无限多个呈谐波关系的复指数信号的线性组合 考虑到 周期序列 在满足为有理数时 是连续周期信号在时间上的离散化 周期序列在时域上也可以用复指数序列形式的傅里叶级数来表示 在连续域傅里叶级数可表示为具有无限多个频谱分量 而在离散域只含有有限个谐波分量 各谐波复振幅的傅里叶系数是复指数序列各谐波分量的复振幅 反映了各谐波分量的幅度和相位 用它可以表示离散时间周期信号的频谱 离散时间周期信号的频谱是周期性离散频谱 离散时间非周期信号 非周期序列 分析 定义离散时间非周期信号的频谱密度函数 即离散时间傅里叶变换 为 采用数字方法直接由模拟 数字转换器 ADC 对输入信号取样 再经FFT处理后获得频谱分布图 1 位移电流 位移电流不是电荷的运动 而是一种人为定义的概念 对于静态场 因 由此导出电流连续性原理 电荷守恒原理 上式中具有电流密度量纲 将代入 得 对于时变电磁场 因 不可能根据电荷守恒原理推出电流连续性原理 位移电流 电流连续是客观存在的物理现象 例如真空电容器中的电流 麦克斯韦将称为位移电流密度 以Jd表示 即 求得 上式称为全电流连续性原理 它包括了传导电流 运流电流及位移电流 位移电流密度是电通密度的时间变化率 或者说是电场的时间变化率 对于静电场 由于 自然不存在位移电流 对于时变电场 电场变化愈快 产生的位移电流密度也愈大 在良导体中 已知传导电流密度 因此 在电导率较低的介质中 麦克斯韦认为位移电流也可产生磁场 因此前述安培环路定律变为 即 上两式称为全电流定律 它表明时变磁场是由传导电流 运流电流以及位移电流共同产生的 位移电流是由时变电场形成的 由此可见 时变电场可以产生时变磁场 电磁感应定律表明 时变磁场可以产生时变电场 因此 麦克斯韦引入位移电流以后 预见时变电场与时变磁场相互转化的特性可能会在空间形成电磁波 2 麦克斯韦方程 静态场中的高斯定理及磁通连续性原理对于时变电磁场仍然成立 那么 对于时变电磁场 麦克斯韦归纳为如下4个方程 积分形式 微分形式 时变电场是有旋有散的 时变磁场是有旋无散的 但是 时变电磁场中的电场与磁场是不可分割的 因此 时变电磁场是有旋有散场 在无源区中 时变电磁场是有旋无散的 电场线与磁场线相互交链 自行闭合 从而在空间形成电磁波 时变电场与时变磁场处处相互垂直 为了完整地描述时变电磁场的特性 麦克斯韦方程还应包括电荷守恒方程以及说明场与介质关系的方程 即 式中代表电流源或非电的外源 麦克斯韦方程组中各个方程不是完全独立的 可以由第1 2方程导出第3 4方程 或反之 对于静态场 则 那么 上述麦克斯韦方程变为静电场方程和恒定磁场方程 电场与磁场不再相关 彼此独立 在简单的形式下隐藏着深奥的内容 这些内容只有仔细的研究才能显示出来 方程是表示场的结构的定律 它不像牛顿定律那样 把此处发生的事件与彼处的条件联系起来 而是把此处的现在的场只与最邻近的刚过去的场发生联系 爱因斯坦 1879 1955 对于麦克斯韦方程的评述 这个方程的提出是牛顿时代以来物理学上的一个重要事件 它是关于场的定量数学描述 方程所包含的意义比我们指出的要丰富得多 假使我们已知此处的现在所发生的事件 藉助这些方程便可预测在空间稍为远一些 在时间上稍为迟一些所发生的事件 麦克斯韦方程除了对于科学技术的发展具有重大意义外 对于人类历史的进程也起了重要作用 正如美国著名的物理学家弗曼所述 从人类历史的漫长远景来看 即使过一万年之后回头来看 毫无疑问 在十九世纪中发生的最有意义的事件将判定是麦克斯韦对于电磁定律的发现 与这一重大科学事件相比之下 同一个十年中发生的美国内战 1861 1865 将会降低为一个地区性琐事而黯然失色 处于信息时代的今天 从婴儿监控器到各种遥控设备 从雷达到微波炉 从地面广播电视到太空卫星广播电视 从地面移动通信到宇宙星际通信 从室外无线局域网到室内蓝牙技术 以及全球卫星定位导航系统等 无不利用电磁波作为信息载体 无线信息高速公路使人们能在任何地点 任何时间同任何人取得联系 如此广泛的应用说明了麦克斯韦和赫兹对于人类文明和进步的伟大贡献 目前中国已有近9亿移动通信用户 五亿多因特网用户 电磁兼容的单位 测试50MHz至3 5GHz频率范围高频 RF 电磁波强度测量大哥大基地台天线电磁波辐射强度测量无线通讯应用 CW TDMA GSM DECT RF高频电磁波使用安全RF高频发射机功率测量无线网路 Wi Fi 侦测 安装无线针孔摄影机与窃听器之侦测家用无线电话电磁波辐射强度测量微波炉辐射泄漏侦测公司或家居环境电磁波安全防护评估 测量单位 mV m V m A m mA m W m mW m W cm 电磁兼容的单位 一 电磁干扰场强的基本单位 电场强度 磁场强度 功率通量密度 V m A m W m2 只有在被测场为平面波情况下 三者之间才能相互换算 为什么 适用于所有有线电视和公共天线系统 测试频率范围46 860MHz 频率显示采用大型四位数字LCD 分辩率100KHz 这种场强仪的测量带宽为300KHz 故可对电视立体声伴音和彩色副载波进行选择测量 仪器装有AFC系统以利选台 场强量程为20 110dB V 40dB高频衰减器及20dB中频衰减器 电平指示范围为50dB 二 电磁干扰强度的分贝制单位 原因 1 功率用分贝单位表示 两个功率电平比值的分贝 dBW dBm dBu 0dBW 0dBm 0dBu 某一功率电平 比较的基准功率电平 以dBm为单位和以W为单位的功率值换算对照表 2 电压 电流场强等用分贝单位表示 电压的分贝单位 电流的分贝单位 dBV dBmV dBuV dBA dBmA dBuA 电场强度的分贝单位 磁场强度的分贝单位 功率密度的分贝单位 dBuV m dBmV m dBV m dBuA m dBmA m dBA m dBmW m2 2 电场强度 磁场强度的分贝单位 分贝制单位在电磁干扰场强计量测试中的用法 表示信号传输系统中任意两点间功率 或电压 的相对大小 或空间某两点电磁干扰场强的相对大小 在指定参考电平 电压或电场强度 时 可用分贝表示电压或电场强度的绝对值 此参考电平通称为零电平 用分贝表示电压或场强的误差大小 注意 有些分贝制单位不能直接相加减 例如 40dBu 40dBu 80dBu 因为40dBu 100uV 40dBu 40dBu 200uV20lg200 46dBu 80dBu 例如 0dBu 0dBu 0dBu 因为0dBu 1mW 0dBu 0dBu 2mW10lg2 3dBm 0dBu 4 分贝单位在实际工程中的应用 当设备的电磁骚扰不能满足有关EMC标准规定的限值时 就要对设备产生超标发射的原因进行分析 然后进行排除 如经过初步分析 认为一个系统出现辐射发射超标的原因可能有4个 1 主机与键盘之间的互连电缆 电缆1 上的共模电流产生的辐射 2 主机与打印机之间的互连电缆 电缆2 上的共模电流产生的辐射 3 机箱面板与机箱基体之间的缝隙 开口1 产生的泄漏 4 某显示窗口 开口2 产生的泄漏 诊断时 1 在电缆1上套一个铁氧体磁环 以减小共模辐射 发现频谱仪屏幕上显示的信号并没有明显减小 认为电缆1不是一个主要的泄漏源 2 取下铁氧体磁环 套在电缆2上 发现频谱仪屏幕上显示的信号没有明显减小 认为电缆2也不是一个主要的泄漏源 3 用屏蔽胶带将开口1堵上 发现频谱仪屏幕上显示的信号没有明显减小 认为开口1不是主要泄漏源 4 将屏蔽胶带取下 堵到开口2上 频谱仪上的显示信号还没有减小 如此诊断失误的原因 测试人员忽视了频谱分析仪显示的信号幅度是以dB为单位显示的 分析 假设这4个泄漏源所占的成分各占1 4 并且在每个辐射源上采取的措施能够将这个辐射源完全抑制掉 则采取以上4个措施中的一个时 频谱仪上显示信号降低的幅度为 幅度减小这么少 显然是微不足道 但却已经将泄漏减少了25 假设一个系统在测试时出现了传导骚扰超标 使系统不能满足EMC标准中对传导骚扰的限值 经过初步分析 原因可能有4个 它们分别是 1 变压器 问题产生 2 电源中 开关管 产生 3 PCB 设计缺陷产生 4 辅助设备 产生 步骤一 去掉 变压器 有关因素 测试结果没有明显减小 于是认为 变压器 不是一个导致传导骚扰超标的主要原因 将 变压器 的改动撤销 步骤二 去掉 开关管 有关因素 测试结果没有明显减小 于是认为 开关管 不是一个导致传导骚扰超标的主要原因 步骤二 去掉 PCB 有关因素 测试结果几乎没有减小 于是认为 PCB 不是一个导致传导骚扰超标的主要原因 到此为止还未能解决这个产品的传导骚扰问题 这是因为测试人员忽视了频谱分析仪上显示的信号幅度 测试结果 是以dB为单位显示的 那么为什么会有这种现象 假如 因 变压器 问题产生的传导骚扰电平为Vn 因电源中 开关管 产生的传导骚扰电平为0 7Vn 因 PCB 设计缺陷产生的传导骚扰电平为0 1Vn 因 辅助设备 产生的传导骚扰电平为0 01Vn 同时去掉 变压器 有关因素和去掉 开关管 有关因素后 测试结果就会有明显的改善 在此基础上再去掉原来认为毫无关系的 PCB 因素 结果又会有很大的改变 虽然 PCB 相对于 变压器 开关管 产生的传导骚扰电压来说 是一个很小的值 但它相对于 辅助设备 来说 却是一个很高的值 因此 在 变压器 开关管 因素没有去除的情况下 PCB 因素的去除变得微不足道 而在 变压器 开关管 因素去除的情况下 PCB 因素的去除就变得举足轻重了 正确的方法 在对一个可能的泄漏源采取了抑制措施后 即使没有明显的改善 也不要将这个措施去掉 继续对可能的泄漏源采取措施 当采取到某个措施时 如果干扰幅度降低很多 并不一定说明这个泄漏源是主要的 而仅说明这个干扰源是相对于后几个骚扰源来说是量级较大的一个 并且可以是最后一个 当设备完全符合有关的规定后 如果为了降低产品成本 减少不必要的器件 可以将采取的措施逐个去掉 首先应考虑去掉的是成本较高的器件或材料 或在正式产品上难于实现的措施 如果去掉后 产品的辐射发射并没有超标 就可以去掉这个措施 通过测试 使产品成本降到最低 5 电磁干扰场强单位间的相互换算 频谱分析仪 频率合成信号发生器 常用dBm作为功率电平的单位 常用dBuV作为电压电平的单位 电磁兼容标准中 干扰电压常用的单位是dBuV 干扰场强常用的单位是dBuV m 辐射功率常用的单位是dBp dBm和dBn 因此 dBm dBp dBn和dBuV之间常常需要进行换算 dBm dBn和dBp之