第2,3章 电磁干扰源及耦合分析

2.1电磁干扰源及其特性分析,2.3电路性干扰,2.4电容性耦合,2.5电感性耦合,2.6辐射干扰,2.7敏感设备及其特性分析,2.2电磁干扰的传播及其特性分析,2.1电磁干扰源及其特性分析,电磁干扰源,电磁干扰源的分类,常见干扰源的频谱范围,频谱宽度,幅度,波形,出现率,方向性,极化特性,电磁干扰源的特性分析,电磁干扰能量的频率分布特性,频谱宽度,窄带干扰:是指主要能量频谱落在测量接收机的通带之内。频谱没有覆盖2个以上的10倍频程,带宽一般只有几十赫兹，最宽只有几十万赫兹。,宽带干扰:是指能量频谱相当宽，频谱覆盖2个以上的10倍频程,带宽为几十兆赫兹至几百兆赫兹，甚至更宽。,根据干扰的频谱宽度，可分为：,如调幅（AM）、调频（FM）、基本电源输出及谐波等。,一般由上升时间和下降时间很短的窄脉冲形成,各频段内的干扰功率（或场强）随时间的分布,确定分布：如基波、谐波,随机分布：如冲击噪声、热噪声,幅度或电平,决定电磁干扰频谱宽度的一个重要因素,波形,电磁干扰随时间出现的规律,周期性：在指定时间内按一定的周期重复出现非周期性：出现时间是确定的、可预测的，但不具有周期性随机性：表现特性没有规律，不能预测,出现率,取决于天线的极化方式。水平极化、垂直极化、圆极化等,取决于天线的方向图。主瓣宽度、副瓣电平、前后比、增益等,方向性,极化特性,b、辐射耦合,a、传导耦合,2.2电磁干扰的传播及其特性分析,电磁干扰的传播途径,b、辐射耦合,a、传导耦合,a2、电容性耦合,a3、电感性耦合,a1、电阻性耦合,b1、近场感应耦合,b2、远场辐射耦合,b12、磁感应,b11、电感应,电磁干扰的传播途径,通过导体传输的电磁干扰，主要通过传输线路的电流和电压起作用，传导干扰频谱可延伸到1GHz以上。在不同的频率下，传输线路呈现不同的特性，应采用不同的电路模型和分析方法。,根据工作频率与线长的关系划分为：,低频传输线路模型高频传输线路模型,传导耦合的传输线路性质,传导耦合,传输线路的等效电路模型,低频电路的等效模型集总参数电路模型,低频电路条件,模拟电路：,数字电路：，传输速度脉冲宽度,低频传输线路模型集总参数电路模型,高频电路（l）的等效模型分布参数电路模型,传输线形式,分布参数,同轴线：D外导体直径，d内导体直径,平行线：D两导体间距，d导体直径,两种典型传输线的分布参数,几种典型传输线的特性阻抗,平行双导线,同轴线,地平面上方的导线,共模干扰与差模干扰,共模干扰与差模干扰,通常线路上两种干扰分量同时存在。干扰在线路上经过长距离传输后，差模分量衰减要比共模分量大，且共模分量传输时会向周围空间辐射，差模分量不会辐射。因此，大部分电源干扰均由共模分量引起。,2.3电阻性干扰,电阻性干扰：两个回路经公共阻抗而形成的干扰。,电阻性干扰模型,共用接地阻抗上的地电流形成一共模噪声电压Ui，使回路ABCDEFGHA和回路ABCIJFGHA上流动者噪声电流，此噪声电流会在放大器或逻辑电路输入端产生一电位差，而差电位差即为电磁干扰的来源。,电阻性干扰实例,U02在耦合阻抗Zk产生的干扰电压降,流经Zk的干扰电流,电阻性干扰的等效电路,讨论：,两个回路一点接触，彼此不再互相干扰。,流经回路1中Z11的干扰电流,（直接耦合）,(1),(2),电路性干扰的计算实例：,50Hz、115V交流电源的中性地线与负载地线都接于1mm厚钢板上，试计算其接地阻抗上的电流及共模干扰电压。负载的消耗功率为1kW，电源的第10次谐波约为基频的2。,解：,负载阻抗,1mm钢板的接地面阻抗Zc:在50Hz时，约为108，在500Hz时，约为300,忽略导线阻抗和电源内阻，且,接地阻抗上的电流,50Hz时,10次谐波，500Hz时,电阻,感抗：,内自感：,外自感：,电阻性干扰的抑制,导线的阻抗特性,阻抗：,a、让两个电流回路或系统彼此无关。信号相互独立，避免电路的连接。,b、限制耦合阻抗，越低越好。导线的电阻和电感越低越好。,c、电路去耦。各个不同回路之间仅在惟一的一点作电连接，达到电流回路间电路去耦的目的。,强弱电隔离继电器变压器光电耦合,d、电气隔离。,电阻性干扰的抑制方法,2.4电容性耦合,电容性耦合的干扰电压,干扰电压：,低阻（或低频）,高阻（或高频）,耦合电压公式的简化,电容性耦合的频率特性,【解】,【例】已知：U110V、f10MHz、导线半径r1mm、线间距d20mm、导线离地高度h10mm、线长l1m。(1)R50；(2)R1M。分别求导线2上的干扰电压。,耦合系数：,则：（1）90dB；（2）9.5dB。,电容性耦合的抑制,针对干扰源和被干扰对象,针对减小耦合电容,平衡措施,平衡条件：,实例：,屏蔽对电容性耦合的影响,结论：屏蔽体必须接地。,故,若屏蔽体接地，则,比较,导体2完全屏蔽,考虑屏蔽体已接地，即CSG=0，则,结论：导体2上的干扰电压取决于外露部分的长度，越短越好！,则,导体2部分屏蔽,2.5电感性耦合,低电压、大电流干扰源产生的磁耦合干扰,电感性耦合：当导线上的电流发生变化时，周围的磁场将发生变化。此时，若有另外的导线在这个变化的磁场中，则导线上会产生感应电动势。于是一根导线上的信号就耦合进了另一根导线。这就是电感性耦合，又称磁耦合。,忽略I2对I1的影响，则,电感性耦合的干扰电压,【例】两根导线，长度l1=l2=1m，半径r=0.5mm，相距d=30mm，距接地金属平面高度h1=h2=10mm。干扰源负载Z11=100，受干扰回路负载Z21=Z22=100，设干扰频率f=1MHz，干扰源电压U1=10V，求负载受到的干扰电压为多少？,【解】,耦合系数：,干扰源系统的电气参数应使电流变化幅度和变化率尽可能的小；,被干扰系统应尽可能的设计成低阻及高信噪比系统；,系统的结构应尽可能紧凑，且彼此空间上相互隔离。,两个系统的耦合部分的布置应使互感尽量小；例如：增大间距、减少导线长度、避免平行走线等。,采用平衡措施消除电感性干扰；,对干扰源和被干扰对象进行磁屏蔽。,电感性耦合的抑制,针对干扰源和被干扰对象,针对减小耦合电感,1）绞合,2）避免平行布线,3）增大间距,dh,屏蔽体不接地：对磁耦合没有影响;,屏蔽体一端接地：对磁耦合也没有影响;,屏蔽体两端接地：形成回路，对磁耦合有影响;,屏蔽对电感性耦合的影响,设，则，故,屏蔽体上的感应电流,屏蔽体与导体2之间的磁耦合,结论：低频时，屏蔽与非屏蔽相同，屏蔽无用；高频时，（5倍频以上时）干扰基本保持常数。,导体2上的耦合电压,采用屏蔽体单端接地的方法，可以解决前面出现的问题,此时无论在任何频率上，总有，且方向相反，IS产生的磁场抵消了I1产生的磁场，屏蔽体外磁场为零，从而抑制了电感耦合。,屏蔽体截止频率测量值,双绞线对磁场干扰的抑制,电容性耦合：,电感性耦合：,受干扰导体与地之间的并联干扰电流源,受干扰导体与地之间的串联干扰电压源,电容性耦合与电感性耦合的判定,实际电路的串扰耦合,Z21,Z22,UN1C,UN2C,Z21,Z22,UN1L,UN2L,UN1UN1CUN1L,UN2UN2CUN2L,2.6辐射干扰,电磁辐射：电磁能量脱离场源在空间传播，且不再返回场源的现象,辐射干扰：以电磁波形式传播的干扰,除了干扰源的有意辐射之外，还有无意辐射，如有短单极天线作用或起小环天线作用的线路和电缆，都可能向外辐射电磁能量,辐射耦合的基本途径：,天线天线，天线电缆天线机壳，电缆机壳机壳机壳，电缆电缆,实际辐射耦合途径：,通过天线、电缆导线、机壳感应进入接收器,通过电缆导线感应、沿导线传导进入接收器,通过接收机的天线感应进入接收器,通过接收器的连接回路感应形成骚扰进入接收器,通过金属机壳上的孔缝、非金属机壳耦合进入接收电路,主要辐射耦合途径：,天线耦合、导线感应耦合、闭合回路耦合和孔缝耦合,基本辐射源,a、电偶极子电流元b、磁偶极子小电流回路,2.6.1基本辐射干扰,1、电偶极子(Il)辐射,场的电尺寸及场区划分,（1）近区场（感应场）,（2）远区场（辐射场）,距电偶极子不同距离的场强(I=1A,l=1cm),2、磁偶极子(IS)辐射,（1）近区场（感应场）,感应场的特点：,电场1/r2,磁场1/r3；电场f,磁场与f无关；电场与磁场存在/2的相位差；能量相互转换、振荡，不会向外传输。感应场又称为似稳场。,（2）远区场（辐射场）,辐射场的特点：,电场1/r,磁场1/r；电场f2,磁场f2；电场与磁场同相位；有电磁能量向外辐射。,3.波阻抗,波阻抗：电场的横向分量与磁场的横向分量的比值，即,（1）电偶极子,特点：；,远区：,近区：,（2）磁偶极子,近区：,结论：电偶极子的近区场为高阻抗场；磁偶极子的近区场为低阻抗场；,特点：，,远区：,注意：,在感应场中，感应情况不仅取决于场源性质及耦合方式，还取决于被感应导体的状况、所在位置及周围环境条件，甚至感应体的存在还会扰乱原来的电磁场分布。,在感应场中测量电磁干扰数据对距离十分敏感，应注明测量距离和测量天线规格。大部分设备内的布局属于近场范围，有意识地利用空间距离衰减可降低对屏蔽设计要求的。,理想的电偶极子和磁偶极子是不存在的。杆状天线及电子设备内部的高电压小电流元器件，可视为等效的电偶极子场源。环状天线及设备中的一些低电压大电流元器件以及电感线圈等可视为等效的磁偶极子场源。,2.6.2辐射对电路的干扰,干扰分类：共模干扰，异模干扰,则回路中的感应电势,设入射波为均匀平面波,1.辐射共模干扰,用电场来计算,共模耦合系数(以1V/(V/m)为0dB)：,则,最坏的情况：,或，则,或,共模耦合系数,讨论：,低频情况：,当，即时，干扰最大,或,【例】两个设备连线长l=10m，离地高度h=10cm，对应的电场强度E0=10V/m。设f1=1MHz，f2=10MHz，分别求对应的Ui和CMC。,（2）,【解】（1）,计算公式同共模干扰，将h替换为d即可。,2.辐射异模干扰,用磁场来计算,共模耦合系数(以1V/T为0dB)：,辐射屏蔽：在干扰源与干扰对象之间插入金属屏蔽物，阻挡干扰的传播。,极化：若干扰为水平极化，则敏感设备垂直放置，则可以有效地减少干扰。,距离隔离：当r大，场能量会快速减