电磁兼容第七章-电磁干扰预测2013-4-9.pptx

第七章电磁干扰预测,目的：在于发现系统(设备)中不兼容的薄弱环节和评价系统(设备)的安全裕度，为系统(设备)的电磁兼容性设计及技术实现提供科学、合理的依据。,方法：采用计算机数字仿真技术，将各种电磁干扰源特性、传输函数和敏感度特性全都用数学模型描述，并编制成计算机程序，然后根据预测对象的具体状态，运行预测程序来获得设备或系统潜在的电磁干扰计算结果。,7.2电磁干扰预测建模,1.电磁干扰预测的建模方法,函数描述法；精度高、但通用性差（如天线方向性图）折线拟合法；折线模拟的精度取决于取样点数（如发射机、接收机的通带特性）,2.干扰余量IM,若IM0，则表示存在潜在干扰；若IM0，则表示系统能够兼容工作；若IM=0，则表示处于临界状态；,式中：,干扰余量：将潜在干扰功率值PI与敏感门限值PR相比较来确定,3.功能质量指标一个具体设备可以用某些数据质量指标Q来反映该设备完成自身基本功能的状况。质量指标Q可作为设备或系统电磁兼容性能的判据。在没有外来干扰时，Q的数值决定于信噪比：,其中，Ps和Us为敏感设备输入端的信号功率和电压；PN和UN为敏感设备自身的噪声功率和电压。,3.功能质量指标,在非有意电磁干扰作用下,其中，PI和UI为敏感设备输入端的有效干扰功率和电压。,4.干扰源模型干扰源模型从广义来说，又可以称为发射器模型。,(1)辐射源模型,功能性辐射干扰源模型：用来描述各种天线发射的电磁波，一般用发射机的基本调制包络特性表示主通道模型，而用它的谐波调制包络特性和非谐波辐射特性来表示谐波干扰模型的乱真干扰模型。,非功能性辐射干扰源模型：用来描述各种高频电路、数字开关电路、电感性瞬变电路等所引起的电磁干扰。此类辐射源模型通常有：a)电偶极子；b)磁偶极子；c)各种振荡波(正弦波、脉冲波、阶梯波、指数振荡衰减波等)；d)各种调制类(调幅、调频、开关键控、数字调制)信号；e)噪声波。,4.干扰源模型,(2)传导干扰源模型,传导干扰用电压源和电流源模型来表示。电压或电流源模型通常有：a)单频(连续波)电压或电流；b)梯形脉冲序列电压或电流；c)斜坡或阶跃电压或电流；e)梯形脉冲电压或电流；f)以频谱密度数据构成的电压或电流,一个周期脉冲序列的时域特性及其频谱特性,单个脉冲的时域特性及其频谱特性,5.耦合通道模型耦合通道模型主要是传导型耦合模型和辐射型耦合模型。它们不是绝对可划分的，因为有时两者交织在一起。,a)相距很近的两导线间电容耦合模型；b)相距很近的两导线间电感耦合模型；c)通过公共阻抗的电路耦合模型；e)电磁场-导线的耦合模型；f)机壳-机壳的耦合模型；g)自由空间传输损耗模型；h)地形地物影响传输损耗模型。,5.耦合通道模型,5.耦合通道模型-几种耦合途径示例,6.接受器模型,接收机敏感模型：是对各种接收天线的辐射干扰响应特性的描述。,模拟、数字电路对电磁干扰的响应：一般都用敏感度来描述。,接受器模型又称为敏感器模型，用以描述接受器(敏感器)对输入信号和干扰的响应。在实际电磁兼容工程中，最为常见的敏感器有两类：一类是以接收无线电波为主要功能的接收机；另一类是由模拟、数字电路组成的电子设备。,7.3电磁干扰发射机模型,发射机的主要功能是产生电磁能量。除了在所需的频带范围内的基本辐射之外，发射机还在一些寄生频率上产生许多不需要的辐射，称为无用信号。有用信号或无用信号都会在接收机或其它设备中产生电磁干扰(EMI),当把发射机作为电磁环境的一个元素描述时，不需要研究它的构造，只需确定所产生能量的时间、频率和空间的分布，并建立相关模型。发射机的各项辐射可以在频谱中予以区别：a)基波辐射；b)基波的谐波辐射；c)非谐波辐射；d)噪声。,7.3.1基波发射模型,a)基波有相当高的功率电平，是潜在的最严重的干扰源,b)给定发射机型号的各个设备的基波功率输出变化很大，存在由于设备不同而导致能量输出不同的较严重的情况。因此，这些发射机的基本辐射只能用统计方法来描述,式中：,fot基波频率；,Pti基波输出功率的各个测量值；,工作于不同调谐频率的发射机的基波功率平均值；,M取样总数。,7.3.1基波发射模型,输出功率的变化由正态分布的随机变量表征,（1）基波幅度特性,标准偏差,实际频率与基带中心频率之间的差值,频带边缘上的带外辐射功率相对于0dB的下降值,第i频带范围内频谱包络函数之斜率,间隔数值取决于近似法要求的准确度。,（2）基波发射频率特性,基波辐射频率特性的调制包络函数采用折线拟合法，由分段线性函数（频率轴用对数坐标）来近似，可表示为,第i区的频带,四种典型发射机基波发射功率频谱特性曲线,(a)幅度语音调制包络(b)调幅通信和连续波雷达的频谱包络,(c)频率调制包络(d)脉冲调制包络,四种典型发射机基波发射功率频谱特性曲线,（N2）,基波频率；,第N次谐波的平均功率；,A、B由特定发射机所决定的常数。,式中：,N谐波次数，通常N10；,发射机的谐波发射的平均电平随谐波数的增加而减少；每个谐波辐射功率是按正态律分布的，标准偏差与谐波次数无关。,7.3.2谐波发射模型,发射机谐波幅度模型中参数A、B、的统计综合数据,寄生辐射平均功率；,f寄生辐射频率；,、可由发射机说明书中查询的常数。,式中：,非谐波寄生辐射特性,7.3.3非谐波发射模型,P辐射输出概率,B距fot有一特定频率间隔f的特定频率区间,式中：,H取决于发射机种类的常数,非谐波寄生发射频率特性,7.4.1接收机的选择性,7.4电磁干扰接收机模型,理想接收机应该只在特定的必需频带范围内，通过天线输入端接收有用信号,形状系数Kx：在xdB电平上测量的接收机通带与在3dB电平上测量的接收机带宽之比。,a.描述主接收通道功能的参数：灵敏度、噪声、通带等；b描述附加接收通道参数：中频谐波、象频谐波、调谐频率谐波的敏感度电平、频率等；c描述接收机阻塞频率选择性参数：阻塞敏感度电平、阻塞系数、阻塞动态范围；d描述接收机交调频率选择性参数：交调敏感度电平、交调系数、交调动态范围；e描述接收机互调频率选择性参数：互调敏感度电平、互调系数、互调动态范围；,接收机的电磁兼容性参数,影响接收机电磁兼容性的参数包括：,7.4.2基本接收通道模型,1基本接收通道的敏感度门限,基本接收通道的敏感度门限通常由接收机噪声电平来表示，选择此电平时因为它表示需考虑的最小干扰信号电平,2基本接收通道的频率特性,接收机中频选择性(dB)；,可用区选择性曲线斜率(dB)；,可用区带宽(Hz)；,接收机可用区带宽选择性(dB)。,用几段折线拟合近似，表示为：,7.4.2基本接收通道模型,本振谐波次数；,干扰信号谐波次数；,本振频率,杂波响应频率,中频,1.接收机乱真响应频率,或,其中,7.4.3乱真响应模型,超外差接收机对带外信号是敏感的，此信号能在接收机内产生乱真响应。如果干扰信号频率使得该信号或其谐波能与本振或其谐波混频，以产生接收机中频通带内的输出，则可能产生乱真响应。,7.4.3乱真响应模型,附加接收通道响应（dBm)；,主接收通道响应(dBm)；,I、J对每一接收机型号确定的常数；,2.接收机乱真响应敏感度门限,表7-4接收机乱真响应幅度模型中参数,接收机调谐频率,接收机中频带宽,、整数,7.4.4接收机互调,1.互调频率:,、产生互调的两个干扰信号的频率,由于接收机内的非线性，两个以上的干扰信号可以混频，即产生互调，形成其他频率的信号。,两个干扰信号导致潜在的严重互调的频率准则,三阶互调：,五阶互调：,七阶互调：,离最近的干扰发射频率,离最远的干扰发射频率,二阶互调：,接收机整个60dB中频带宽,式中：,m对应于离for最近的发射频率的谐波次数；,n对应于离for最远的发射频率的谐波次数；,PF频率fF的干扰信号产生的接收机输入功率,IMF互调系数。,式中：,互调幅度,互调幅度模型利用等效输入功率电平来表示,PN频率fN的干扰信号产生的接收机输入功率,接收机邻近频道区中的强干扰信号可能产生大的交调干扰,7.4.5接收机交调,由调幅双边带干扰产生的交调可表示为,式中：,有效干扰信号功率,交调参数，如图所示,输出信干比,7.4.6接收机减敏,当接收机经受在邻近调谐频率的频道内的一个或多个强干扰信号时，导致接收机前端信号的增益下降，称为减敏效应。,减敏信噪比：,式中：,减敏信噪比(dB),Po希望信号电平,基准信号电平,基准信号电平信噪比(dB),PSAT接收机输入端的干扰信号功率(dBm),PA接收机前端饱和电平(dBm),R减敏率，见图,减敏率,饱和基准电平,若接收机输入端出现多于一个的不希望信号，则,PEQ合成有效干扰功率(dBm),PAK第K个发射机在接收机输入端产生的干扰功率(dBm),PSATK在第K个发射机频率时接收机前端饱和电平(dBm),式中：,T不希望信号总数。,低增益天线（G25dB）,7.5天线模型,辐射功率是方向、极化、频率等的函数,1.概述,天线的方向图宽度、增益、旁瓣电平、主波束相互取向、扫描方式、扫描范围及极化匹配等。,2.有意辐射区和无意辐射区,有意辐射区：天线辐射方向图中的主瓣部分,无意辐射区：天线辐射方向图中除主瓣外的其余部分,7.5.2全向天线的方向性图,最简单的全向天线就是单根垂直辐射器。,对于较为复杂的广播天线或通信天线：,功率增益的标准偏差(dB),在方向处功率增益函数的平均值(dB)；,其中：,水平面上的功率增益的平均值(dB)；,对于所设计的频率和极化，平均功率增益与方向无关,有意辐射区水平面的宽度(o)；,有意辐射区垂直面的宽度(o)；,最大功率增益,式中：,7.5.3定向天线的方向性图,1有意辐射区,和,在正交极化辐射引起的干扰，天线模型可以假设为,非设计极化增益平均值；,设计极化增益平均值；,增益极化修正系数,式中：,7.5.3定向天线的方向性图,1有意辐射区,在设计频率以外，增益与频率的关系可近似表示为,设计频率f0处功率增益平均值；,其余频率f上的功率增益平均值；,增益均方差；,频带到内均方差值；,C、D给定天线型号的常系数。,式中：,7.5.3定向天线的方向性图,1有意辐射区,有意辐射区的通用定向天线模式,频率、极化的影响趋于随机，不显著。特别是高增益天线，90以上的功率是指向有意辐射区，其余部分的平均增益为10dB。,2非有意辐射区,无意辐射区的定向天线模式参数,收发天线的极化匹配修正,当发射天线与接收天线的极化不匹配时，应进行极化修正,决定天线应用区的发射机接收机配置示意图,正视图,俯视图,7.5.6发射天线-接收天线对的配置,干扰源对干扰敏感体的影响程度主要取决于方向图宽度、旁瓣电平、主波束相互取向、扫描方式和扫描扇形区范围。如果干扰敏感体配置在干扰源天线的主瓣内(或有意辐射区)，且两者的主瓣相互对准，则干扰源对干扰感受器的影响将是最大的。,、所希望发射的方位角和高低角中心；,、由干扰发射机到接收机的方向角；,、发射天线的方位角和高低角波束宽度。,（1）发射天线区,满足如下条件：,方位角：,高低角：,是设计频率和极化的10dB波束宽度（有意辐射区波束宽度）,7.5.6发射天线-接收天线对的配置,、所希望接收的方位角和高低角中心；,、由接收机到干扰发射机的方向角；,、接收天线的方位角和高低角波束宽度。,（2）接收天线区,满足如下条件：,方位角：,高低角：,是设计频率和极化的10dB波束宽度（有意接收区波束宽度）,7.5.6发射天线-接收天线对的配置,xt、yt、zt发射机坐标（m）；,xr、yr、zr接收机坐标（m）,（3）角度确定,方位角,高低角,如果发射机和接收机的位置是在直角坐标内规定的，各个角度可按下式来确定：,7.5.6发射天线-接收天线对的配置,7.6.1电磁干扰预测的基本步骤,发射响应对,对电磁干扰进行计算机预测与分析中，采用系统模型法。将所有的端口分成发射端口阵列和接收端口阵列，通过耦合通道将发射端口和接收端口联系起来，组成一个系统模型,7.6电磁干扰预测方法,电磁干扰预测的基本步骤：a确定主要干扰源（发射机）、敏感设备（接收机）和传播途径，建立干扰分析的数学模型；b选择一个敏感体；c选择一个干扰源；d计算该干扰源通过所有可能的传播途径传输到敏感体的干扰功率；e对每个干扰源重复步骤d；f对每个敏感体重复步骤c、d、e；g根据计算结果进行设计方案修改，并重新进行分析预测，直到达到电磁兼容性设计要求。,7.6.2分级预测方法,幅度剔除预测是分级预测的第一级，分析发射-响应对的干扰幅度。在计算中假定干扰源的发射频率与敏感器的响应频率是一致的，这样能把大量微弱的干扰与相当少的强干扰分离开来，将明显的非干扰情况剔除掉。,(1)幅度剔除法,7.6.2分级预测方法,(2)频率和带宽修正预测,频率和带宽修正预测就是在幅度剔除预测的基础之上，通过考虑敏感器的响应频率与干扰源的发射频率之间的间隔和带宽的差异，对保留下来的问题进行修正，进一步剔除非干扰情况。,在详细预测中，应考虑那些依赖于时间、距离、方向等因素，以及确定最终干扰余量的概率分布。,(3)详细分析预测,7.6.2分级预测方法,(4)性能预测,考虑周围发射机和接收机的调制特性和响应特性，计算接收机输入端的潜在干扰I和信号电平S，接收机噪声电平N，从而确定性能S/N，以及S/(I+N)。,7.7系统间电磁干扰预测,1.发射机对周围接收机的干扰效应(第一干扰预测方程),式中：,接收机输入端的干扰/噪声比(dB)；,干扰发射机输出功率(dBW)；,发射天线与接收天线增益(dB)；,发射机到接收机传输路径损耗(dB)；,接收机输入端噪声功率(dBW)；,发射机与接收机的带宽修正因子(dB)；,发射机与接收机的频率失谐修正因子(dB)；,7.7系统间电磁干扰预测,2.接收机对发射干扰信号的响应(第二干扰预测方程),式中：,接收机输入端的干扰/噪声比(dB)；,接收机输入端的噪声比(dB)；,接收机输入端信号干扰加噪声之比(dB)；,d乱真干扰余量（SIM）发射机乱真输出与接收机乱真响应在频率上对准存在的干扰电平,c接收机干扰余量（RIM）接收机基波响应与发射机乱真发射输出对准时存在的干扰电平,b发射机干扰余量（TIM）发射机基波发射与接收机乱真响应对准时存在的干扰电平,a基波干扰余量（FIM）发射机基波发射与接收机基波响应在频率上对准并以无抑制的方式时存在的干扰电平,发射与响应的干扰余量有四种可能的情况：,7.7.2系统间干扰预测实施过程,1.幅度剔除,将大量不产生干扰的信号与少数可能产生干扰的信号分离开来，其主要目的是：(a)考察发射机输出和接收机敏感响应可能产生干扰的组合；(b)将尽可能多的、明显的非干扰情况去掉不做进一步考虑。,幅度剔除中只考虑发射、响应的幅度，采用自由空间传播损耗模型。,自由空间传播损耗,干扰预测方程:,a考虑发射机基波发射和乱真发射功率电平；b考虑接收机基波响应和乱真响应敏感度电平；c考虑天线增益和自由空间传播损耗；d采用保守的与简单的近似表示方向、距离和时间的影响；e校正系数在幅度剔除中不予考虑。,1.幅度剔除,幅度剔除的应用条件:,接收机乱真响应敏感度,发射机乱真发射功率,乱真干扰余量（SIM）的计算,接收机干扰余量（RIM）的计算,发射机干扰余量（TIM）的计算,基波干扰余量（FIM）的计算,1.幅度剔除,1.幅度剔除,幅度剔除的规则:,首先计算基波干扰余量电平，如果其值小于规定的剔除电平，则不需要计算其他三种情况，因为它们的余量更低；如果基波干扰余量超过规定的剔除电平，则需要往下计算TIM和RIM，如果这两者的任一一个产生的干扰余量超过规定的剔除电平，还需要计算SIM.,如果最终的干扰余量超过规定的剔除电平，则发射-响应组合保留到下一步进行频率间隔和带宽修正。如果干扰余量小于规定的剔除电平，则该发射-响应组合不再做进一步预测考虑,2.带宽与频率间隔修正,a发射机带宽和调制特性；b接收机带宽和选择性；c发射机发射信号与接收机响应之间的频率间隔,考虑因素：,频率修正通过修正系数来修改幅度剔除结果，如果修正后的干扰余量仍超过筛选电平，则该发射-响应对保留到详细预测中进一步考虑；如果修正后的干扰余量小于筛选电平，则对此发射-响应对不再做进一步考虑。,规则：,2.带宽与频率间隔修正,频率间隔的确定,aFIM的频率间隔,bTIM的频率间隔,dSIM的频率间隔,的值与最接近的整数之差,cRIM的频率间隔,K0BRBT，且中心频率对准,K10采用均方根电平的类似连续噪声的信号，且BRBT,K20采用峰值电平的脉冲信号，且BRdmin，在这个距离上，所产生的干扰至少是被允许的，则最小距离dmin称为协调距离。,频率-距离(FD)：表示接收机与发射机之间所要求的最小距离间隔随着它们的调谐频率之差的变化而发生变化。,频率相关抑制(FDR)：表示接收机选择性对发射机干扰抑制的程度。,7.8.3空间管理,(3)方位角利用准则与指定,(4)扇形匿影,对保障在有限的立体角范围内辐射和接收的固定电子设备的电磁兼容性时，可采用将主要辐射方向与接收方向分隔的方法。,将辐射和接收限定在一定角度的扇形内也是进行方向隔离的方法之一，其实质在于对发射和接收设备的工作进行限制，使其在接收机方向上没有辐射或在发射机方向上没有接收。,7.8.3空间管理,(5)自然地形屏蔽,(6)天线的极化去耦,在更复杂的情况下进行区域分布时，可利用地形特点。,天线的极化去耦应用基于发射和接收采用正交极化的天线电磁干扰进行抑制。如干扰源天线是水平极化，则接受器天线应采用垂直极化。,商用Feko软件:采用全波分析法(FullWave);基于矩量法(MoM)、采用多层快速多极子技术(MLFMM)；完美结合了有限元法(FEM)及多种高频计算方法；用于求解与任意复杂结构体的所有高频电磁问题的专业电磁场分析软件。使用对象：广泛应用航空、航天、船舶、兵器及电子与汽车等行业；可以为飞机、舰船、卫星、导弹、车辆等系统