电磁兼容 第2章 电磁干扰耦合与传输理论（课堂PPT）

,电磁环境电磁干扰的耦合途经,电气工程系江滨浩博士,研究生学位课电磁兼容（2）,1,杨继深2002,主要内容,电磁干扰现象电磁干扰三要素时域与频域电磁干扰源敏感体及其特性电磁干扰的耦合途经电磁辐射的基本理论传导耦合的基本理论电磁骚扰的抑制策略,2,杨继深2002,电磁干扰现象,数字脉冲电路,开关电源,数字视频设备,220AC,电磁噪声（骚扰）：任何可能引起设备或系统性能下降的电磁现象强调任何可能的电磁危害现象原因。电磁干扰：电磁噪声（骚扰）所引起的设备、传输通路或系统性能的下降电磁危害现象强调产生的结果。,雷电等,3,杨继深2002,电磁干扰三要素,三个要素：干扰源、耦合路径和敏感源,干扰兼容临界,4,杨继深2002,5,杨继深2002,常见干扰源,无线通信,电磁干扰源：5个，各源的性质不同耦合方法：52或4+1（11）,6,杨继深2002,电磁骚扰源的分类,非功能性干扰源,其他分类：根据电磁干扰的耦合途径、性质、方式、频谱宽度、频率范围等进行分类，如：电场干扰、磁场干扰和电磁场干扰；宽带干扰和窄带干扰，传导干扰，辐射干扰等等。,7,杨继深2002,电磁骚扰（源）的性质,频谱宽度按照电磁骚扰能量的频率分布特性，可以确定其频谱宽度。连续波交流声骚扰的频谱宽度最窄，单价脉冲函数的频谱诺宽度最宽。波形幅度或电平出现率辐射骚扰的极化特性辐射骚扰的方向特性天线的有效面积表征敏感设备接收骚扰场强能力的参数，等于传送到匹配负载的平均功率密度与入射到天线上的电磁波平均功率密度之比。天线有效面积越大，敏感设备接收电磁骚扰的能力就越强。,电磁兼容处理问题的原则是留有一定量的裕度,8,杨继深2002,电磁信息发射,干扰其它电子设备,被别有用心的人接收，获取信息,功能性发射干扰特例,9,杨继深2002,产生电磁干扰的条件,突然变化的电压或电流，即dV/dt或dI/dt很大频谱宽度大，辐射强/传导抑制（滤波等）困难。实际问题中，遇到电压、电流的突然变化，需要考虑潜在的电磁干扰问题辐射天线或传导导体（载体）,10,杨继深2002,频谱分析,EMC分析更多是在频域中进行，且不考虑相位因素所有的电场兼容标准中对发射的限制范围都是在谱域中规定的电磁兼容技术措施与频率关系密切，例如滤波器的截止频率电磁兼容分析侧重于干扰在特定频率上的能量分布，时间和相位等关注很少,11,杨继深2002,频域分析,12,杨继深2002,一个正弦波在5次谐波和7次谐波的影响下怎样发生畸变。（相对于基波的24%和9%）。,基波和谐波引起的失真波形,13,杨继深2002,14,杨继深2002,谱密度,频率很低时,频率较低时,高频时,简化：不考虑相位，,15,杨继深2002,脉冲信号的频谱,d,谐波幅度（电压）,两个转折点,一个转折点,16,杨继深2002,信号的频谱,脉冲波形有较宽的频率带宽频率幅度在低频段较高，在低频段较低，下降的速度与脉冲边沿与陡度有关，越陡，下降越慢电磁兼容的角度，希望频谱带要窄，因为，高频时串扰和辐射强，,17,杨继深2002,18,杨继深2002,19,杨继深2002,地表面自然磁场的分布,20,杨继深2002,地表面的自然电场,地球表面如果没有电磁场，也会影响各种生物的成长，既所谓的“电磁饥饿”。,地球和导体（电离层）组成球形电容器模型其间有漂移的自由电荷（离子），离子（密度）随着高度而变化（增加），电场力线垂直于地球表面，并且使地表面带负电,21,杨继深2002,雷电放电,雷电放电的三个阶段：先导阶段，主放电阶段，余解放电阶段,22,杨继深2002,雷电日在一年中，能听到一声（或以上）雷声的总天数,23,杨继深2002,雷电流的特性雷电放电速度很快，雷电流的幅值很大，陡度很高，且其电流的大小与土壤电阻率、雷击点的散流电阻有关。直雷电的危害直击雷雷直接击在建筑物和设备上而发生的机械效应和热效应。感应雷雷电流产生的电磁效应和静电效应。高电位的引入雷电流沿电气线路和管道引入建筑物的内部。,24,杨继深2002,非功能性干扰,25,杨继深2002,26,杨继深2002,功能性干扰源,27,杨继深2002,寄生额率,28,杨继深2002,电磁骚扰的耦合途径,传导耦合：在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁骚扰通过连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备。辐射耦合：电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能且按电磁场的规律向周围空间发射。传导耦合(+)辐射耦合例如传输线的辐射/辐射源的传输线响应,29,杨继深2002,30,杨继深2002,31,杨继深2002,32,杨继深2002,33,杨继深2002,34,杨继深2002,35,杨继深2002,36,杨继深2002,37,杨继深2002,电磁骚扰的耦合途径分类,电磁干扰耦合模型C：电容耦合L：电感耦合Z：共阻抗耦合NC：近场耦合FR：远场辐射,38,杨继深2002,电磁辐射的基本理论,环天线元偶极天线元缝隙天线,电磁辐射电磁散射（二次源，敏感体）基本天线结构,（等效为磁荷源）,39,杨继深2002,辐射系统的三个区域,对电流辐射系统，有三个空间尺度,考虑小区域内辐射：,按波长和距离，分成三个区域：，近区，各点相位一致，电磁场结构与静电、静磁场相同（似稳场）,，感应区，过渡区,，远区，辐射区,源到场点距离r,总电磁场,源所激发的电磁场,电磁场相互激发的电磁场,静态电磁场特点场量与r2成反比,电磁波特点场量只能与r成反比,40,杨继深2002,电偶极子电流元,电偶极子电磁场表达式,电偶极电磁场表达式,41,杨继深2002,近区场/似稳场,近场区（无推迟效应）场表达式坡印亭平均值,电磁场相位差,与电偶极子的静电场和恒定电流元的磁场的表达式相同。尽管电偶极源上的电流是时变的，时变电磁场之间相互激发的波动效应比起电荷和电流直接激发的静态场要小得多。电场与磁场始终保持90度相位差，其Poynting平均值恒为零，电场能在另半周期等值地转换为磁场能没有能量向外部输运。,42,杨继深2002,电偶极辐射(远区）场,同相位，辐射场，TME波波阻抗方向性非均匀球面波,43,杨继深2002,磁偶极源场表达式,因为电流闭合，可用闭合电流的线圈线积分计算磁偶极源,场表达式,44,杨继深2002,磁偶极辐射（远区）场,同相位，辐射场，TME波波阻抗方向性非均匀球面波,电偶极子,磁偶极子,对偶关系,45,杨继深2002,磁偶极源的近区场,“稳态场”的结构，无能量辐射，无推迟效应电场随频率增加而增加减小,46,杨继深2002,波阻抗,一般定义,远场,近场,同传播方向上，相互垂直电场和磁场之比,电偶极源,磁偶极源,47,杨继深2002,远区场和近区场的波阻抗,48,杨继深2002,源的波阻抗,49,杨继深2002,小型实际电路的辐射,近区,远区,导出：,由电偶极子电场的远区表达式近似推导出,由电偶极子电场的近区表达式近似推导出,由磁偶极子电场的近区表达式近似推导出,50,杨继深2002,辐射场随频率的变化曲线,l增加（回路面积大）时，场强增大阻抗小（电流大），场强增大在远区，随频率增加，场强增大,51,杨继深2002,偶极天线的演变和寄生天线,辐射同偶极,无意电压（感应电流阻抗）所致,52,杨继深2002,53,杨继深2002,导体的天线效应,叠加(求和/积分)可得到导线的辐射电磁场分布环（回）电路情况下，需设回电流（的相位）相同。,54,杨继深2002,接收天线对发射天线的功率响应,接收（发射）天线的功率,接收（发射）天线在发射（接收）天线上的增益,两天线间距离，,发射天线所对应的波长,55,杨继深2002,差模电流和共模电流,同相位（方向），幅值相差很小共模电流的来源有三种（后述）共模电流不是电路的工作电流外界因素在电缆上产生的共模电流本身并不会对电路生产窜扰影响。,外界产生,内部产生,相位（方向）相反，幅值相同差模电流是电路的工作电流差模电流的来源有三种外界因素在电缆上产生的差模电流对电路生产串扰影响。,辐射效应？,56,杨继深2002,场对线的共模和差模的耦合,推导：,积分回路的面积（有效面积）增大，共模/差模的电压增大外电磁波场在传输线（电缆）上同时产生共模和差模电压共模积分回路的部分支路可以是由寄生电容组成,短线/似稳场的假设,长线/高频情况如何？,57,杨继深2002,场对高频传输线的耦合,当传输线长度降时，沿线的电流/电压是变化的.必须采用分布参数电路或电磁场理论。当电磁波照射到高频传轴线时，将引起沿线分布的许多无穷小的电压源,分析方法：1）取一小段dz，集中参数法求解电流与激励电压的关系2）激励电压即为外场，积分可得到线上电流与外电场的积分关系典型结果见后,58,杨继深2002,平行端线电场在终端上的电流,高频时，较明显，更重要的是，高频的感应电流也是高频的因此，要采用高频的抑制方法。高频的电流具有辐射效应。,59,杨继深2002,平行传输线电场在终端上的电流,差别更明显，为什么？,60,杨继深2002,电容性耦合(近电场相互作用),频率越高,耦合越明显,在敏感电路(导体2)与地之间并联了一个骚扰电流源(并联一个电压源).,61,杨继深2002,近地导线间的电容性耦合,间距增大，耦合干扰变小，高度增大，耦合干扰偏小，但不明显,62,杨继深2002,电感性耦合(近磁场耦合),63,杨继深2002,电容性与电感性耦合之间的差异,对于电容性合，在敏感电路(导体2)与地之间并联了一个骚扰电流源(并联一个电压源).对于电感性耦合，产生一个与敏感电路(导体2串联的骚扰电压(感应电压),如何鉴别电容性和电感性耦合干扰？,64,杨继深2002,电容耦合与电感耦合的综合考虑,电感耦合干扰电压是串联于受害电路上而电容耦合干扰电压是并联于受害电路上.在靠近干扰源的近端和远端电容耦合的电流方向相同，而电感耦台的电流方向相反。,作业!,65,杨继深2002,远端的干扰电压,近端的干扰电压,66,杨继深2002,电路性耦合,电路1中的骚扰通过阻抗耦合到电路2中，形成干扰,67,杨继深2002,电路耦合的实例,地线阻抗形成的耦合,公共电源内阻及公共线路阻抗形成的耦合,多回路电路性传导耦合,68,杨继深2002,传输线的短线处理,根据传输线长度与传输信号频率的关系可把传输线分为长线和短线，长线和短线应采取不同的方法处理。传输线长度小于等于120的信号波长，传输延迟时间小于等于14的数字信号脉种上升时向时传缠线亩祝为短线，即,是辐射耦合，还是路耦合？！,69,杨继深2002,转移阻抗耦合,70,杨继深2002,71,杨继深2002,72,杨继深2002,频域分析,73,杨继深2002,74,杨继深2002,75,杨继深2002,76,杨继深2002,谱密度,频率很低时,频率较低时,高频时,简化：不考虑相位，,77,杨继深2002,78,杨继深2002,脉冲信号的频谱,d,谐波幅度（电压）,两个转折点,一个转折点,79,杨继深2002,信号的频谱,脉冲波形有较宽的频率带宽频率幅度在低频段较高，在低频段较低，下降的速度与脉冲边沿与陡度有关，越陡，下降越慢电磁兼容的角度，希望频谱带要窄，因为，高频时串扰和辐射强，,80,