第3章 干扰耦合机理.ppt

第3章干扰耦合机理,3.1传导耦合3.2高频耦合3.3辐射耦合习题,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,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,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）,3.1传导耦合传导耦合是干扰源与敏感设备之间的主要骚扰耦合途径之一。传导骚扰可以通过电源线、信号线、互连线、接地导体等进行耦合。传导耦合包括通过导体间的电容及互感而形成的干扰耦合。,3.1.1电容性耦合由于电容实际是由两个导体构成的,因此两根导线就构成了一个电容,我们称这个电容是导线之间的寄生电容。由于这个电容的存在,一个导线中的能量能够耦合到另一个导线上。这种耦合称为电容耦合或电场耦合。,图3-1电容性耦合模型,式中,当耦合电容比较小时,即CR21时,(3-1)式可以简化为U2=jCR2U1(3-2),(3-2)相关参量：工作频率、敏感电路对地的电阻R2(一般情况下为阻抗)、分布电容C、骚扰源电压U1。,另一个电容性耦合模型。该模型是在前一模型的基础上除了考虑两导线(两电路)间的耦合电容外,还考虑每一电路的导线与地之间所存在的电容。地面上两导体之间电容性耦合的简单表示如图3-2所示。,图3-2地面上两导线间电容性耦合模型,图3-3导体间的间隔对电容性干扰耦合的影响,图3-4电容性骚扰耦合与频率的关系,表3-1几种典型传输线电容计算公式,表3-2几种导线及传输线间的互感公式,2.屏蔽体对电容性耦合的作用现在考虑导体2有一管状屏蔽体时的电容性耦合,如图3-5所示。其中C12表示导体2延伸到屏蔽体外的那一部分与导体1之间的电容,C2G表示导体2延伸到屏蔽体外的那一部分与地之间的电容,C1S表示导体1与导体2的屏蔽体之间的电容,C2S表示导体2与其屏蔽体之间的电容,CSG表示导体2的屏蔽体与地之间的电容。,图3-5导体2具有屏蔽体时两导线间电容性耦合模型,如果屏蔽体接地,那么电压US0,从而UN0。导体2完全屏蔽,即导体2不延伸到屏蔽体外的情况是理想情况。实际上,导体2通常确实延伸到屏蔽体外,如图3-5(a)所示。此时,C12、C2G均需要考虑。屏蔽体接地,且导体2对地电阻为无限大的值时,导体2上耦合的骚扰电压为(3-10),3.1.2电感性耦合当一根导线上的电流发生变化,而引起周围的磁场发生变化时,恰好另一根导线在这个变化的磁场中,则这根导线上就会感应出电动势。于是,一根导线上的信号就耦合进了另一根导线。这种耦合称为电感性耦合或磁耦合。,1.电感性耦合模型电感性耦合也称为磁耦合,它是由磁场的作用所引起的。当电流I在闭合电路中流动时,该电流就会产生与此电流成正比的磁通量。I与的比例常数称为电感L,由此我们能够写出:=LI(3-13)电感的值取决于电路的几何形状和包含场的媒质的磁特性。,图3-6感应电压取决于回路包围的面积S,图3-7表示了由(3-17)式描述的两电路之间的电感性耦合。I1是干扰电路中的电流,M是两电路之间的互感。(3-16)式和(3-17)式中出现的角频率为(弧度秒),表明耦合与频率成正比。为了减小骚扰电压,必须减小B、S、cos。欲减少B值,可利用加大电路间的距离或将导线绞绕,使绞线产生的磁通密度B能互相抵消掉。至于受干扰电路的面积S,可将导线尽量置于接地面上,使其减至最小;或利用绞线的其中一条为地电流回路,使地电流不经接地平面,以减少回路所围的面积。cos的减小则可利用重新安排干扰源与受干扰者的位置来实现。,图3-7两电路间的电感性耦合,磁场与电场间的干扰有区别:第一,减小受干扰电路的负载阻抗未必能使磁场干扰的情况改善;而对于电场干扰的情况,减小受干扰电路的负载阻抗可以改善干扰的情况。第二,在磁场干扰中,电感耦合电压串联在被干扰导体中,而在电场干扰中,电容耦合电流并联在导体与地之间。利用这一特点,可以分辨出干扰是电感耦合还是电容耦合。在被干扰导体的一端测量干扰电压,在另一端减小端接阻抗。如果测量的电压减小,则干扰是通过电容耦合的;如果测量的电压增加,则干扰是通过电感耦合的(如图3-8所示)。,图3-8电容耦合与电感耦合的判别,2.带有屏蔽体的电感性耦合(1)如果在图3-7的导体2外放置一管状屏蔽体时,如图3-9所示。考察一个屏蔽体是否对电感耦合起作用,只要看屏蔽体的引入是否改变了原来的磁场分布。设屏蔽体是非磁性材料构成的,且只有单点接地或没有接地。由于屏蔽是非磁性材料的,因此它的存在对导体周围的磁通密度没有影响,导体1与导体2的互感M12没有变化。所以导体1在导体2上感应的电压与没有屏蔽时是相同的。,图3-9导体2带有屏蔽体的电感耦合,在磁场的作用下,屏蔽体上也会感应出电压,设导体1与屏蔽体间的互感为M1S,则导体1上的电流I1在屏蔽体上感应的电压为US=jM1SI1(3-18)但由于屏蔽体只单点接地或没有接地,因此屏蔽体上没有电流,所以不会产生额外的磁场,因此这个屏蔽层对磁场耦合没有任何影响。如果屏蔽体的两端接地,屏蔽层上会有电流流过,这个电流会产生一个附加的磁场。引起导体2周围磁场的变化,因此对电感耦合有一定影响。,为了分析这种情况,首先研究屏蔽层与内导体之间的耦合。当一个空心管上有均匀电流IS时,所有的磁场在管子外部,在管子的内部没有磁场。因此,当管子内部有一个导体时,管子上流过的电流产生的磁场同时包围管子和内导体(如图3-10所示)。管子的电感(自感)为LS=/IS,内导体与管子之间的互感为M=/IS,由于包围这两个导体的磁通相同,因此:M=LS(3-19),图3-10屏蔽层与内导体之间互感,即屏蔽与内导体之间的互感等于屏蔽层的电感(自感)。这个结论是假设管子上的电流均匀分布,而没有规定内导体的位置,因此这个结论不局限于同轴电缆。图3-11显示了屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果。,图3-11屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果,图3-12屏蔽体的等效电路,当C,(即C时(例如,5C5RS/LS),则ISI1,即屏蔽体上的电流IS大小与中心导体上的电流I1相同,而方向相反,因此屏蔽体上电流IS产生的磁场与中心导体上电流I1产生的磁场相抵消,此时屏蔽体外不再有磁场存在,从而抑制了磁(电感)耦合。但这种措施只有当5C时,才能有效地减少磁场外泄;当频率较低时,由于|IS|,导线周围是无耗均匀媒质,其介电常数与导磁率分别为和,在x=0和x=l处发射电路端接阻抗分别为Z0G和Z1G,而接收电路的端接阻抗分别为Z0R和Z1R,其等效电路如图3-19所示。,图3-18传输线的高频耦合,图3-19传输线的高频耦合的等效电路,在图3-19中,UG(x)和UR(x)分别表示线上任一点发射线和接收线相对参考导体的电压,而IG(x)和IR(x)分别为线上任一点发射线电流及接收线电流。下面用分布参数电路理论来计算高频线间的干扰耦合。设单位长度上,发射线和接收线的自电感分别为LG和LR,自电容分别为CG和CR,两线间的互感和互电容分别为LM和CM,不考虑传输线上的损耗电阻,可得到一小段传输线x的等效电路,如图3-20所示。,图3-20x线元高频耦合等效电路,式中:,在上述公式中,ZCR(ZCG)为接收(发射)电路存在时发射(接收)电路的特性阻抗,k为耦合系数,UGD和IGD为发射线的直流电压和电流,G和R分别为发射和接收电路的时间常数。,3.2.3低频情况的耦合对于低频情况,线长l(2)的区域内,kr1。由(3-46)式可见,电偶极子产生的场分量主要取决于1/(kr)的低次项,而且E与E相比可忽略,因此在波的传播方向上的电场分量近似为零,近似得,(3-48),由式(3-48)可看出,无论是E还是,幅值都和角无关,仅与角有关,而且正比于sin。在90的方向,即在垂直于偶极子轴线的方向上,场强E及H最大。辐射源向空间辐射的电磁场强度随空间方向而变化的特性称为辐射源的方向性,图3-23为电偶极子的方向图。工程上可以利用(3-47)式与(3-48)式计算电偶极子周围场强的值,例如,当l长为1cm、Im为1A时,不同距离上的场强值如表3-8所示。,图3-23电偶极子的方向图,表3-8距电偶极子不同距离的场强,2.磁偶极子的电磁幅射参照电偶极子的电磁幅射一节,用一个磁偶极子替代电偶极子。该磁偶极子由假想的一对相距极小的正、负磁荷(+qm,qm)组成,如图3-24(a)所示。直径远小于波长的小环天线可作磁偶极子处理。将通电小圆环置于xz平面,环中心与坐标原点重合,见图3-24(b)。设小圆环半径为a,流过的电流为im=Imsint,可求得在空间某点处的电场与磁场的表达式为,(3-49),图3-24磁偶极子辐射源,由(3-51)式可见,在磁偶极子的远场区,电磁场与空间的关系完全和电偶极子相仿。当=90时,即在线圈所在平面上,电场与磁场为最大值。同样,当一小圆环的半径a为0.564cm,通过的电流为1A时,其周围的场强值列于表3-9。,表3-9距磁偶极子不同距离的场强,3.3.2近场区与远场区的特性1.近场区1)波阻抗在上述分析中,把r,则,上式中为良导体波阻抗的模,有(3-60)式中:为导体的磁导率,非铁磁性材料的=0;为导体的电导率;为电磁波的角频率。从ZS的表达式可见,电磁波在良导体内传播时电场与磁场相位差/4,而且由于导体引入的损耗,其幅度将按指数规律下降,坡印廷矢量如图3-29所示。,图3-29电磁波在导体内的传播特性,(3-61),一般资料只提供相对电导率r和相对磁导率r,见表3.8。把r和r代入式(3-60)后,可得式中:r=/0,0=4107(H/m);r=/Cu,Cu为铜的电导率,Cu=5.8107(S/m)。例如,在频率为1MHz时,按式(3-61)可求得铜对电磁波的波阻抗为0.368m。,3.3.3电磁波的极化极化是指平面波的电场强度E在空间某一定点的方向变化情况。无论是在抑制电磁波传播或电磁兼容性试验中,都会遇到电磁波的极化问题。,沿x方向传播的平面波,E和H都在y-z平面上。若Ez=0,只有Ey存在(电偶极子垂直放置时在近场区所产生的电磁波就属此情况),则称该平面波极化于y方向,如图3-30(a)所示。Ey垂直于地平面,又称垂直极化。若Ey0,只有Ez存在(电偶极子水平放置时在近场区的情况),则称该平面波极化于z方向。Ez平行于地面,又称水平极化。一般情况下,Ez和Ey均存在且同相,平面电磁波中合成电场的方向取决于Ez和Ey的相对大小。电场方向和z轴间形成的夹角arctan(|Ey|/|Ez|)不会随时间变动,如图3-30(b)所示。上述三例中,瞬时场向量的端点始终沿一直线移动,统称为线性极化波。,图3-30线性极化示意,若Ey、Ez均存在,但不同相,即Ey和Ez的极大值发生在不同的时间,则合成电场向量的方向将随时间而变。这时电场向量E的端点随时间的轨迹是个椭圆,称为椭圆极化,如图3-31(a)所示。椭圆极化波的特例是:当Ey和Ez的大小相等,相位差90时,合成电场E的轨迹是个圆,称为圆极化,如图3-31(b)所示。圆极化波分左旋和右旋,其旋向应与圆极化收、发天线的旋向一致。应该说明,线极化波可以分解为一对左、右旋的圆极化波,如图3-31(c)所示。反之,一个圆极化波也可分解为一对正交的线极化波。电磁兼容性试验中,线极化天线与圆极化天线可以在一定条件下兼容的原因就在于此。,图3-31椭圆极化和圆极化示意图,3.3.4辐射耦合通过辐射途径造成的骚扰耦合称为辐射耦合。辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能量从骚扰源经空间传输到接受器(骚扰对象)。这种传输路径小至系统内可想象的极小距离,大至相隔较远的系统间以及星际间的距离。许多耦合都可看成是近场耦合模式,而相距较远的系统间的耦合一般是远场耦合模式。辐射耦合除了从骚扰源有意辐射之外,还有无意辐射。例如,无线电发射装置除发射有用信号外,也产生带外无意发射。骚扰源以电磁辐射的形式向空间发射电磁波,把骚扰能量隐藏在电磁场中,使处于近场区和远区场的接受器存在着被骚扰的威胁。任何骚扰必须使电磁能量进入接受器才能产生危害,那么电磁能量是怎样进入接受器的呢？这就是辐射的耦合问题。,一般而言,实际的辐射骚扰大多数是通过天线、电缆导线和机壳感应进入接受器。或者是通过电缆导线感应,然后沿导线传导进入接受器;或者是通过接收机的天线感应进入接受器;或者是通过接受器的连接回路感应形成骚扰;或者是通过金属机壳上的孔缝、非金属机壳耦合进入接收电路。因此,辐射骚扰通常存在4种主要耦合途径:天线耦合、导线感应耦合、闭合回路耦合和孔缝耦合。,习题1.什么是传导耦合？2.电容性耦合模型与电感性耦合模型区别是什么？3.题3图中两导线间的分布电容为50pF,导线对地分布电容为150pF,导线1一端接100kHz、10V的交流信号源,如果RT为:(a)无限大阻抗;(b)1000阻抗;(c)50