电磁干扰耦合-1路性

电磁干扰耦合-1路性第一页，共37页。常见干扰及干扰途径雷电NEMP脉冲电路ESD无线通信感性负载通断直流电机、变频调速器2第二页，共37页。传导耦合干扰本章将对传导干扰的性质作一些介绍，包括以下主要内容：传导性干扰的频谱、幅度、波形和出现率；由传输线引入的路性干扰；电容性耦合的原理；磁耦合干扰的原理，工程现象等

干扰源和被干扰体：干扰源也称为辐射体，被干扰体也称接收体（敏感体

）。辐射体与接收体的概念并不仅限于在通讯中使用，而在电磁兼容原理中是一个更广泛的概念，它不仅可能是广播、电视发射装置，也可能是一段输电线和一台电气设备。它们也可能是一种意想不到的电磁辐射源。

3第三页，共37页。常见的辐射体1．汽车点火装置2．日光灯启动装置3．发动机4．开关柜等……许多电气装置既是辐射体又是接收体，例如计算机内部的时钟脉冲频率发生器也将泄漏出电磁辐射。这种辐射体与接收体为一体的干扰现象称为系统内干扰。常见的敏感体

1．计算机2．测量和控制设备3．医疗仪器等还有一些特定意义的敏感体，如油库、军械等4第四页，共37页。传导性干扰的频谱、幅度、波形和出现率

传导干扰，又称路性干扰，它通过导体而传播，其耦合形式包括电耦合、磁耦合和电磁耦合，其一般性质包括频谱、幅度、波形和出现率。

频谱窄带干扰：带宽只有几十Hz到几十兆Hz，例如调幅、调频、移相键控(PSK)或单边带发射机(SSB)；某些多路复用的模拟或数字系统；通信发射机的谐波输出；基本电源（50HZ及400HZ）输出及其谐波；本地振荡器；无线电测高仪等宽带干扰:频谱分布几十到几百兆赫Hz甚至更宽的范围内，通常由上升沿陡峭的窄脉冲形成

5第五页，共37页。幅度干扰幅度可表现为多种形式，一种是用某种确定幅度出现的概率来表示；而在另一外一些情况，干扰的幅度是不易确定的，随机的，典型的代表是热噪声和冲击噪声。

来自通信或发射机的某些乱真发射、宇宙噪声均是热噪声。冲击噪声的电流或电压峰值正比于频带，而其平均值则与频带无关。其噪声源主要有内燃机点火系统；电源线放电；马达电刷产生的火花等。

波形

电气干扰有各种各样的波形，如矩形波，三角波，高斯形波…。波形决定干扰带宽，波形的上升斜率越陡，则带宽越宽。所以为使干扰减至最小，则应在保证可靠工作的情况下使设计的脉冲波形，具有尽可能长的上升时间，即上升沿比较平缓。在所有脉冲中，高斯脉冲的占有频谱最窄。出现率干扰信号在时间轴上出现的规律称为出现率。电磁干扰通常是脉动的和随机的，但也可以是周期性的。

6第六页，共37页。传输线引起的传导干扰传导干扰主要靠传输线路的电流和电压而起作用，故传输线路在不同频率下，其处理方法不同。在低频域，即当传输线的几何长度远远小于工作波长入（）时，对一般模拟电路可作为集中参数电路处理；而对数字电路，则还应考虑脉冲宽度，只有在脉冲宽度t远小于线路内的传输时间时，才能作为低频处理。在高频域，即当与大致可比拟时，线路应视作分布参数电路，其特性主要决定于分布电感L和分布电容C，其中最主要的参数为传输波的传输速度V和线路的特性阻抗ZC。7第七页，共37页。路性干性的物理模型电路性干扰的产生至少存在两个相互耦合的电流回路，其电流全部或部分地在公共阻抗中流过。

在每个回路中流过的电流是该回路本身的电流与另一相耦合的电路在其中产生的电流的总和。设U01为信号源，U02为干扰源

当U02=0时，U01产生的有效电流I1为

8第八页，共37页。U02经阻抗Z3、Z4在回路1中产生的干扰电流为通过Z12的电流为式中第一项是有效电流的一部分，第二项是干扰电流的一部分。干扰电流的一部分在被干扰回路的阻抗Z11和Z12上产生的干扰电压为在给定的工作频率内，如果干扰电流或干扰电压足够大，以至超过了干扰对象的敏感门限区，则将出现干扰效应，产生不良后果。

9第九页，共37页。如果Z3+Z4=0，则形成了如下图所示的特殊情况，这种情况用得很多，当多个电流回路共用一根导线便会出现这种情况，例如公共电源耦合电路或公共接地电阻抗耦合电路Z11上的电流是有效电流和部分干扰电流的总和后一部分为干扰电流；在电阻抗ZK上的干扰电压降USK为10第十页，共37页。传导干扰还可能通过线路与地之间的耦合阻抗引入。下左图中的电路中就是一种典型的传导耦合方式。干扰电流I在两个回路的共有阻抗Zk与产生一个电压Us，这个Us将改变信号源U源的值作为下一级电路的输入。其等效电路可以表示为这种路性干扰取决于干扰阻抗的大小，因为这个阻抗随着频率的增高而变大，所以，这种路性干扰在高频时应该特别受到关注。常出现在下列情况：外壳导体，特别是参考电位点与参考导体；供电线路（进线和回线）；接地体（保护导体）11第十一页，共37页。共模干扰与异模干扰1异模干扰异模干扰Ud出现在电流回路的进和回线之间，即出现在波电路的入口端，干扰是与信号源电流在同一线路上引入的。比如在一个未接地的电路里，对称的电路中将有对称的异模干扰电压出现，而在非对称的回路中则有非对称异模干扰电压a)系统内干扰b)系统间干扰12第十二页，共37页。异模干扰由于与电源信号一起引入，它可能引起负载测量错误和功能错误，在上图由异模干扰电压Ud引起一个异模电流Id，它可以在信号端阻抗ZQ和接收端阻抗ZE上引起一个附加电压降。在接收端的干扰电压根据左电路图可以获得：对干扰信号UE而言由于输入端阻抗ZE往往比信号源阻抗ZQ大，所以干扰电压UE有时比信号源Us更高，所以在接收端异模信号淹没正常信号。13第十三页，共37页。共模干扰与异模干扰2共模干扰共模干扰将引起电路中各处的电位升高，而电路里可能并没有任何扰动电流流过。下左图a)有一个对称共模干扰源，而在b)中则有一个非对称的共模干扰源。

a)系统内干扰b)系统间干扰14第十四页，共37页。与异模干扰相反，共模干扰在电路的回路上并不产生任何形式的干扰电压降，在输电线中不会在火线与零线之间产生干扰电压。共模干扰电流一般出现在频率较高的电路之中，因为其共模干扰电压引起的干扰在实际电路中是通过在它内部出现的寄生电容和线间感应电感上体现的，这种干扰随着频率的增高逐渐增强。下图显示了共模干扰在高频下如何通过两个寄生电容Cs1和Cs2在电路中引起共模干扰电流。

异-共模干扰的逆转

共模电压在电路中导至一个共模信号电流，它存在于寄生电容和大地之间构成的回路。

如果阻抗和寄生电容并不是对称的，而且数值也不相同，这时在回路上的共模电压会引起各种较大的电流，并在线路上造成各种电压降，特别是对地电压的增加，就会出现所谓共模、异模逆转现象，即去线与回线上不相等的阻抗会使最初的共模电压全部或部分转变为异模电压。15第十五页，共37页。接地回路

接地回路是引起路性干扰的最常见的原因之一，下图为一个接地回路的典型例子：一个信号发生器与一个示波器的联接。

两种仪器本身是满足保护接地标准的。当接地导体不同位置出现不同的电位，或者在一个磁场中接地体出现感应电压时，这时共模电压Ugs就会出现在接地回路中，由于这个电压的存在，在线缆的内导体（芯线）和外壳导体上就会出现电流，这时在示波器的输入端将会出现共／异模转换现象

在接地回路中的共—异模转换

16第十六页，共37页。电路耦合的计算电路耦合主要是靠传输线路的电流和电压而起作用，因而传输线路在不同频率下所呈现的性质如何，处理方法也有所差异。1.低频域传输线路的情况低频域是指传输线路的几何长度远远小于工作波长。因而对一般模拟电路来说，它可作为集中参数来处理。在数字电路中，将传输的脉冲按其宽度分为窄脉冲和宽脉冲来处理，前者情况，必须考虑由线路阻抗而产生的电压下降，以及由于线路间的寄生电路而使波形变钝等现象；而后者的情况，除此之外，还必须考虑传输时间的迟后，以及线路反射等问题。只有在脉冲宽度小于线路内的传输时间，才能作为低频处理。17第十七页，共37页。2.高频域传输线路的情况

当线路的几何长度大致与工作波长可比拟时，线路应看作为分布参数电路，线路的特性主要决定于分布参数L（分布电感）、C（分布电容），其中最主要的参数为线路传输波的传输速度v和线路的特性阻抗Zc。，线路的特性阻抗由于只与分布参数有关。处理高频线路时，一定要注意线路的电长度l/引起的阻抗变化，以及电压电流的变化。

3.电路性干扰的实例和计算

18第十八页，共37页。

例题1如图示，试求流经地回路的电流表示式和共地阻抗Zc上产生的共模干扰电压表示式。如图所示，共用接地阻抗上的地电流形成一共模噪声电压Vi，此电压如同一电磁干扰源使回路ABCDEFGHA及ABDIJFGHA上流动着噪声电流，此噪声电流会在放大器或逻辑电路输入端产生一电位差，而此电位差即为电磁干扰的来源。

左图为共用接地阻抗产生的电磁干扰

19第十九页，共37页。这两个设备的接地电阻可以为金属接地面（如船舶，飞机等），安全地线或自来水管，也可能是数个放大器的共同接地回路。

流经这些共用阻抗的电流可能源自一独立的信号源。地面电流Ig包括电流中性线上的电流及已接地负载时地电流，其表示式为式中Vg=Vgi+

Vgu

——激励电流电压

Vgi——直流电源或50/60/400Hz的电源

Vgu——其他频率的电磁干扰源，包括电力线上的谐波Zg——电源阻抗ZL——负载阻抗ZW——电源至负载间导线阻抗ZC——接地面的阻抗

20第二十页，共37页。信号源至导线端的接地电流

电流Ig流经接地阻抗Zc产生的共模干扰电压表示为

Vi=IgZc

直流或50、60、400Hz时，因为Zc《Zg《ZL与Zw上式可化简为

21第二十一页，共37页。例题2：60Hz、115V交流电源之中性地线与其负载之地线都接于1mm厚钢板，试计算其接地阻抗上的电流及其共模干扰电压。负载的消耗功率为1kW，电源的第10次谐波约为基频的2%。

查1mm钢板Zc的值在60Hz时，约为108，在600Hz时约为300。

故共模干扰电压60Hz时：

解：

负载阻抗因Zw《ZL，利用上题的结果得10次谐波(600Hz)时：22第二十二页，共37页。导线之间两种耦合MCICICILILR0RLR2GR2L23第二十三页，共37页。电容耦合：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。电感耦合：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，若另一根导线在这个变化的磁场中，则这根导线上会感应出电动势。于是，一根导线上的信号就耦合进了另一根导线。这种耦合称为电感耦合，或磁场耦合。24第二十四页，共37页。传导干扰的电容耦合方式

电容耦合是一种路性耦合以外的一种最常见的干扰形式。比如在电话中常常混入陌生人的谈话就是一种最常见的电容耦合干扰的例子。

电容耦合出现在两个存在电位差的电路系统或导线上，在每一个电路部分（导线、外壳、线圈绕组等）相对于其余的电路存在部分电容，这是干扰传递的途径，这种电容并不是我们通常意义上的电容器，而是无形的，是一种效果，所以，我们常用虚线来表示它。

25第二十五页，共37页。两个靠近的导线间电容耦合示意

干扰信号从干扰源Uq通过耦合电容Ck传递到负载（干扰受体）。干扰源和被干扰体各有内阻Rs和Ri。因为在大多数情况下，干扰受体的内阻是非常小，即Ri<<Re，在负载端只考虑Ri，而Un可以被忽略。

等效电路

分析其等效电路，对于传递到负载上的电压应用分压定理

其中26第二十六页，共37页。在低频时

负载Re的干扰电压Us很小，但随着频率的升高，Us逐渐变大。当Ck和Ri的值被测量确定后，我们可以应用下式表示耦合关系

干扰电压Us随着频率升高而增大，但其值不能超过源电压Uq

在中频段

则Ck和Ce对电压部分来说是关联的，首先对频率而言有一个上升的耦合，因为干扰源随着频率上升在负载上引起干扰电压增加。此时干扰度量用下式

这个现象一般出现在较高工作频率的器件上，如一些快速数字开关等。干扰信号在这种情况下可能严重地影响这些器件正常工作。

27第二十七页，共37页。对于高频段有和这是由于频率升高后，电容耦合增强的缘故，它的耦合变化为首先频率升高导致耦合增强，但频率升高到一定程度，耦合的类型的重点将发生转变，改变为辐射耦合为主，这时电容耦合会下降。

耦合电压的典型频率分布

28第二十八页，共37页。电容性干扰的实例和计算

例1：导线1加有干扰源，其电压V1=10V，干扰源频率f=10MHz，受干扰电路导线2接有一负载R=50，导线直径d=2mm，两导线相距a=20mm，导线离地面高h=10mm，试求导线2的异模干扰电压VN。等效电路

两导线电容性干扰模型

两导线电容性干扰原图

29第二十九页，共37页。由等效电路可见，产生于导体2及地间的干扰电压VN可表示为

若R为低阻抗，且小于分布电容C12及C20之和，即

则若负载电阻较大，且

则由题意

查表得C1210pF/m，C2010pF/m

设线长l=1m

可见R=50<<Xc，则以V1=10V、R=50、f=10MHz、C12=10pF/m代入上式，得

即受干扰电路导线2的异模干扰电压约0.3mV。

30第三十页，共37页。例2：题意如例1，但导体2外面有一层同轴屏蔽体，见图，试求导体2和屏蔽体受干扰的异模干扰电压分别为多少。

解：绘出其等效电路，因导体2至地端的阻值为无限大，且导体2外面有一屏蔽体。负载电阻满足

于是求得屏蔽体上受干扰的电压Vs为31第三十一页，共37页。用给出的数据，我们近似取C1S1pF/m，CSG10pF/m，代入上式有

显然，如屏蔽不接地，则屏蔽体受的干扰电压是很可观的。

一般屏蔽体完全理想接地，则Vs=0。

导体2完全在屏蔽体内，不露任何一点于屏蔽体外，C2s上无电流流动，导体2至地端的阻值亦为无限大，故导体2上的干扰电压为

VN=VS

因并蔽体接地VS=0，故VN=0。

对于导体2稍有少许暴露于屏蔽体外的情况，注意其VN0。

32第三十二页，共37页。电感耦合

电感耦合磁耦合是出现在一个导体放置于一个变化的磁场之中，由于电磁感应产生的一种耦合现象。磁耦合干扰的实例和计算

例1：有一封闭回路，面积为A，有一磁通密度为B的正弦时变干扰磁场，磁场和面积A的夹角为角，试求回路感应的干扰电压。

解：磁通