干扰耦合机理.ppt

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1、干扰耦合机理现在学习的是第1页，共78页3.1 传导耦合 传导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。现在学习的是第2页，共78页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。现在学习的是第3页，共78页1.电容性耦合模型图 3-1 电容性耦合模型现在学习的是第4页，共78页2221122jc1jRCRUUURX

2、CR 假设电路1为骚扰源电路,电路2为敏感电路,C为导线1与导线2间的分布电容,由等效电路可计算出在回路2上的感应电压U2为式中,当耦合电容比较小时,即CR21时,(3-1)式可以简化为 U2=jCR2U1 (3-2)G2L22CG2L21,jR RRXRRC现在学习的是第5页，共78页从(3-2)式可以看出,电容性耦合引起的感应电压正比于骚扰源的工作频率、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。电容性耦合主要在射频频率形成骚扰,频率越高,电容性耦合越明显。电容性耦合的骚扰作用相当于在电路2与地之间连接了一个幅度为In=jCU1的电流源。现在学习的是第6页，共7

3、8页一般情况下,骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻R2(一般情况下为阻抗)、骚扰电压U1是预先给定的,所以,抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容C。现在学习的是第7页，共78页图 3-2 地面上两导线间电容性耦合模型 下面我们继续分析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。现在学习的是第8页，共78页(3-3)12N1122Gj1jC RUUR CC 根据图3-2(b)的等效电路,导体2与地之间耦合的骚扰电压UN能够表示为现在学习的是第9页，共78页

4、 如果R为低阻抗,即满足:那么,(3-3)式可化简为122G1jRCC(3-4)N121jUC RU 假定骚扰源的电压U1和工作频率f不能改变,这样只留下两个减小电容性耦合的参数C12和R。减小耦合电容C12的方法是屏蔽导体或增加导体间的距离)。若两导体之间距离加大,C12的实际值会减少,从而降低导体2上感应到的电压UN,现在学习的是第10页，共78页 如果R为高阻抗,即满足:那么,(3-3)式可简化为(3-6)式表明,在导体2与地之间产生的电容性耦合骚扰电压与频率无关,且在数值上大于(3-4)式表示的骚扰电压。122G1jRCC(3-6)12N1122GCUUCC现在学习的是第11页，共78

5、页2.屏蔽体对电容性耦合的作用图 3-5 导体2 具有屏蔽体时两导线间电容性耦合模型现在学习的是第12页，共78页 考虑导体2对地电阻为无限大的值,导体2完全屏蔽,此时C12、C2G均为零。由图3-5(b)可知,屏蔽体耦合到的骚扰电压US为 由于没有耦合电流通过C2S,因此完全屏蔽的导体2所耦合的骚扰电压为UN=US(3-9)(3-8)1SS11SSCCUUCC现在学习的是第13页，共78页实际上,屏蔽体接地,那么电压US0,从而UN0，导体2通常部分延伸到屏蔽体外,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

6、-10)12S2G1212NUCCCCU现在学习的是第14页，共78页C12的值取决于导体2延伸到屏蔽体外的那一部分的长度。良好的电场屏蔽必须使导体2延伸到屏蔽体外的那一部分的长度最小,必须提供屏蔽体的良好接地。假定电缆的长度小于一个波长,单点接地就可以实现良好的屏蔽体接地。对于长电缆,多点接地是必须的。导体2对地电阻为有限值的情况。根据图3-5(c)的简化等效电路知,导体2上耦合的骚扰电压为(3-11)12N1122G2Sj1jC RUUR CCC现在学习的是第15页，共78页当时,(3-11)式可简化为:(3-12)式和(3-4)式的形式完全一样,但是由于导体2此时被屏蔽体屏蔽,C12的值

7、取决于导体2延伸到屏蔽体外的那一部分的长度,因此C12大大减小,从而降低了UN。122G2S1j()RCCC(3-12)N121jURC U现在学习的是第16页，共78页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。现在学习的是第17页，共78页图 3-7 两电路间的电感性耦合现在学习的是第18页，共78页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

8、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。现在学习的是第19页，共78页当一个电路中的电流在另一个电路中产生磁通时,这两个电路之间就存在互感M12,其定义为(3-14)12表示电路1中的电流I1在电路2产生的磁通量。由法拉第定律可知,磁通密度为B的磁场在面积为S的闭合回路中感应的电压为11212IM(3-15)Nd ddSUtBS现在学习的是第20页，共78页其中,B与S是向量,如果闭合回路是静止的,磁通密度随时间作正弦变化且在闭合回路面积上是常数,B与S的夹角为,那么(3-15)式可简化为 如图3-6所

9、示,S是闭合回路的面积,B是角频率为(rads)的正弦变化磁通密度的有效值,UN是感应电压的有效值。(3-16)NjcosUBS现在学习的是第21页，共78页图 3-6 感应电压取决于回路包围的面积S现在学习的是第22页，共78页因为BS cos表示耦合到敏感电路的总磁通量,所以能够把(3-14)式和(3-16)式结合起来,用两电路之间的互感M来表示感应电压UN,即 (3-16)式和(3-17)式是描述两电路之间电感性耦合的基本方程。(3-17)1N1djdiUMIMt现在学习的是第23页，共78页 (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

10、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。现在学习的是第24页，共78页图 3-7 两电路间的电感性耦合现在学习的是第25页，共78页磁场与电场间干扰的区别方法: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

11、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。现在学习的是第26页，共78页图 3-8 电容耦合与电感耦合的判别现在学习的是第27页，共78页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。图 3-9 导体2带有屏蔽体的电感耦合现在学习的是第28页，共78页 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

12、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。现在学习的是第29页，共78页在磁场的作用下,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)如果屏蔽体只单点接地或没有接地,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,因此这个屏蔽层对

13、磁场耦合有一定影响。现在学习的是第30页，共78页3.1.3 电容性耦合与电感性耦合的综合考虑前面研究电容性耦合及电感性耦合的模型及计算,是假定只有单一类型的干扰耦合,而没有其他类型耦合的情况,但事实上各种耦合途径是同时存在的。当耦合程度较小且只考虑线性电路分量时,电容性耦合(电耦合)和电感性耦合(磁耦合)的电压可以分开计算,然后再找出其综合干扰效应。由前面的分析可知,电容性耦合与电感性耦合的干扰有两点差别:首先,电感性耦合干扰电压是串联于受害电路上,而电容性耦合干扰电压是并联于受害电路上;其次,对于电感性耦合干扰,可用降低受害电路的负载阻抗来改善干扰情况,而对于电容性耦合,其干扰情况与电路负

14、载无关。现在学习的是第31页，共78页根据第一点差别不难看出,在靠近干扰源的近端和远端,电容耦合的电流方向相同,而电感耦合的电流方向相反。图3-16(a)给出电容耦合和电感耦合同时存在的示意图,设在R2G及R2L上的电容耦合电流分别为IC1及IC2,而电感耦合电流分别为IL1及IL2,显然 IL1=IL2=IL,在靠近干扰源近端R2G上的耦合干扰电压为U2G=(IC1+IL)R2G(3-30)远端负载R2L上的耦合干扰电压为U2L=(IC2IL)R2L(3-31)现在学习的是第32页，共78页由(3-30)和(3-31)式可知,：对于靠近干扰源端(近端)电容性耦合电压与电感性耦合电压相叠加,；

15、对于靠近负载端,或者说远离干扰源端,总干扰电压等于电容性耦合电压减去电感性耦合电压,在进行相减计算时,是以复数形式进行的。现在学习的是第33页，共78页图 3-16 电容性耦合与电感性耦合的综合影响现在学习的是第34页，共78页3.3 辐射耦合辐射电磁场是骚扰耦合的另一种方式,除了从骚扰源有意辐射之外,还有无意辐射,例如,有短(小于4)单极天线作用的线路和电缆,或者起小环天线作用的线路和电缆,都可能辐射电场或磁场。辐射耦合的途径主要有:天线天线,天线电缆,天线机壳,电缆机壳,机壳机壳,电缆电缆。对于辐射耦合,电磁场理论中近场与远场的概念是十分重要的。现在学习的是第35页，共78页3.3.1 电

16、磁辐射当场源的电流或电荷随时间变化时,就有一部分电磁能量进入周围空间,这种现象称为电磁能量的辐射。研究电磁辐射,最简单的是电偶极子和磁偶极子的辐射。实际天线可近似为许多偶极子的组合,天线所产生的电磁波也就是这些偶极子所产生的电磁波的合成。现在学习的是第36页，共78页1.电偶极子的电磁辐射电偶极子是指一根载流导线,它的长度l与横向尺寸都比电磁波长小得多。图 3-22 电偶极子辐射源现在学习的是第37页，共78页由麦克斯韦方程组解得电偶极子周围的电磁场为：(3-46)r223r233230011sin()cos()sin4()11cos()sin()cos2()()111sin()cos()si

17、n()sin4()()0mmmHHIlHktkrtkrkrkrIlEktkrtkrkrkrIlEktkrtkrtkrkrkrkrE现在学习的是第38页，共78页式中:Iml 电偶极子的电矩(Am);r 从坐标中心到观察点的距离(m);k 波数,电磁波传播单位长度所引起的相位变化,电磁波的波长,则有k=2/(rad/m)。下面按照观察点到电偶极子的距离远近来讨论电偶极子周围电磁场各分量的表达式。现在学习的是第39页，共78页1)近场区 (即在r/(2)的区域内,kr(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

18、播方向上的电场分量近似为零,近似得(3-48)2sinsin()4sinsin()4mmk IlEtkrrkIIHtkrr现在学习的是第41页，共78页由式(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1 cm、Im为1 A时,不同距离上的场强值如表3-8所示。H现在学习的是第42页，共78页图 3-23 电偶极子的方向

19、图现在学习的是第43页，共78页表3-8 距电偶极子不同距离的场强 现在学习的是第44页，共78页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=Im sint,可求得在空间某点处的电场与磁场的表达式为现在学习的是第45页，共78页(3-49)r24m223mr2323m230011cos()sin()sin4()11sin()cos

20、()cos2()()111cos()sin()cos()sin4()()0EEI aEktkrtkrkrkrI aHktkrtkrkrkrI aHktkrtkrtkrkrkrkrH现在学习的是第46页，共78页图 3-24 磁偶极子辐射源现在学习的是第47页，共78页1)近场区(又称感应电场区)在r(2)的区域内,kr/(2)的区域内,kr1。由式(3-49)可见,磁偶极子产生的场分量主要取决于1/(kr)的低次项,而且Hr与H相比可忽略,因此在波的传播方向上的磁场分量近似为零,得(3-51)r23m23m0sincos()4sincos()4HI a kHtkrrI a kEtkrr现在学习

21、的是第49页，共78页由(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0.564 cm,通过的电流为1 A时,其周围的场强值列于表3-9。现在学习的是第50页，共78页表3-9 距磁偶极子不同距离的场强 现在学习的是第51页，共78页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/(2)的区域作为近场区,但在电磁屏蔽领域通常把与偶极子相距为r/(2)的区域称为远场区。由式(3-48)和式(3-51)可见,在远场区电磁场只有与传播方向垂直的两个场分量E和H,或H和

22、E有关,在传播方向没有场分量,称为横电磁(TEM)波,又称平面电磁波。图3-28 为平面电磁波中电场与磁场的瞬时分布。平面电磁波具有下列特性:现在学习的是第61页，共78页图 3-28 远场区平面波的瞬时场分布现在学习的是第62页，共78页(1)电磁波的两个场分量电场与磁场在空间相互垂直,且在同一平面上。(2)电场和磁场在时间上同相位。(3)平面波在自由空间的传播速度8c003 10V (m/s)现在学习的是第63页，共78页(4)自由空间电场和磁场分量的比值(波阻抗)是一常数,与场源的特性和距离无关。对于电偶极子,可由式(3-48)得到波阻抗Zw为 (3-55)用磁偶极子远场区的E和H的表达

23、式可获得同样的结果。0w0120377 ()EZH现在学习的是第64页，共78页(5)平面波中电场的能量密度We和磁场能量密度Wm各为电磁波总能量的一半,即 (3-56)(3-57)(3-58)2e2EW22mHWemem22WWWWW现在学习的是第65页，共78页(6)电磁波能量的传播方向由坡印廷矢量确定,可用下式表示:式中:为坡印廷矢量;和为互相垂直的电场与磁场矢量。(7)电场与磁场均随离开场源的距离成反比地减小(见图3-27)。电磁兼容性测试时常利用这种关系进行电磁发射极限值转换。例如,在国家标准信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法中,规定在30230 MHz频段,B级受试设备的10

24、m准峰值限值为30 dBV/m,当改用3 m距离测量时,限值将增加到40.5 dBV/m。(3-59)HESSER现在学习的是第66页，共78页3.空气波阻抗与场源特性、波长、距离的关系综上所述,近场区与远场区的波阻抗有明显区别。分析金属板的电磁屏蔽效能时,正是这种材料界面上波阻抗的差异导致了反射损耗,因此波阻抗是屏蔽效能计算中极重要的一个参数。图3-25给出了自由空间不同场区的波阻抗随频率及距离变化的关系。进入远场区之后,波阻抗将趋向恒定的377。现在学习的是第67页，共78页4.导体的波阻抗导电媒质的波阻抗可由电磁波在远区自由空间传播时波阻抗表达式(3-52)推出。只需以导体的复介电常数代

25、替自由空间的。导体的波阻抗以表示,有对良导体而言,有,则j(/)sZSj(/)jZ jj44SS1jeej2ZZ现在学习的是第68页，共78页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。SZSZSSZZ现在学习的是第69页，共78页图 3-29 电磁波在导体内的传播特性现在学习的是第70页，共78页(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-

26、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1 MHz时,按式(3-61)可求得铜对电磁波的波阻抗为0.368 m。7rSSr3.68 10 fZZ现在学习的是第71页，共78页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。现在学习的是第72页，共78页 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

27、-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。现在学习的是第73页，共78页图 3-30 线性极化示意现在学习的是第74页，共78页若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

28、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。现在学习的是第75页，共78页图 3-31 椭圆极化和圆极化示意图现在学习的是第76页，共78页3.3.4 辐射耦合 通过辐射途径造成

29、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。现在学习的是第77页，共78页 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。现在学习的是第78页，共78页