传导耦合、高频耦合及辐射耦合课件.ppt

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1、第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.1 传导耦合 3.2 高频耦合3.3 辐射耦合 习题 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.1 传导耦合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。在音频和低频时,由于电源线、接地导体、电缆的屏蔽层等呈现低阻抗,故电流注入这些导体时易于传播。当噪声传导到其他敏感电路时,就可能产生骚扰作用。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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.1.1 电容性耦合电容性耦合 由于电容实际是由两个导体构成

2、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 1.电容性耦合模型电容性耦合模型图3-1(a)表示一对平行导线所构成两回路通过线间的电容耦合,其等效电路如图3-1(b)所示。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上的感应电压为(3-1)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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)第第3章章 干扰耦合

3、机理干扰耦合机理 图 3-1 电容性耦合模型第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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。下面我们继续分析另一个电容性耦合模型。该模型

4、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-2 地面上两导线间电容性耦合模型第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 在图3-2中,C12是导体1与导体2之间的杂散电容,C1G是导体1与地之间的电容,C2G是导体2与地之间的电容,R是导体2与地之间的电阻。导体1是骚扰源，其骚扰源电压为u1,受害电路为电路2。任何直接跨接在骚扰两端的电容,如图3-2中的C12能够被忽略,因为它不影响在导体2与地之间耦合的骚扰电压UN。根据图3-2(b)的等效电路

5、,导体2与地之间耦合的骚扰电压UN能够表示为(3-3)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 如果R为低阻抗,即满足:那么,(3-3)式可化简为(3-4)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理(3-4)式表明,电容性耦合的骚扰作用相当于在导体2与地之间连接了一个幅度为In=jC12U1的电流源。(3-4)式是描述两导体之间电容性耦合的最重要的公式,它清楚地表明了拾取(耦合)的电压依赖于相关参数。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。减小耦合电容的方法是屏蔽导体、分隔导体(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,因此降低导体2

6、上感应到的电压,若两平行导体间分隔距离为D,且导体直径为d,则(3-5(a)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 当D/d3时,C12可简化为其中,08.851012Fm。导体间的距离与电容性干扰之间的关系如图3-3所示。0 dB的参考点是取自导体间的距离为导体直径的3倍,而由图中可看出相隔距离超过40倍的导体直径,再增加隔开的距离也无法得到显著的衰减量。(3-5(b)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-3 导体间的间隔对电容性干扰耦合的影响第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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

7、压与频率无关,且在数值上大于(3-4)式表示的骚扰电压。(3-6)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图3-4给出了电容性耦合骚扰电压UN的频率响应。它是(3-6)式的骚扰电压UN与频率的关系曲线图。正如前面已经分析的那样,(3-6)式给出了最大的骚扰电压UN。图3-4 也说明,实际的骚扰电压UN总是小于或等于(3-4)式给出的骚扰电压UN。当频率满足以下关系时:(3-4)式就给出了是实际骚扰电压UN(3-3)式的值)的 倍的骚扰电压值。在几乎所有的实际情况中,频率总是小于(3-7)式所表示的频率,(3-4)式表示的骚扰电压UN总是适合的。(3-7)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图

8、3-4 电容性骚扰耦合与频率的关系第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 表3-1 列出了几种典型传输线电容的计算公式。表3-2列出了几种导线及传输线间的互感公式。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 表3-1 几种典型传输线电容计算公式 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 表3-2 几种导线及传输线间的互感公式 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 2.屏蔽体对电容性耦合的作用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

9、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-5 导体2 具有屏蔽体时两导线间电容性耦合模型第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 首先考虑导体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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 如果屏蔽体接地,那么电压

10、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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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。最后,我们考虑导体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

11、知,导体2上耦合的骚扰电压为(3-11)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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。(3-12)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.1.2 电感性耦合电感性耦合 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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 1.电感

12、性耦合模型电感性耦合模型 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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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(3-15)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 其中,B与S是向量,如果闭合回路是静止的,

13、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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-6 感应电压取决于回路包围的面积S第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图3-

14、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-7 两电路间的电感性耦合第第3章章 干扰耦合机理

15、干扰耦合机理 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)。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-8 电容耦合与电感耦合的判别第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 2.带有屏蔽

16、体的电感性耦合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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-9 导体2带有屏蔽体的电感耦合第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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

17、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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

18、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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-10 屏蔽层与内导体之间互感第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-11 屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 屏蔽体与中心导体的等效电路如图3-12所示,屏蔽体上的电流IS在中心导体上感应的干扰电压为UN=jMIS(3

19、-20)其中,LS及RS为屏蔽体的电感和电阻,考虑到M=LS,由(3-20)式和(3-21)式可得:(3-21)(3-22)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-12 屏蔽体的等效电路第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 当C,(即RS/LS)时，UNjLSUS/RS;当=C=RS/LS 或 f=fC=RS/(2LS)时,|UN|=0.5|US|;当=5C=5RS/LS时,|UN|=0.98|US|。这就是说,当屏蔽体有电流IS时,中心导体上感应的干扰电压小于屏蔽体上的感应电压,而当5C时,|UN|US|(如图3-13所示)。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-13 同轴电缆

20、屏蔽体电流引起的中心导体上的感应电压第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 当图3-9所示屏蔽体两端接地时,屏蔽体电流流动会产生一个干扰(骚扰)电压进入导体2,因此,感应进入导体2的干扰(骚扰)电压有两部分:导体1的直接感应骚扰电压U12和感应的屏蔽体电流产生的骚扰电压US2。注意,这两个感应电压具有相反的极性。因此,感应进入导体2的干扰(骚扰)电压可以表示为UN=U12US2(3-23)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 根据上面的分析(参见(3-17)式、(3-18)式和(3-22)式)有(3-25)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 注意到导体1与屏蔽体间的互感M1S,等于导体1与导体

21、2间的互感M12。(相对于导体1,屏蔽体和导体2放置于空间的相同位置),则(3-23)式变为 当频率很低时,即jLSRS,则有这时,感应的干扰(骚扰)电压不随频率的增加而增加,保持一个常数,这个数与没有屏蔽时的差值就是屏蔽效果,如图3-11中阴影部分所示。(2)当图3-7的导体1(干扰源)带有一管状屏蔽体时,其干扰耦合与屏蔽体的接地方式有关,则屏蔽体两端同时接地时,如图3-14所示。(3-27(b)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-14 屏蔽体与接地面间的分流第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 在图3-14(b)中,接地回路(ARSLSBA)可列出方程jMI1=(jLS+RS)I

22、S(3-28)考虑到LS=M,由上式可得(3-29)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 式中,CRS/LS,C=2fC,fC是屏蔽体的截止频率(其值参见表3-3),当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|I1|,屏蔽体上的电流|IS|产生的磁场不能抵消中心导体电流|I1|产生的磁场,为了解决这一问题,可将屏蔽体的一端不接地面与负载

23、连接,如图3-15所示。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-15 屏蔽体单端接地第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 表3-3 屏蔽体截止频率的测量值第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 此时不管在任何频率上,|IS|均与|I1|相等,方向相反,则IS产生的磁场抵消了I1产生的磁场,使屏蔽体外不存在磁场,而抑制了磁场(电感)耦合。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.1.3 电容性耦合与电感性耦合的综合考虑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

24、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载无关。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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

25、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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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,而对于靠近负载端,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。图3-16(b)为图3-16(a)的等效电路,由上面的分析可求得,在靠近干扰源端(近端)干扰电压为(3

26、-32)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 靠近负载端(远端)的干扰电压为式中,(3-33)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-16 电容性耦合与电感性耦合的综合影响第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 表3-4给出了几种导线及传输线的电感(自感)公式。表3-5给出了导体的电阻公式。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 表3-4 几种导线及传输线的电感(自感)公式 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 表3-5 导体的电阻公式 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.2 高频耦合高频耦合前面所研究的线间耦

27、合是低频情况下的耦合,即导线长度较波长小得多的情况,在高频时,导体的电感和电容将不可忽略。此时,电抗值将随频率而变化,感抗随频率增加而增加,容抗随频率增加而减小。在无线电频率范围内,长电缆上的骚扰传播应按传输线特性来考虑,而不能按集总电路元件来考虑。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 根据传输线特性,对于长度与频率所对应的4可以比拟(或大于)的导体,其特性阻抗为。其端接阻抗应等于该导体的特性阻抗,实际上这是不大可能的。因此,在其终端会出现反射,形成驻波。在无线电频率范围内,许多实际系统中的驻波现象均有明显的骚扰耦合作用。当频率较高,其导线长度等于或大于14波长时,前面的公式就不再适用了,因为

28、不能用集总阻抗的方法来处理分布参数阻抗。此时,区别电容耦合或电感耦合已没有意义,需要用分布参数电路理论求解线上的电流波与电压波来计算线间的干扰耦合。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.2.1 分布参数电路的基本理论分布参数电路的基本理论 由电磁场理论可知,在导线或传输线上有分布电阻及分布电感,导线间有分布电容和分布电导。在低频时,或者说当波长远大于线长时,这些分布参数对线上传输的电流、电压的影响很小,而把电路作为集总参数电路来处理。当频率很高使线长可以和波长相比较时,线上的分布参数对电流、电压的影响很大,此时需要用分布参数理论来研究。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 对于分布参数电路

29、,线上任一无限小线元z上都分布有电阻Rz、电感Lz及线间分布电导Gz和电容Cz。这里R、L、G和C分别为线上单位长度的分布电阻、电感、电导和电容,其数值与传输线的形状、尺寸、导线材料及周围填充的介质参数有关。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 对于距传输线始端z处线元z的等效电路可用图3-17表示,设z处的电压和电流分别为u(z)和i(z),z+z处的电压和电流分别为u(z+z)和i(z+z),由于z,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。第第3章章

30、干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-18 传输线的高频耦合第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-19 传输线的高频耦合的等效电路第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机

31、理 图 3-20 x线元高频耦合等效电路第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 利用与方程(3-34)相同的推导方法可求出,当x0时,线上(3-40)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 求解传输线方程(3-40)式可得(3-41)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 设x=0,x=l的端接条件为(3-42)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 把(3-42)式代入(3-41)式中,可得接收线两端的干扰电压UR(0)和UR(l)为(3-43(a)(3-43(b)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 式中:第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 在上述公式中,Z

32、CR(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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.2.3 低频情况的耦合低频情况的耦合 对于低频情况,线长l,则有:并且忽略LG、LR、CG、CR的影响,则可求出:(3-44)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 式中:第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 在(3-44)式中,被干扰线上的端电UR(l)和UR(0)均是两项干扰电压的叠加,其中为两线间互感LM耦合产生的,称为电感耦合,为两线间电容CM耦合产生的,称为电容耦合,不难看出(3-44)式

33、与前节所推出的(3-32)式及(3-33)式是一致的。根据(3-44)式可得到两传输线低频耦合(电感性耦合及电容性耦合)的等效电路,如图3-21所示。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-21 传输线低频耦合的等效电路第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.3 辐射耦合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。

34、第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.3.1 电磁辐射电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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 1.电偶极子的电磁辐射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。假设沿长度方向上的电流是均匀的,导线长度l比场中任意点与电偶极子的距离小得多,即场中任意点与导线上各点的距离可认为是相等的。偶极子经传输线接于高频源上,如图3

35、-22(a)所示。高频源的传导电流在偶极子两端会中断,但偶极子两臂之间的位移电流与之构成了环路。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-22 电偶极子辐射源第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 将电偶极子中心置于直角坐标原点,l沿y轴方向,如图3-22(b)所示。设电偶极子上电流作余弦(或正弦)变化,即I=Im cost。那么,电偶极子在介电媒质中产生的电磁场(E和H)亦是时间的余弦(或正弦)函数。自由空间的电荷密度、传导电流密度JC以及电导率均为零,麦克斯韦方程的微分形式可表达为第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理(3-45)式中:为磁场强度(A/m);为电场强度(V/m)；为磁感应强

36、度(T);为电位移矢量(Q/m2)。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 由上述方程组可解得电偶极子周围的电磁场为(3-46)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 式中:Iml为电偶极子的电矩(Am);r为从坐标中心到观察点的距离(m);k为波数,电磁波传播单位长度所引起的相位变化,设电磁波的波长为,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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 1)近场区(又称感应场区)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

37、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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 2)远场区(又称辐射场区)在r(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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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。

38、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-23 电偶极子的方向图第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 表3-8 距电偶极子不同距离的场强 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 2.磁偶极子的电磁幅射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

39、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第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理(3-49)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-24 磁偶极子辐射源第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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

40、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 表3-9 距磁偶极子不同距离的场强 第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.3.2 近场区与远场区的特性近场区与远场区的特性1.近场区近场区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E有关,在传播方向没有场分量,称为横电磁(TEM)

41、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:第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-28 远场区平面波的瞬时场分布第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理(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第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理(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的表达式可获得同样的结果。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理(5

42、)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)第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理(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 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)第第3章章 干扰耦

43、合机理干扰耦合机理 3.空气波阻抗与场源特性、空气波阻抗与场源特性、波长、波长、距离的关系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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 4.导体的波阻抗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替自由空间的。导体的波阻抗以表示,有对良导体而言,有,则第第3章章

44、 干扰耦合机理干扰耦合机理 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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-29 电磁波在导体内的传播特性第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理(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

45、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.3.3 电磁波的极化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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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

46、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-30 线性极化示意第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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

47、: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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 图 3-31 椭圆极化和圆极化示意图第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 3.3.4 辐射耦合辐射耦合 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

48、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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 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

49、。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。第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 习习 题题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50 pF,导线对地分布电容为150 pF,导线1一端接100 kHz、10 V的交流信号源,如果RT为:(a)无限大阻抗;(b)1000 阻抗;(c)50 阻抗。求导线2的感应电

50、压为多少？第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 题 3 图第第3章章 干扰耦合机理干扰耦合机理 4.在题3图中的导线2外面有一接地屏蔽层,导线2与屏蔽层之间的电容量为100 pF,导线1与导线2间的电容为2 pF,导线2与地间的电容为5 pF,导线1上有一个频率为100 kHz、10 V的交流信号,设RT为:(a)无限大电阻;(b)1000;(c)50。求导线2上的感应电压为多少？5.什么是感应近场区?感应近场区有什么特点?6.什么是辐射近场区?辐射近场区有什么特点?7.什么是远场区?远场区有什么特点?8.感应近场区、辐射近场区及远场区中的电磁能量哪个大?为什么?9.感应近场区、辐射近场区及远