第三章電磁騷擾的耦合與傳輸理論 2011 3 3 電磁干擾 ElectromagneticInterference 是指電磁騷擾引起的設備 傳輸通道或系統(tǒng)性能下降 電磁騷擾 ElectromagneticDisturbance 是指任何可能引起裝置 設備或系統(tǒng)性能降低 或者對有生命物質(zhì)或無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象 電磁騷擾強調(diào)任何可能的電磁危害現(xiàn)象 電磁干擾強調(diào)這種電磁危害現(xiàn)象產(chǎn)生的結(jié)果 電磁干擾是由電磁騷擾引起的后果 復習 電磁干擾三要素 電磁干擾源 干擾傳播途徑 敏感設備 產(chǎn)生電磁干擾三要素表明 任何電磁干擾的產(chǎn)生必然存在電磁騷擾 或者騷擾電磁能量 的耦合與傳輸途徑 這里 耦合 的概念指的是電路 設備 系統(tǒng)與其它電路 設備 系統(tǒng)之間的電能量聯(lián)系 耦合起著把電磁能量從一個電路 設備 系統(tǒng) 傳輸 到另一個電路 設備 系統(tǒng)的作用 耦合途徑 是從各種電磁騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設備的通路或媒介 3 1電磁騷擾的耦合途徑定義 電磁騷擾是指任何可能引起裝置 設備或系統(tǒng)性能降低 或者對有生命物質(zhì)或無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象 耦合途徑有兩種方式 傳導耦合 通過電路耦合的干擾 例如導線傳輸 電容耦合 電感耦合 輻射耦合 通過空間傳輸?shù)母蓴_ 1 傳導耦合傳導耦合是騷擾源與敏感設備之間的主要耦合途徑之一 傳導耦合必須在騷擾源與敏感設備之間存在有完整的電路連接 電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設備 產(chǎn)生電磁干擾 傳導耦合的連接電路包括互連導線 電源線 信號線 接地導體 設備的導電構(gòu)件 公共阻抗 電路元器件等 2 輻射耦合輻射耦合是電磁騷擾通過其周圍的媒介以電磁波的形式向外傳播 騷擾電磁能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射 輻射耦合的途徑主要有天線 電纜 導線 機殼的發(fā)射對組合 通常將輻射耦合劃分為三種 天線與天線的耦合 指的是天線A發(fā)射的電磁波被另一天線B無意接收 從而導致天線A對天線B產(chǎn)生功能性電磁干擾 場與線的耦合 指的是空間電磁場對存在于其中的導線實施感應耦合 從而在導線上形成分布電磁騷擾源 線與線的感應耦合 指的是導線之間以及某些部件之間的高頻感應耦合 實際工程中 敏感設備受到電磁干擾侵襲的耦合途徑是傳導耦合 輻射耦合 感應耦合以及它們的組合 以圖2 3為例 敏感設備 即電視接收機 除受到來自雷電 汽車點火系統(tǒng) 計算機發(fā)射的輻射騷擾干擾外 也受到來自電源線上的傳導騷擾侵襲 傳導騷擾可能是空間電磁波作用于電源線形成的感應騷擾 也可能是計算機產(chǎn)生的騷擾通過電源插座以傳導方式侵襲電視接收機 正因為實際中出現(xiàn)電磁干擾的耦合途徑是多途徑 復雜難辨的 所以才使電磁騷擾變得難以控制 目前對傳導耦合的具體劃分 許多資料還存在一些分歧 一種觀點認為 傳導耦合的傳輸電路只限定于 電源線 信號線 控制線 導電部位 如地線 接地平面 機殼等 的可見性連接 將電容性耦合和電感性耦合都歸屬于輻射傳輸?shù)慕鼒龈袘詈?如下圖所示 另一種觀點認為 電容性耦合 電感性耦合以及這兩者共同作用的兩導體間的感應耦合均歸屬于傳導耦合范圍 且 傳導耦合包括通過線路的電路性耦合 以及導體間電容和互感所形成的耦合 如下圖所示 還有一種觀點認為 傳導耦合的傳輸電路是由 金屬導線或集總元件構(gòu)成 因此將導線與導線之間的分布參數(shù)耦合作為輻射耦合的一部分 如下圖所示 3 2傳導耦合的基本原理傳導耦合按其耦合方式可以劃分為三種基本方式 電路性耦合 電容性耦合 電感性耦合實際工程中 這三種耦合方式同時存在 互相聯(lián)系 3 2 1電路性耦合1 電路性傳導耦合的模型電路性耦合是最常見 最簡單的傳導耦合方式 最簡單的電路性傳導耦合模型如圖3 2所示 當電路1有電壓U1作用時 該電壓經(jīng)Z1加到公共阻抗Z12上 當電路2開路時 電路1耦合到電路2的電壓為若公共阻抗Z12中不含電抗元件時為共電阻耦合 簡稱為電阻性耦合 圖中 Z1 U1及Z12組成電路1Z2 Z12組成電路2Z12為電路1和電路2的公共阻抗 1 直接傳導耦合由式 若 則U1 U2 即電路1的電壓U1直接加至電路2 形成直接傳導耦合 騷擾經(jīng)導線直接耦合至電路是最明顯的事實 但卻往往被人們忽視 導線經(jīng)過存在騷擾的環(huán)境時 即拾取騷擾能量并沿導線傳導至電路而造成對電路的干擾 2 共阻性耦合當兩個電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時 一個電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個電路 這就是共阻抗耦合 通過公共地線阻抗的耦合 消除方法 將地線盡量縮短并加粗 以降低公共地線阻抗 地線阻抗形成的耦合騷擾 消除方法 采用一點接地 3 電源內(nèi)阻及公共線路阻抗形成的耦合 3 2 2電容性耦合1 電容性耦合模型電容性耦合 TheCapacitiveCoupling 也稱為電耦合 它是由兩電路間的電場相互作用所引起 下頁圖3 6表示一對平行導線所構(gòu)成的兩電路間的電容性耦合模型及其等效電路 假設電路1為騷擾源電路 電路2為敏感電路 兩電路間的耦合電容為C 根據(jù)等效電路圖 b 可以計算出騷擾源電路在電路2上耦合的騷擾電壓為 式中 式表明 電容性耦合引起的感應電壓正比于騷擾源的工作頻率 敏感電路對地的電阻R2 一般情況下為阻抗 耦合電容C 騷擾源電壓U1 電容性耦合主要在射頻頻率形成騷擾 頻率越高 電容性耦合越明顯 電容性耦合的騷擾作用相當于在電路2與地之間連接了一個幅度為的電流源 一般情況下 騷擾源的工作頻率 敏感電路對地的電阻R2 一般情況下為阻抗 騷擾源電壓U1是預先給定的 所以 抑制電容性耦合的有效方法是減小耦合電容C 下面我們繼續(xù)分析另一個電容性耦合模型 該模型是在前一模型的基礎上除了考慮兩導線 兩電路 間的耦合電容外 還考慮每一電路的導線與地之間所存在的電容 地面上兩導體之間電容性耦合的簡單表示如圖3 7所示 圖中 C12是導體1與導體2之間的雜散電容 C1G是導體1與地之間的電容 C2G是導體2與地之間的電容 R是導體2與地之間的電阻 電阻R出自于連接到導體2的電路 不是雜散元件 電容C2G由導體2對地的雜散電容和連接到導體2的任何電路的影響組成 圖3 7地面上兩導線間電容性耦合模型 3 4 如果R為低阻抗 且滿足那么 式 3 4 可簡化為UN j C12RU1 3 5 式 3 5 表明 電容性耦合的騷擾作用相當于在導體2與地之間連接了一個幅度為In j C12U1的電流源 式 3 5 是描述兩導體之間電容性耦合的最重要的公式 它清楚地表明了拾取 耦合 的電壓依賴于相關參數(shù) 假定騷擾源的電壓U1和工作頻率f不能改變 這樣只留下兩個減小電容性耦合的參數(shù)C12和R 減小耦合電容的方法是導體合適的取向 屏蔽導體 分隔導體 增加導體間的距離 如果R為高阻抗 且滿足 那么 式 3 4 可簡化為 3 6 式 3 6 表明 在導體2與地之間產(chǎn)生的電容性耦合騷擾電壓與頻率無關 且在數(shù)值上大于式 3 5 表示的騷擾電壓 式 3 6 給出了最大的騷擾電壓UN 圖3 8電容性騷擾耦合與頻率的關系 當頻率滿足關系 3 7 圖3 8給出了電容性耦合騷擾電壓UN的頻率響應 它是式 3 4 的騷擾電壓UN與頻率的關系曲線圖 圖3 9導體2具有屏蔽體時兩導線間電容性耦合模型 3 11 3 2 3電感性耦合1 電感性耦合模型電感性耦合 InductiveCoupling 也稱為磁耦合 它是由兩電路間的磁場相互作用所引起 當電流I在閉合電路中流動時 該電流就會產(chǎn)生與此電流成正比的磁通量 該磁通量與電流I的比值稱為電感 L I 電感的值取決于電路的幾何形狀和包含場的媒質(zhì)的磁特性 如圖3 10所示 S是閉合回路的面積 B是角頻率為 弧度 秒 的正弦變化磁通密度的有效值 TheRMSValue Un是感應電壓的有效值 3 3電磁輻射的基本理論電磁兼容問題實際上是要解決系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)間的電磁干擾問題 騷擾源產(chǎn)生的騷擾通過輻射耦合或 和 傳導耦合到接受器 在分析騷擾源時常常用到兩個基本的騷擾源 天線 模型 即表示在圖3 15中的長為l的電基本振子 短線天線 和表示在圖3 16中的磁基本振子 小圓環(huán)天線 短 和 小 是相對于其輻射的電磁波的波長而言的 即 基本振子也稱為偶極子 3 3 1電磁輻射的物理概念隨時間變化的電磁擾動是以有限速度傳播的 稱之為電磁波動或電磁波 理論和實踐都已經(jīng)證明 電磁波的電場能量和磁場能量能夠脫離場源在空間傳播 電磁能量向遠處傳播而不再返回場源的現(xiàn)象稱為電磁輻射 電磁波就其與波源的關系來看 可以分為兩類 一類是在波源附近的束縛電磁波 它的電磁能量不僅在電場能量與磁場能量之間來回轉(zhuǎn)換 而且在波源與其周圍空間之間來回轉(zhuǎn)換 某時束縛電磁波的電磁總能量是隨時間增加的 這時波源供給能量 在另外的時間 束縛電磁波的電磁總能量是隨時間減少的 波源由電磁場吸收能量 也就是束縛電磁波交出能量 束縛電磁波的能量是不向遠方輻射的 另一類是電磁能量完全輻射的 即自由電磁波 在遠離波源的地方 電磁波能量基本上完全是自由電磁波能量 在波源附近除了束縛電磁波以外 也有自由電磁波 只是束縛電磁波的能量或電磁場比自由電磁波大得多 束縛電磁波的電磁場也稱為感應場 而自由電磁波的電磁場則稱為輻射場 在離開波源相當遠的區(qū)域輻射場又比感應場強得多 產(chǎn)生輻射的直接原因是變化的電場和變化的磁場的相互轉(zhuǎn)化 麥克斯韋方程表明 電磁場變化的快慢決定了電磁場的強弱 也就決定了電磁輻射能量的多少 由于電磁場變化的快慢是由波源的頻率決定的 所以波源的頻率是直接影響電磁輻射的重要因素之一 當波源頻率很高時 電場的高速變化在空間形成強大的位移電流 位移電流接著在其鄰近空間產(chǎn)生強的磁場 而該磁場隨時間的變化又在附近產(chǎn)生變化的電場即位移電流 如此循環(huán)往復 變化的電磁場不但相互轉(zhuǎn)化而且在空間向前推進 這種推進的過程即為電磁波的輻射過程 波源頻率越高 位移電流就越強 輻射的電磁能量就越多 3 3 2基本振子電磁場分布的一般表示式1 電基本振子的電磁場分布電基本振子是指一段載有高頻電流的短導線 所謂短 是指其長度遠小于所輻射的電磁波的工作波長 這時導線上各點電流的振幅和相位可視為相同 雖然實際的線天線上各處電流的大小和相位不同 但其上的電流分布可以看成是由許多首尾相連的一系列電基本振子的電流組成 而各電基本振子上的電流可分別看作常數(shù) 因此電基本振子也稱為電流元 電流元輻射場的分析計算是線天線工程計算的基礎 2 磁基本陣子的電磁場分布磁基本陣子是一個半徑為的細導線小圓環(huán) 載有高頻時諧電流 如下圖3 16所示 當此細導線小圓環(huán)的周長遠小于波長時 可以認為流過圓環(huán)的時諧電流的振幅和相位處處相同 所以磁基本陣子也被稱為磁偶極子 磁陣子組成的平面陣 3 3 3近區(qū)場與遠區(qū)場由電基本振子和磁基本振子的電磁場分布表示式可見 電場強度和磁場強度由幾項組成 各項的數(shù)值均隨離開場源的距離的增加而減小 但是各項的減小程度不同 在的各點 電磁場主要取決于分母中含的kr的最低次冪項 而在的各點 電磁場主要取決于分母中含的kr的最高次冪項 根據(jù)這個概念 整個存在電磁場的空間分為三個區(qū) 的遠區(qū) 的近區(qū) 的中間區(qū) 1 遠區(qū)場 輻射場當時 場點P與源點的距離r遠大于波長 與這些點相應的區(qū)域稱為遠區(qū) 2 近區(qū)場 感應場當時 場點P與源點的距離r遠大于波長 與這些點相應的區(qū)域稱為近區(qū) 近區(qū)場和遠區(qū)場的性質(zhì)不同 場分布特點不同 測量方法也不同 k 相位系數(shù) 單位rad m 3 4近場的阻抗通常將空間某處的電場與磁場的橫向分量的比值稱為媒質(zhì)的波阻抗ZW 由于一般情況下電場和磁場不相同 因此波阻抗常常是復數(shù) 即電基本振子和磁基本振子遠區(qū)場的波阻抗為它等于媒質(zhì)的波阻抗 特征阻抗 在自由空間 基本振子的波阻抗可以簡化為但是近區(qū)場的波阻抗表示式復雜的多 且電基本振子和磁基本振子的近區(qū)場的波阻抗表示式完全不同 在近場 TheNearField 中 波阻抗取決于源的性質(zhì)和源到觀察點的距離 如果源具有高電流 低電壓 近場波阻抗小于媒質(zhì)的波阻抗 的特性 那么近場中占優(yōu)勢的場是磁場 相反地 如果源具有低電流 高電壓 近場波阻抗大于媒質(zhì)的波阻抗 的特性 那么近場中占優(yōu)勢的場是電場 在近場中 必須分別考慮電場和磁場 因為近區(qū)場的波阻抗不是常數(shù) 然而 在遠場 TheFarField 中 電場和磁場互相垂直且都垂直于傳播方向 形成了平面橫電磁波TEM波 具有媒質(zhì)的波阻抗 因此 當討論平面電磁波的時候 假定電場 磁場處于遠場區(qū) 當分開討論電場 磁場時 就認為電場 磁場處于近場區(qū) 3 5輻射耦合通過輻射途徑造成的騷擾耦合稱為輻射耦合 輻射耦合是以電磁場的形式將電磁能量從騷擾源經(jīng)空間傳輸?shù)浇邮芷?騷擾對象 這種傳輸路徑小至系統(tǒng)內(nèi)可想象的極小距離 大至相隔較遠的系統(tǒng)間以及星際間的距離 許多耦合都可看成是近場耦合模式 而相距較遠的系統(tǒng)間的耦合一般是遠場耦合模式 輻射耦合除了從騷擾源有意輻射之外 還有無意輻射 例如無線電發(fā)射裝置除發(fā)射有用信號外 也產(chǎn)生帶外無意發(fā)射 騷擾源以電磁輻射的形式向空間發(fā)射電磁波 把騷擾能量隱藏在電磁場中 使處于近場區(qū)和遠區(qū)場的接受器存在著被騷擾的威脅 任何騷擾必須使電磁能量進入接受器才能產(chǎn)生危害 那么電磁能量是怎樣進入接受器的呢 這就是輻射的耦合問題 一般而言 實際的輻射騷擾大多數(shù)是通過 天線 電纜導線和機殼感應進入接受器 電纜導線感應 然后沿導線傳導進入接受器 接收機的天線感應進入接受器 接受器的連接回路感應形成騷擾 金屬機殼上的孔縫 非金屬機殼耦合進入接收電路 因此 輻射騷擾通常存在四種主要耦合途徑 天線耦合 導線感應耦合 閉合回路耦合和孔縫耦合 3 5 1導體的天線效應任何載有時變電流的導體都能向外輻射電磁場 同樣 任何處于電磁場中的導體都能感應出電壓 因此 金屬導體在某種程度上可起發(fā)射天線和接收天線的作用 例如 架空配電線 信號線 控制線均起天線作用 金屬設備外殼也起天線作用 3 5 2輻射耦合方式1 天線與天線間的輻射耦合天線與天線間的輻射耦合是一種強輻射耦合 它是指某一天線產(chǎn)生的電磁場在另一天線上的電磁感應 根據(jù)耦合的作用距離可劃分為近場耦合和遠場耦合 根據(jù)耦合作用的目的可劃分為有意耦合和無意耦合 一般按照不同的性能要求和用途 采用金屬導體做成特定形狀 用于接收電磁波的裝置就是天線 當電磁波傳播到天線導體表面時 電磁波的電場和磁場的高頻振蕩在天線導體中引起電磁感應 從而產(chǎn)生感應電流 經(jīng)饋線流入接收