第2,3章 電磁干擾源及耦合分析

2.1電磁干擾源及其特性分析,2.3電路性干擾,2.4電容性耦合,2.5電感性耦合,2.6輻射干擾,2.7敏感設備及其特性分析,2.2電磁干擾的傳播及其特性分析,2.1電磁干擾源及其特性分析,電磁干擾源,電磁干擾源的分類,常見干擾源的頻譜范圍,頻譜寬度,幅度,波形,出現(xiàn)率,方向性,極化特性,電磁干擾源的特性分析,電磁干擾能量的頻率分布特性,頻譜寬度,窄帶干擾:是指主要能量頻譜落在測量接收機的通帶之內(nèi)。頻譜沒有覆蓋2個以上的10倍頻程,帶寬一般只有幾十赫茲，最寬只有幾十萬赫茲。,寬帶干擾:是指能量頻譜相當寬，頻譜覆蓋2個以上的10倍頻程,帶寬為幾十兆赫茲至幾百兆赫茲，甚至更寬。,根據(jù)干擾的頻譜寬度，可分為：,如調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、基本電源輸出及諧波等。,一般由上升時間和下降時間很短的窄脈沖形成,各頻段內(nèi)的干擾功率（或場強）隨時間的分布,確定分布：如基波、諧波,隨機分布：如沖擊噪聲、熱噪聲,幅度或電平,決定電磁干擾頻譜寬度的一個重要因素,波形,電磁干擾隨時間出現(xiàn)的規(guī)律,周期性：在指定時間內(nèi)按一定的周期重復出現(xiàn)非周期性：出現(xiàn)時間是確定的、可預測的，但不具有周期性隨機性：表現(xiàn)特性沒有規(guī)律，不能預測,出現(xiàn)率,取決于天線的極化方式。水平極化、垂直極化、圓極化等,取決于天線的方向圖。主瓣寬度、副瓣電平、前后比、增益等,方向性,極化特性,b、輻射耦合,a、傳導耦合,2.2電磁干擾的傳播及其特性分析,電磁干擾的傳播途徑,b、輻射耦合,a、傳導耦合,a2、電容性耦合,a3、電感性耦合,a1、電阻性耦合,b1、近場感應耦合,b2、遠場輻射耦合,b12、磁感應,b11、電感應,電磁干擾的傳播途徑,通過導體傳輸?shù)碾姶鸥蓴_，主要通過傳輸線路的電流和電壓起作用，傳導干擾頻譜可延伸到1GHz以上。在不同的頻率下，傳輸線路呈現(xiàn)不同的特性，應采用不同的電路模型和分析方法。,根據(jù)工作頻率與線長的關(guān)系劃分為：,低頻傳輸線路模型高頻傳輸線路模型,傳導耦合的傳輸線路性質(zhì),傳導耦合,傳輸線路的等效電路模型,低頻電路的等效模型集總參數(shù)電路模型,低頻電路條件,模擬電路：,數(shù)字電路：，傳輸速度脈沖寬度,低頻傳輸線路模型集總參數(shù)電路模型,高頻電路（l）的等效模型分布參數(shù)電路模型,傳輸線形式,分布參數(shù),同軸線：D外導體直徑，d內(nèi)導體直徑,平行線：D兩導體間距，d導體直徑,兩種典型傳輸線的分布參數(shù),幾種典型傳輸線的特性阻抗,平行雙導線,同軸線,地平面上方的導線,共模干擾與差模干擾,共模干擾與差模干擾,通常線路上兩種干擾分量同時存在。干擾在線路上經(jīng)過長距離傳輸后，差模分量衰減要比共模分量大，且共模分量傳輸時會向周圍空間輻射，差模分量不會輻射。因此，大部分電源干擾均由共模分量引起。,2.3電阻性干擾,電阻性干擾：兩個回路經(jīng)公共阻抗而形成的干擾。,電阻性干擾模型,共用接地阻抗上的地電流形成一共模噪聲電壓Ui，使回路ABCDEFGHA和回路ABCIJFGHA上流動者噪聲電流，此噪聲電流會在放大器或邏輯電路輸入端產(chǎn)生一電位差，而差電位差即為電磁干擾的來源。,電阻性干擾實例,U02在耦合阻抗Zk產(chǎn)生的干擾電壓降,流經(jīng)Zk的干擾電流,電阻性干擾的等效電路,討論：,兩個回路一點接觸，彼此不再互相干擾。,流經(jīng)回路1中Z11的干擾電流,（直接耦合）,(1),(2),電路性干擾的計算實例：,50Hz、115V交流電源的中性地線與負載地線都接于1mm厚鋼板上，試計算其接地阻抗上的電流及共模干擾電壓。負載的消耗功率為1kW，電源的第10次諧波約為基頻的2。,解：,負載阻抗,1mm鋼板的接地面阻抗Zc:在50Hz時，約為108，在500Hz時，約為300,忽略導線阻抗和電源內(nèi)阻，且,接地阻抗上的電流,50Hz時,10次諧波，500Hz時,電阻,感抗：,內(nèi)自感：,外自感：,電阻性干擾的抑制,導線的阻抗特性,阻抗：,a、讓兩個電流回路或系統(tǒng)彼此無關(guān)。信號相互獨立，避免電路的連接。,b、限制耦合阻抗，越低越好。導線的電阻和電感越低越好。,c、電路去耦。各個不同回路之間僅在惟一的一點作電連接，達到電流回路間電路去耦的目的。,強弱電隔離繼電器變壓器光電耦合,d、電氣隔離。,電阻性干擾的抑制方法,2.4電容性耦合,電容性耦合的干擾電壓,干擾電壓：,低阻（或低頻）,高阻（或高頻）,耦合電壓公式的簡化,電容性耦合的頻率特性,【解】,【例】已知：U110V、f10MHz、導線半徑r1mm、線間距d20mm、導線離地高度h10mm、線長l1m。(1)R50；(2)R1M。分別求導線2上的干擾電壓。,耦合系數(shù)：,則：（1）90dB；（2）9.5dB。,電容性耦合的抑制,針對干擾源和被干擾對象,針對減小耦合電容,平衡措施,平衡條件：,實例：,屏蔽對電容性耦合的影響,結(jié)論：屏蔽體必須接地。,故,若屏蔽體接地，則,比較,導體2完全屏蔽,考慮屏蔽體已接地，即CSG=0，則,結(jié)論：導體2上的干擾電壓取決于外露部分的長度，越短越好！,則,導體2部分屏蔽,2.5電感性耦合,低電壓、大電流干擾源產(chǎn)生的磁耦合干擾,電感性耦合：當導線上的電流發(fā)生變化時，周圍的磁場將發(fā)生變化。此時，若有另外的導線在這個變化的磁場中，則導線上會產(chǎn)生感應電動勢。于是一根導線上的信號就耦合進了另一根導線。這就是電感性耦合，又稱磁耦合。,忽略I2對I1的影響，則,電感性耦合的干擾電壓,【例】兩根導線，長度l1=l2=1m，半徑r=0.5mm，相距d=30mm，距接地金屬平面高度h1=h2=10mm。干擾源負載Z11=100，受干擾回路負載Z21=Z22=100，設干擾頻率f=1MHz，干擾源電壓U1=10V，求負載受到的干擾電壓為多少？,【解】,耦合系數(shù)：,干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應使電流變化幅度和變化率盡可能的??；,被干擾系統(tǒng)應盡可能的設計成低阻及高信噪比系統(tǒng)；,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應盡可能緊湊，且彼此空間上相互隔離。,兩個系統(tǒng)的耦合部分的布置應使互感盡量??；例如：增大間距、減少導線長度、避免平行走線等。,采用平衡措施消除電感性干擾；,對干擾源和被干擾對象進行磁屏蔽。,電感性耦合的抑制,針對干擾源和被干擾對象,針對減小耦合電感,1）絞合,2）避免平行布線,3）增大間距,dh,屏蔽體不接地：對磁耦合沒有影響;,屏蔽體一端接地：對磁耦合也沒有影響;,屏蔽體兩端接地：形成回路，對磁耦合有影響;,屏蔽對電感性耦合的影響,設，則，故,屏蔽體上的感應電流,屏蔽體與導體2之間的磁耦合,結(jié)論：低頻時，屏蔽與非屏蔽相同，屏蔽無用；高頻時，（5倍頻以上時）干擾基本保持常數(shù)。,導體2上的耦合電壓,采用屏蔽體單端接地的方法，可以解決前面出現(xiàn)的問題,此時無論在任何頻率上，總有，且方向相反，IS產(chǎn)生的磁場抵消了I1產(chǎn)生的磁場，屏蔽體外磁場為零，從而抑制了電感耦合。,屏蔽體截止頻率測量值,雙絞線對磁場干擾的抑制,電容性耦合：,電感性耦合：,受干擾導體與地之間的并聯(lián)干擾電流源,受干擾導體與地之間的串聯(lián)干擾電壓源,電容性耦合與電感性耦合的判定,實際電路的串擾耦合,Z21,Z22,UN1C,UN2C,Z21,Z22,UN1L,UN2L,UN1UN1CUN1L,UN2UN2CUN2L,2.6輻射干擾,電磁輻射：電磁能量脫離場源在空間傳播，且不再返回場源的現(xiàn)象,輻射干擾：以電磁波形式傳播的干擾,除了干擾源的有意輻射之外，還有無意輻射，如有短單極天線作用或起小環(huán)天線作用的線路和電纜，都可能向外輻射電磁能量,輻射耦合的基本途徑：,天線天線，天線電纜天線機殼，電纜機殼機殼機殼，電纜電纜,實際輻射耦合途徑：,通過天線、電纜導線、機殼感應進入接收器,通過電纜導線感應、沿導線傳導進入接收器,通過接收機的天線感應進入接收器,通過接收器的連接回路感應形成騷擾進入接收器,通過金屬機殼上的孔縫、非金屬機殼耦合進入接收電路,主要輻射耦合途徑：,天線耦合、導線感應耦合、閉合回路耦合和孔縫耦合,基本輻射源,a、電偶極子電流元b、磁偶極子小電流回路,2.6.1基本輻射干擾,1、電偶極子(Il)輻射,場的電尺寸及場區(qū)劃分,（1）近區(qū)場（感應場）,（2）遠區(qū)場（輻射場）,距電偶極子不同距離的場強(I=1A,l=1cm),2、磁偶極子(IS)輻射,（1）近區(qū)場（感應場）,感應場的特點：,電場1/r2,磁場1/r3；電場f,磁場與f無關(guān)；電場與磁場存在/2的相位差；能量相互轉(zhuǎn)換、振蕩，不會向外傳輸。感應場又稱為似穩(wěn)場。,（2）遠區(qū)場（輻射場）,輻射場的特點：,電場1/r,磁場1/r；電場f2,磁場f2；電場與磁場同相位；有電磁能量向外輻射。,3.波阻抗,波阻抗：電場的橫向分量與磁場的橫向分量的比值，即,（1）電偶極子,特點：；,遠區(qū)：,近區(qū)：,（2）磁偶極子,近區(qū)：,結(jié)論：電偶極子的近區(qū)場為高阻抗場；磁偶極子的近區(qū)場為低阻抗場；,特點：，,遠區(qū)：,注意：,在感應場中，感應情況不僅取決于場源性質(zhì)及耦合方式，還取決于被感應導體的狀況、所在位置及周圍環(huán)境條件，甚至感應體的存在還會擾亂原來的電磁場分布。,在感應場中測量電磁干擾數(shù)據(jù)對距離十分敏感，應注明測量距離和測量天線規(guī)格。大部分設備內(nèi)的布局屬于近場范圍，有意識地利用空間距離衰減可降低對屏蔽設計要求的。,理想的電偶極子和磁偶極子是不存在的。桿狀天線及電子設備內(nèi)部的高電壓小電流元器件，可視為等效的電偶極子場源。環(huán)狀天線及設備中的一些低電壓大電流元器件以及電感線圈等可視為等效的磁偶極子場源。,2.6.2輻射對電路的干擾,干擾分類：共模干擾，異模干擾,則回路中的感應電勢,設入射波為均勻平面波,1.輻射共模干擾,用電場來計算,共模耦合系數(shù)(以1V/(V/m)為0dB)：,則,最壞的情況：,或，則,或,共模耦合系數(shù),討論：,低頻情況：,當，即時，干擾最大,或,【例】兩個設備連線長l=10m，離地高度h=10cm，對應的電場強度E0=10V/m。設f1=1MHz，f2=10MHz，分別求對應的Ui和CMC。,（2）,【解】（1）,計算公式同共模干擾，將h替換為d即可。,2.輻射異模干擾,用磁場來計算,共模耦合系數(shù)(以1V/T為0dB)：,輻射屏蔽：在干擾源與干擾對象之間插入金屬屏蔽物，阻擋干擾的傳播。,極化：若干擾為水平極化，則敏感設備垂直放置，則可以有效地減少干擾。,距離隔離：當r大，場能量會快速減