中南大學電磁兼容報告實驗報告

1、電磁兼容實驗報告學院：信息科學與工程學院班級： 測控1100班 學號： 09091100000 姓名： 開墾開 2014年5月26日實驗一 電基本振子仿真實驗一、實驗目的：通過MATLAB編程，熟悉電基本陣子和對稱陣子的輻射特性，了解影響對稱陣子輻射的因素及其變化對輻射造成的影響二、實驗環(huán)境：MATLAB軟件三、實驗原理：1電基本振子的輻射 電基本振子（Electric Short Dipole）又稱電流元，它是指一段理想的高頻電流直導線，其長度l遠小于波長，其半徑a遠小于l，同時振子沿線的電流I處處等幅同相。用這樣的電流元可以構(gòu) 成實際的更復雜的天線，因而電基本振子的輻射特性是研究更復雜天線

2、輻射特性的基礎。圖3-1 電基本振子的坐標電基本振子在無限大自由空間中場強的表達式為： （2-1）電基本振子的輻射場可以分為近區(qū)場和遠區(qū)場。如果kr<<1即（r<</(2)）的區(qū)域稱為近區(qū)，近區(qū)場的另一個重要特點是電場和磁場之間存在/2的相位差，于是坡印廷矢量的平均值為0，能量在電場和磁場以及場與源之間交換而沒有輻射，所以近區(qū)場也稱為感應場，本實驗不涉及。本實驗計算的遠區(qū)場kr>>1（即r>>/(2)的區(qū)域稱為遠區(qū)），在此區(qū)域內(nèi)，電基本振子滿足條件：則遠區(qū)場表達式為： （2-2）可見場強只有兩個相位相同的分量（E,H）。根據(jù)方向函數(shù)可定義： （2

3、-3）可得電基本振子的方向函數(shù)為： （2-4）根據(jù)歸一化方向函數(shù)定義： （2-5）可得電基本陣子歸一化方向函數(shù)為：F(,)=|sin| （2-6）將方向函數(shù)用曲線描繪出來，稱之為方向圖(Fileld Pattern)。方向圖就是與天線等距離處，天線輻射場大小在空間中的相對分布隨方向變化的圖形。依據(jù)歸一化方向函數(shù)而繪出的為歸一化方向圖。在實際中，工程上常常采用兩個特定正交平面方向圖。在自由空間中，兩個最重要的平面方向圖是E面和H面方向圖。E面即電場強度矢量所在并包含最大輻射方向的平面；H面即磁場強度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。方向圖可用極坐標繪制，角度表示方向，矢徑表示場強大小。2 對稱陣

4、子的輻射對稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長導線構(gòu)成的振子天線。一臂的導線半徑為a，長度為l。兩臂之間的間隙很小，理論上可忽略不計，所以振子的總長度L=2l。對稱振子的長度與波長相比擬，本身已可以構(gòu)成實用天線。  圖3-2 對稱振子結(jié)構(gòu)及坐標圖由教材可知對稱陣子輻射場為（2-7）根據(jù)方向函數(shù)的定義，對稱振子以波腹電流歸算的方向函數(shù)為 ： （2-8）上式實際上也就是對稱振子E面的方向函數(shù)四、實驗內(nèi)容及步驟：根據(jù)電基本陣子、對稱振子的方向函數(shù)，利用MATLAB編程并畫出其方向圖。步驟一：編寫MATLAB程序，并保存為*.M文件（*代表文件名自起）實驗程序：Untitled1.msita=

5、meshgrid(eps:pi/180:pi);fai=meshgrid(eps:2*pi/180:2*pi);f=abs(sin(sita);fmax=max(max(f);a=linspace(0,2*pi);f=sin(a);subplot(1,1,1),polar(a,abs(f);title('電基本振子E平面');仿真圖：步驟二在MATLAB中打開編寫的*.M文件，閱讀并分析整個程序，分析每條語句的作用，學習每個命令函數(shù)的用法。將程序中的內(nèi)容和原理部分相對照，找出所編寫程序的理論依據(jù)，分析程序為什么對公式這樣處理。實驗程序：Untitled2.msita=meshg

6、rid(eps:pi/180:pi);fai=meshgrid(eps:2*pi/180:2*pi)'f=abs(sin(sita);fmax=max(max(f);x,y,z=sph2cart(fai,pi/2-sita,f/fmax);subplot(1,1,1),mesh(x,y,z);axis(-1 1 -1 1 -1 1);title('電基本振子空間主體方向圖');仿真圖：步驟三實驗程序：Untitled3.mlamda=input('enter the value of wave length=');l=input('enter y

7、our dipole length l=');ratio=l/lamda;B=(2*pi/lamda);theta=pi/100:pi/100:2*pi;if ratio<=0.1 E=sin(theta); En=abs(E); polar(theta,En)else f1=cos(B*l/2.*cos(theta); f2=cos(B*l/2); f3=sin(theta); E=(f1-f2)./f3; En=abs(E); polar(theta,En)end輸入波長=10，天線長度2L=2，畫出天線方向圖仿真圖：步驟四：輸入波長=10，振子長度2L=4，畫出天線方向圖步

8、驟五：輸入波長=10，振子長度2L=13，畫出天線方向圖步驟六：輸入波長=10，振子長度2L=15，畫出天線方向圖步驟七：輸入波長=10，振子長度2L=20，畫出天線方向圖步驟八：輸入波長=10，振子長度2L=30，畫出天線方向圖五、實驗小結(jié)通過MATLAB編程，熟悉電基本陣子和對稱陣子的輻射特性，了解影響對稱陣子輻射的因素及其變化對輻射造成的影響。當導體長度L為四分之一的波長的整數(shù)倍時，該導體在該波長的頻率上呈諧振特性。熟悉了MATLAB的基本使用方法，對電基本陣子及對稱陣子輻射有了深入的了解，為以后的學習打下了基礎。實驗二 磁偶極子仿真實驗一、實驗目的：通過MATLAB編程，熟悉磁基本振子

9、的輻射特性二、實驗環(huán)境：MATLAB軟件三、實驗原理磁基本振子就是理想的磁偶極子，如圖 1 所示。任何載流細導線回路 L 都可看成一個磁偶極子。注意回路 L 不能翹曲，即回路 L 應該是某任意平面內(nèi)的閉合曲線。當 L 趨于零，就過度到理想磁偶極子。磁基本振子如下圖 1 所示，是一個在 x y 平面上半徑為 a 的細導線小圓環(huán)。導線的線徑可忽略，導線上電流可用線電流近似。圓環(huán)上載有高頻時諧電流 i( t) = Jmcos ( t + ) ，故 其 相 量 表 示 是 I =Jmej，圓環(huán)半徑 a 比波長 小得多，即 a ，故可假設圓環(huán)上任何地方電流的振幅和相位處處相等。該磁基本振子的偶極矩 M

10、定義為M= IS= IS z0( 1)式中，I 是復數(shù)表示的電流，S 是回路 L 的有向面積，S 的方向與 L 的繞向滿足右手螺旋關(guān)系。因為 S 在 x y 平面，且逆時針轉(zhuǎn)，故 S 的方向就是坐標軸 z 的正方向 Z0。要求解圖 1 所示的磁基本振子 m 輻射的電磁場可以先求出 m 產(chǎn)生的矢量位 A，然后求磁場強度H 和電場強度 E。根據(jù)圖 1，磁基本振子 m 產(chǎn)生的矢量位 A 為式中的積分嚴格計算比較困難，但因r=a<<，所以其中的指數(shù)因子可以近似為并且忽略高次項，矢量磁位的近似表達式為其中后一項的積分為零于是代入可得磁基本振子的磁場為由上式可得：另外，由磁基本振子的遠區(qū)輻射場

11、： 磁基本振子的遠區(qū)輻射場具有以下特點： 磁基本振子的輻射場也是TEM非均勻球面波。 。 電磁場與1/r成正比。 與電基本振子的遠區(qū)場比較，只是E、H的取向互換，遠區(qū)場的性質(zhì)相同。其標量磁位為：直角坐標系中可以確定空間任意一點P的坐標與距離R的關(guān)系：四、實驗內(nèi)容及步驟：根據(jù)磁基本陣子的方向函數(shù)，利用MATLAB編程并畫出其方向圖。步驟一：編寫MATLAB程序，并保存為*.M文件（*代表文件名自起）Untitled4.mclear;clf;r=0.001;s=pi*r2;I=2e-6;a=0,b=-0.15;X,Z=meshgrid(-2:0.1:2);R=sqrt(X.2+Z.2);cos=Z

12、./R;Um=I*s*cos./(4*pi*R.2);Hx,Hz=gradient(-Um);AH=sqrt(Hx.2+Hz.2);Hx=Hx./AH;Hz=Hz./AH;ch=linspace(min(min(Um),max(max(Um),200);contourf(X,Z,Um,ch,'k-'); hold on;plot(a,b,'ro',a,b,'r+'); hold on;plot(a,-b,'ro',a,-b,'r-'); hold on;title('磁偶極子的場分布');hold

13、on;grid onquiver(X,Z,Hx,Hz,0.5);hold off步驟二：運行，得到仿真圖實驗三 電感耦合對電路性能的影響電力系統(tǒng)中，在電網(wǎng)容量增大、輸電電壓增高的同時，以計算機和微處理器為基礎的繼電保護、電網(wǎng)控制、通信設備得到廣泛采用。因此，電力系統(tǒng)電磁兼容問題也變得十分突出。例如，集繼電保護、通信、SCADA功能于一體的變電站綜合自動化設備，通常安裝在變電站高壓設備的附近，該設備能正常工作的先決條件就是它能夠承受變電站中在正常操作或事故情況下產(chǎn)生的極強的電磁干擾。此外，由于現(xiàn)代的高壓開關(guān)常常與電子控制和保護設備集成于一體，因此，對這種強電與弱電設備組合的設備不僅需要進行高電壓

14、、大電流的試驗，同時還要通過電磁兼容的試驗。GIS的隔離開關(guān)操作時，可以產(chǎn)生頻率高達數(shù)兆赫的快速暫態(tài)電壓。這種快速暫態(tài)過電壓不僅會危及變壓器等設備的絕緣，而且會通過接地網(wǎng)向外傳播，干擾變電站繼電保護、控制設備的正常工作。隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，電磁兼容技術(shù)的重要性日益顯現(xiàn)出來。一、實驗目的通過運用Multisim仿真軟件，了解此軟件使用方法，熟悉電路中因電感耦合造成的電磁兼容性能影響。二、實驗環(huán)境：Multisim仿真軟件三、實驗原理：1.耦合（1）耦合元件：除二端元件外，電路中還有一種元件，它們有不止一條支路，其中一條支路的帶壓或電流與另一條支路的電壓或電流相關(guān)聯(lián)，該類元件稱為偶合元件

15、。（2）磁耦合：如果兩個線圈的磁場村相互作用，就稱這兩個線圈具有磁耦合。（3）耦合線圈：具有磁耦合的兩個或兩個以上的線圈，稱為耦合線圈。（4）耦合電感：如果假定各線圈的位置是固定的，并且忽略線圈本身所具有的電阻和匝間分布電容，得到的耦合線圈的理想模型就稱為耦合電感。自感磁鏈：= =互感磁鏈：= =2.伏安關(guān)系耦合線圈中的總磁鏈：= =根據(jù)法拉第電磁感定律及楞次定律：電路變化將在線圈的兩端產(chǎn)生自感，電壓UL1，UL2和互感電壓UM21，UM12。于是有： 兩線圈的總電壓U1和U2應是自感電壓和互感電壓的代數(shù)和。即： 仿真圖：圖中，信號源選擇sources中的AC power，互感線圈選擇Basi

16、c Virtual中的TS Virtual元件1、a 斷開T1的二次側(cè)，觀察R1端電壓波形實驗結(jié)果：b 連接T1的二次側(cè)，觀察T1一、二次側(cè)電阻端電壓波形，并記錄實驗結(jié)果：2、a 將電路T1的二次側(cè)換成一低頻信號源，頻率設置為10Hz、50Hz 、100Hz，分別記錄T1一、二次側(cè)電壓波形實驗結(jié)果：10Hz50Hz100Hzb將電路T1的二次側(cè)換成一高頻信號源，頻率設置為1Khz、5KHz，并分別記錄其波形實驗結(jié)果：1Khz5KHz四、總結(jié)基于實驗結(jié)果的比較，可以了解電路設計中電磁兼容方面的影響，加深我們對電路性能的影響分析。實驗四 電容耦合對電路性能的影響一、 實驗目的：1. 研究旁路電容對

17、電路性能的影響2. 研究耦合電容對電路性能的影響。二、 實驗儀器：Multisim仿真軟件三、 實驗原理：在通常電路仿真中，線路間影響理想為沒有，但實際應用中，如制作PCB板中，線路間會產(chǎn)生部分電容，即兩線路因空間距離的影響而在線路間產(chǎn)生的空間電容，若在設計中不考慮此電容影響，實際運用中，我們的電路板性能將遭受很大的影響，甚至不能正常工作。這種影響我們稱為電磁兼容性影響上圖為一PCB板圖，圖中藍線為電路走線，這樣各個線路間或大或小的就會產(chǎn)生部分電容，實驗中我們用具體的電容模擬PCB板中的部分電容，來觀察它對理論輸出的影響。電路圖1電路圖四、 實驗內(nèi)容：1、 改變C1、C2、C3、C4的大小，觀

18、察波形輸出并記錄2、 改變V1的頻率，觀察輸出波形并記錄，頻率設置1hz、50hz、500hz、1khz1Hz50Hz500Hz1000Hz3、保持V1不變，將V2接入電路，改變V2的頻率，觀察輸出波形并記錄，頻率設置同上仿真圖如下：4、查閱相關(guān)資料，總結(jié)改善電路電磁兼容性的方法，寫入實驗報告。提高電子電路的抗干擾能力的電磁兼容性的方法：很多電子產(chǎn)品都需要有電磁抗干擾能力,在研制帶處理器的電子產(chǎn)品時，如何提高抗干擾能力和電磁兼容性？1、下面的一些系統(tǒng)要特別注意抗電磁干擾：(1) 微控制器時鐘頻率特別高，總線周期特別快的系統(tǒng)。(2) 系統(tǒng)含有大功率，大電流驅(qū)動電路，如產(chǎn)生火花的繼電器，大電流開關(guān)

19、等。(3) 含微弱模擬信號電路以及高精度A/D變換電路的系統(tǒng)。2、為增加系統(tǒng)的抗電磁干擾能力采取如下措施：(1) 選用頻率低的微控制器：選用外時鐘頻率低的微控制器可以有效降低噪聲和提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同樣頻率的方波和正弦波，方波中的高頻成份比正弦波多得多。雖然方波的高頻成份的波的幅度，比基波小，但頻率越高越容易發(fā)射出成為噪聲源，微控制器產(chǎn)生的最有影響的高頻噪聲大約是時鐘頻率的3倍。(2) 減小信號傳輸中的畸變微控制器主要采用高速CMOS技術(shù)制造。信號輸入端靜態(tài)輸入電流在1mA左右，輸入電容10PF左右，輸入阻抗相當高，高速CMOS電路的輸出端都有相當?shù)膸лd能力，即相當大的輸出值，將一個門的輸

20、出端通過一段很長線引到輸入阻抗相當高的輸入端，反射問題就很嚴重，它會引起信號畸變，增加系統(tǒng)噪聲。當TpdTr時，就成了一個傳輸線問題，必須考慮信號反射，阻抗匹配等問題。信號在印制板上的延遲時間與引線的特性阻抗有關(guān)，即與印制線路板材料的介電常數(shù)有關(guān)?？梢源致缘卣J為，信號在印制板引線的傳輸速度，約為光速的1/3到1/2之間。微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)中常用邏輯電話元件的Tr（標準延遲時間）為3到18ns之間。在印制線路板上，信號通過一個7W的電阻和一段25cm長的引線，線上延遲時間大致在420ns之間。也就是說，信號在印刷線路上的引線越短越好，最長不宜超過25cm。而且過孔數(shù)目也應盡量少，最好不多于2個。

21、當信號的上升時間快于信號延遲時間，就要按照快電子學處理。此時要考慮傳輸線的阻抗匹配，對于一塊印刷線路板上的集成塊之間的信號傳輸，要避免出現(xiàn)TdTrd的情況，印刷線路板越大系統(tǒng)的速度就越不能太快。用以下結(jié)論歸納印刷線路板設計的一個規(guī)則：信號在印刷板上傳輸，其延遲時間不應大于所用器件的標稱延遲時間。(3) 減小信號線間的交*干擾：A點一個上升時間為Tr的階躍信號通過引線AB傳向B端。信號在AB線上的延遲時間是Td。在D點，由于A點信號的向前傳輸，到達B點后的信號反射和AB線的延遲，Td時間以后會感應出一個寬度為Tr的頁脈沖信號。在C點，由于AB上信號的傳輸與反射，會感應出一個寬度為信號在AB線上的

22、延遲時間的兩倍，即2Td的正脈沖信號。這就是信號間的交*干擾。干擾信號的強度與C點信號的di/at有關(guān)，與線間距離有關(guān)。當兩信號線不是很長時，AB上看到的實際是兩個脈沖的迭加。CMOS工藝制造的微控制由輸入阻抗高，噪聲高，噪聲容限也很高，數(shù)字電路是迭加100200mv噪聲并不影響其工作。若圖中AB線是一模擬信號，這種干擾就變?yōu)椴荒苋萑獭Ｈ缬∷⒕€路板為四層板，其中有一層是大面積的地，或雙面板，信號線的反面是大面積的地時，這種信號間的交*干擾就會變小。原因是，大面積的地減小了信號線的特性阻抗，信號在D端的反射大為減小。特性阻抗與信號線到地間的介質(zhì)的介電常數(shù)的平方成反比，與介質(zhì)厚度的自然對數(shù)成正比。

23、若AB線為一模擬信號，要避免數(shù)字電路信號線CD對AB的干擾，AB線下方要有大面積的地，AB線到CD線的距離要大于AB線與地距離的23倍?？捎镁植科帘蔚兀谟幸Y(jié)的一面引線左右兩側(cè)布以地線。(4) 減小來自電源的噪聲電源在向系統(tǒng)提供能源的同時，也將其噪聲加到所供電的電源上。電路中微控制器的復位線，中斷線，以及其它一些控制線最容易受外界噪聲的干擾。電網(wǎng)上的強干擾通過電源進入電路，即使電池供電的系統(tǒng)，電池本身也有高頻噪聲。模擬電路中的模擬信號更經(jīng)受不住來自電源的干擾。(5) 注意印刷線板與元器件的高頻特性在高頻情況下，印刷線路板上的引線，過孔，電阻、電容、接插件的分布電感與電容等不可忽略。電容的分布

24、電感不可忽略，電感的分布電容不可忽略。電阻產(chǎn)生對高頻信號的反射，引線的分布電容會起作用，當長度大于噪聲頻率相應波長的1/20時，就產(chǎn)生天線效應，噪聲通過引線向外發(fā)射。印刷線路板的過孔大約引起0.6pf的電容。一個集成電路本身的封裝材料引入26pf電容。一個線路板上的接插件，有520nH的分布電感。一個雙列直扦的24引腳集成電路扦座，引入418nH的分布電感。這些小的分布參數(shù)對于這行較低頻率下的微控制器系統(tǒng)中是可以忽略不計的；而對于高速系統(tǒng)必須予以特別注意。(6) 元件布置要合理分區(qū)元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題，原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上，要把模擬信號部

25、分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源部分（如繼電器，大電流開關(guān)等）這三部分合理地分開，使相互間的信號耦合為最小。G 處理好接地線印刷電路板上，電源線和地線最重要?？朔姶鸥蓴_，最主要的手段就是接地。對于雙面板，地線布置特別講究，通過采用單點接地法，電源和地是從電源的兩端接到印刷線路板上來的，電源一個接點，地一個接點。印刷線路板上，要有多個返回地線，這些都會聚到回電源的那個接點上，就是所謂單點接地。所謂模擬地、數(shù)字地、大功率器件地開分，是指布線分開，而最后都匯集到這個接地點上來。與印刷線路板以外的信號相連時，通常采用屏蔽電纜。對于高頻和數(shù)字信號，屏蔽電纜兩端都接地。低頻模擬信號用的屏蔽電纜，一端接地為好

26、。對噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴重的電路應該用金屬罩屏蔽起來。(7) 用好去耦電容。好的高頻去耦電容可以去除高到1GHZ的高頻成份。陶瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設計印刷線路板時，每個集成電路的電源，地之間都要加一個去耦電容。去耦電容有兩個作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容為0.1uf的去耦電容有5nH分布電感，它的并行共振頻率大約在7MHz左右，也就是說對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦作用，對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。1uf，10uf電容，并行共振頻率在20MHz以上，去除高頻率噪聲的效果要好一些。在電源進入印刷板的地方和一個1uf或10uf的去高頻電容往往是有利的，即使是用電池供電的系統(tǒng)也需要這種電容。每10片左右的集成電路要加一片充放電電容，或稱為蓄放電容，電容大小可選10uf。最好不用電解電容，電解電容是兩層溥膜卷起來的，這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時表現(xiàn)為電感，最好使用膽電容或聚碳酸醞電容。去耦電容值的選取并不嚴格，可按C=1/f計