第六章電纜設(shè)計(jì)第七講PPT課件

1、2021-11-171一、教學(xué)內(nèi)容及時(shí)間安排一、教學(xué)內(nèi)容及時(shí)間安排6 61 1 傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合6 61 1 電容性耦合電容性耦合6 61 1 電感性耦合電感性耦合6. 1 6. 1 電容性耦合與電感性耦合的綜合考慮電容性耦合與電感性耦合的綜合考慮6 62 2 高頻耦合高頻耦合6 62 2 分布參數(shù)電路的基本理論分布參數(shù)電路的基本理論6 62 2 高頻線間的耦合高頻線間的耦合6. 2 6. 2 低頻情況的耦合低頻情況的耦合6 63 3 輻射耦合輻射耦合6 63. 3. 基本振子的電磁場分布基本振子的電磁場分布6 63 3輻射耦合輻射耦合6 64 4 處在電磁場中的傳輸線和電纜處在電磁場中的傳輸

2、線和電纜6 64 4 場到線的共模耦合與異模耦合場到線的共模耦合與異模耦合二、教學(xué)目的及要求二、教學(xué)目的及要求 通過這部分內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)員理解傳導(dǎo)干通過這部分內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)員理解傳導(dǎo)干擾的電耦合途徑，了解電路性干擾的抑制方法，擾的電耦合途徑，了解電路性干擾的抑制方法，電容性干擾的抑制方法，抑制磁耦合干擾的措施。電容性干擾的抑制方法，抑制磁耦合干擾的措施。 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第1頁/共58頁2021-11-172三、本次課重點(diǎn)與難點(diǎn)三、本次課重點(diǎn)與難點(diǎn)1 1掌握傳導(dǎo)干擾的一般性質(zhì)，了解傳導(dǎo)干擾傳輸線路的性質(zhì)。掌握傳導(dǎo)干擾的一般性質(zhì)，了解傳導(dǎo)干擾傳輸線路的性質(zhì)。2 2掌握傳導(dǎo)干擾電耦合途

3、徑，電路性干擾的抑制方法，磁耦掌握傳導(dǎo)干擾電耦合途徑，電路性干擾的抑制方法，磁耦合干擾，抑制磁耦合干擾的措施，電路性干擾的實(shí)例和計(jì)算。合干擾，抑制磁耦合干擾的措施，電路性干擾的實(shí)例和計(jì)算。 四、教學(xué)方法與手段四、教學(xué)方法與手段 采用課堂多媒體教學(xué)手段進(jìn)行理論教學(xué)。采用課堂多媒體教學(xué)手段進(jìn)行理論教學(xué)。 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第2頁/共58頁2021-11-173五、能力與素質(zhì)培養(yǎng)五、能力與素質(zhì)培養(yǎng) 通過這部分內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)員了解輻射干擾及其危通過這部分內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)員了解輻射干擾及其危害熟悉電磁輻射對電路產(chǎn)生的干擾害熟悉電磁輻射對電路產(chǎn)生的干擾, ,外導(dǎo)線及地回路產(chǎn)生的外導(dǎo)線及地回路產(chǎn)生的

4、干擾，減少輻射干擾的措施，培養(yǎng)學(xué)員舉一反三、觸類旁干擾，減少輻射干擾的措施，培養(yǎng)學(xué)員舉一反三、觸類旁通的能力。通的能力。六、具體教學(xué)內(nèi)容六、具體教學(xué)內(nèi)容1 1掌握傳導(dǎo)干擾的一般性質(zhì)，了解傳導(dǎo)干擾傳輸線路的性掌握傳導(dǎo)干擾的一般性質(zhì)，了解傳導(dǎo)干擾傳輸線路的性質(zhì)。質(zhì)。2 2掌握傳導(dǎo)干擾電耦合途徑，電路性干擾的抑制方法，磁掌握傳導(dǎo)干擾電耦合途徑，電路性干擾的抑制方法，磁耦合干擾，抑制磁耦合干擾的措施，電路性干擾的實(shí)例和耦合干擾，抑制磁耦合干擾的措施，電路性干擾的實(shí)例和計(jì)算。計(jì)算。七、本次課小結(jié)七、本次課小結(jié)1 1了解輻射干擾及其危害以及場區(qū)劃分。了解輻射干擾及其危害以及場區(qū)劃分。2 2了解輻射干擾的物

5、理模型，了解電磁輻射對電路產(chǎn)生的了解輻射干擾的物理模型，了解電磁輻射對電路產(chǎn)生的干擾，了解外導(dǎo)線及地回路產(chǎn)生的干擾。干擾，了解外導(dǎo)線及地回路產(chǎn)生的干擾。3 3了解電磁輻射對人體的影響及相應(yīng)的保護(hù)措施。了解電磁輻射對人體的影響及相應(yīng)的保護(hù)措施。第3頁/共58頁2021-11-174 電纜是效率很高的電磁波接收天線，空間的電磁干擾往往首先被電纜接收到，然后傳到設(shè)備中，造成電路的誤動(dòng)作。電纜還是效率很高的電磁波輻射天線，當(dāng)設(shè)備被屏蔽后，電纜是產(chǎn)生電磁波輻射的主要原因。當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾的限制時(shí)，90是電纜的原因。 電纜中的導(dǎo)線都是平行的，而且平行走線距離最長，因此信號串?dāng)_是十分嚴(yán)重的，

6、減小電纜中導(dǎo)線的串?dāng)_是電磁兼容設(shè)計(jì)中十分重要的內(nèi)容。另外，即使不是同一根電纜中的導(dǎo)線，相互串?dāng)_也往往十分嚴(yán)重，要通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來減小這些串?dāng)_。要解決串?dāng)_問題，首要明確串?dāng)_的機(jī)理。 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第4頁/共58頁2021-11-175611 電容性耦合 由于電容實(shí)際是由兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成的，因此兩根導(dǎo)線就構(gòu)成了一個(gè)電容，我們稱這個(gè)電是導(dǎo)線之間的寄生電容。由于這個(gè)電容的存在，一個(gè)導(dǎo)線中的能量能夠耦合到另一個(gè)導(dǎo)線上。這種耦合稱為電容耦合或電場耦合。 1電容性耦合模型 圖表示一對平行導(dǎo)線所構(gòu)成兩回路通過線間的電容耦合，其等效電路如圖所示。假設(shè)電路1為騷擾源電路，電路2為敏感電路，c為導(dǎo)線1與導(dǎo)線2

7、間的分布電容等效電路可計(jì)算出在回路2上的感應(yīng)電壓為： 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第5頁/共58頁2021-11-176由等效電路可計(jì)算出在回路2上的感應(yīng)電壓為：22211221cRj CRUUURXj CR 電容性耦合引起的感應(yīng)電壓正比騷擾源的工作頻率、敏感電路的對地電阻及、分布電容C、騷擾源電壓U1；電容性耦合主要在射頻形成騷擾，頻率越高，電容性耦合越明顯；抑制電容性耦合的有效方法是減小耦合電容 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第6頁/共58頁2021-11-177導(dǎo)體2與地之間耦合的騷擾電壓UN能夠表示為： 1211211221()nGj C RUUj C RUj R CC 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾

8、第7頁/共58頁2021-11-178 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(gè)減小電容性耦合的參數(shù)C1和R。減小耦合電容的方法是導(dǎo)體合適的取向、屏蔽導(dǎo)體、分隔導(dǎo)體(增加導(dǎo)體間的距離)。若兩導(dǎo)體之間距離加大，Cl的實(shí)際值會減小。因此降低導(dǎo)體2上感應(yīng)到的電壓，若兩平行導(dǎo)體間分隔距離為D，且導(dǎo)體直徑為d，則1120/cosh (/)CD d 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第8頁/共58頁2021-11-179 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第9頁/共58頁2021-11-1710 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾0022arclnCdlddachaada02Cdllha021 22ln/Cldrr02

9、22lnClhhrr0212124ln/22lnlnln/fdChhlfdrr傳輸線的類傳輸線的類型型圖示圖示 單位長度的電容單位長度的電容平行直導(dǎo)線平行直導(dǎo)線與大地平行與大地平行直導(dǎo)線直導(dǎo)線第10頁/共58頁2021-11-1711 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第11頁/共58頁2021-11-1712 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾2220ln12Mlldddldll02ln1/2MldH mldl220.1 14/MhH mld0.2 12/MhH mld傳輸線的傳輸線的類型類型圖示單位長度的互感公式兩平行直兩平行直導(dǎo)線導(dǎo)線與大地平與大地平行直導(dǎo)線行直導(dǎo)線第12頁/共58頁2021-11-1713

10、 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾0ln2Mbla/H m220123/2221cos2a aMlaz/H m22222222sincos0.2lnsincossincossincosDbabMlDbabDbabDbab/H m222222220.2ln/DbadDbadMH mlDbadDbad長導(dǎo)線與長導(dǎo)線與矩形同軸矩形同軸圓線圈圓線圈兩組平行兩組平行傳輸線傳輸線/H m第13頁/共58頁2021-11-1714 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾脈沖串?dāng)_第14頁/共58頁2021-11-1715脈沖串?dāng)_ 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第15頁/共58頁2021-11-1716雙導(dǎo)線間電容 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干

11、擾微帶線間電容第16頁/共58頁2021-11-1717 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第17頁/共58頁2021-11-1718增加地減小雙導(dǎo)線間電容微帶導(dǎo)線間電容 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第18頁/共58頁2021-11-1719 第六章電纜設(shè)計(jì)和輻射干擾第19頁/共58頁2021-11-1720 612 電感性耦合 當(dāng)一根導(dǎo)線上的電流發(fā)生變化，而引起周圍的磁場發(fā)生變化時(shí)，若另一根導(dǎo)線在變化的磁場中，則這根導(dǎo)線上會感應(yīng)出電動(dòng)勢。于是，一根導(dǎo)線上的信號就耦合進(jìn)了另一根導(dǎo)線。這種耦合稱為電感性耦合或磁耦合。 1電感性耦合模型 當(dāng)電流I在閉合電路中流動(dòng)該電流就會產(chǎn)生與此電流成正比的磁通量。中的比例常數(shù)

12、稱為電感L，由此我們寫出：LI 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。當(dāng)一個(gè)電路中的電流在另一個(gè)電路中產(chǎn)生磁通時(shí)，這兩個(gè)電路之間就存在互感M12定義為：12121MI第20頁/共58頁2021-11-1721由法拉第定律可知，磁通密度為B的磁場在面積為s的閉合回路中感應(yīng)的電壓為：NsdUB dSdt 其中 與S是向量，如果閉合回路是靜止的，磁通密度隨時(shí)間作正弦變化且在閉合回面積上是常數(shù)，B與S的夾角為 cosNUj BS612 電感性耦合B第21頁/共58頁2021-11-1722磁耦合612 電感性耦合第22頁/共58頁2021-11-1723雙導(dǎo)線間磁耦合612 電感性耦合第

13、23頁/共58頁2021-11-1724互感取決于環(huán)路面積612 電感性耦合第24頁/共58頁2021-11-1725雙導(dǎo)線之間的互感612 電感性耦合第25頁/共58頁2021-11-1726第26頁/共58頁2021-11-1727 為了減小騷擾電壓，必須減小B、S、 。欲減少B的值，可利用加大電路間的距離或?qū)?dǎo)線絞繞，使絞線產(chǎn)生的磁通密度B能互相抵消掉。受干擾電路的面積S，可將導(dǎo)線盡量置于接地面上，使其減至最?。换蚶媒g線的其中一條為地電流回路，使地電流不經(jīng)接地平面， 以減少回路所圍的面積。 cos612 電感性耦合第27頁/共58頁2021-11-1728 磁場與電場間的干擾有區(qū)別：第

14、一減小受干擾電路的負(fù)載阻抗未必能使磁場干擾的情況改善；而對于電場干擾的情況，減小受干擾電路的負(fù)載阻抗可以改善干擾的情況。第二，磁場干擾中，電感耦合電壓串聯(lián)在被干擾導(dǎo)體中，而電場干擾中，電容耦合電流并聯(lián)在導(dǎo)體與地之間。利用這一特點(diǎn)，可以分辨干擾是電感耦合還是電容耦合。 612 電感性耦合第28頁/共58頁2021-11-1729 613 電容性耦合與電感性耦合的綜合考慮 前面研究電容性耦合及電感性耦合的模型及計(jì)算，是假定只有單一類型的干擾耦合，而沒有其他類型耦合的情況，但事實(shí)上各種耦合途徑是同時(shí)存在的。當(dāng)耦合程度較小且只考慮線性電路分量時(shí)，電容性耦合（電耦合)和電感性耦合(磁耦合)的電壓可以分開

15、計(jì)算，然后再找出其綜合干擾效應(yīng)。第29頁/共58頁2021-11-1730212()GCLGUIIR2(2G120010C2102G2LRRRUURRRRRRRRGUUUM電容耦合）電感耦合）j=2(2G1200102102G2L2L2G22G2LRRRU-URRRRRRRR R1 RRLCCUUUMXXRj C電容耦合）電感耦合）j=靠近負(fù)載端靠近干擾源端 第30頁/共58頁2021-11-1731第31頁/共58頁2021-11-1732第32頁/共58頁2021-11-1733ln/2D dln 2/D d1S m2/ln/D d/ln 2/D d1m11sRDd2sRdln/2D dl

16、n 2/D d特性參數(shù)分布參數(shù)分布電感 分布電導(dǎo) 分布電阻 特性阻抗 2 /ln/D d/ln 2/D d兩種典型傳輸線特性參數(shù)第33頁/共58頁2021-11-1734第六章輻射耦合基本振子的電磁場分布1、電基本振子的電磁場分布磁場強(qiáng)度的三個(gè)分量220sin14()rjkrHHk IljHekrkr第34頁/共58頁2021-11-1735電場強(qiáng)度的三個(gè)分量電基本振子遠(yuǎn)區(qū)的電磁場,2krl rjkr0r2jkr02I lcos1E =(1+)e E =02 rjkrkI lsin11E =j1+e 4 rjkr(jkr)23111kr(kr)(kr)2jkr0jkrsinsinje42 rs

17、insinje42 rjkrjkrIlkeIlEjrIlkeIlHjr（a）電基本振子遠(yuǎn)區(qū)的電磁場波型 2*E111S= E H =eE H =e222rrrE=e E H=e H EHe第35頁/共58頁2021-11-1736(b)、相位特性等相位面方程 0kI LsinE (r,t)=cos( t-kr+ )4 r2= t-kr+ =C r=c2 等相位面是以電流元為中心的球面波 p1v = fk/EH3、電磁場的振幅特性m1 I rE Hf Lsin第36頁/共58頁2021-11-17374、能量傳輸特性電能密度等與磁能密度 22em0m0m11w =w =H=E22能量傳播速度 e

18、p001v =v =c 2220AVr0mrmmrI111S=eH=eHEe60 () sin2222 rL2 22AVmP=Sds=40I()L輻射功率 基本振子的電磁場分布第37頁/共58頁2021-11-1738第38頁/共58頁2021-11-1739(2)磁基本振子遠(yuǎn)區(qū)的電磁場2jkr00022jkr2sinsine4sinsine4jkrjkrISkeISEHrISkeISHr 1、磁基本振子遠(yuǎn)區(qū)的電磁場也是TEM非均勻平面波2、3、電磁場與r 成反比4、與電基本振子相比只是EH的取向互換（2）近區(qū)感應(yīng)場0/EH231111kr(kr)(kr)基本振子的電磁場分布第39頁/共58頁

19、2021-11-1740電基本振子近區(qū)感應(yīng)場jkr0rr3jkr03jkr02I lcosE =-je E =H =H =02 krI lsinE =-je4 krI lsinH =e4 r磁基本振子近區(qū)感應(yīng)場0233sin4sin4sin2rISkEjrISHrISHr 基本振子的電磁場分布第40頁/共58頁2021-11-1741632 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)。 耦合途徑：天線耦合、導(dǎo)線感應(yīng)耦合、閉合回路耦合和孔縫耦合。 實(shí)際的輻射騷擾大多數(shù)是通過天線、電纜導(dǎo)線和機(jī)殼感應(yīng)進(jìn)入接受器?；蛘呤峭?/p>

20、過電纜導(dǎo)線感應(yīng)，然后沿導(dǎo)線傳導(dǎo)進(jìn)入接受器；或者是通過接收機(jī)的天線感應(yīng)進(jìn)入接受器或者是通過接受器的連接回路感應(yīng)形成騷擾；或者是通過金屬機(jī)殼上的孔縫、非金屬機(jī)殼耦合進(jìn)入接收電路。 第41頁/共58頁2021-11-1742如果將最大輻射方向?qū)?zhǔn)接收天線，在接收天線處入射波的功率密度為24ttG PSR2224(4)ttrretetGGGPSAPAPRR()()()() 20lg () 20lg () 32.4rttrP dBmP dBmG dBG dBR kmf MHz24erAG弗利斯傳輸公式第42頁/共58頁2021-11-1743接收天線處的功率密度 22,.,44tttttttttPPSG

21、e DRR 接收功率 rrtPA S2.trPLFe e 考慮極化失配因子后：222.,.4rrtrrtrrttrrrrtrtrPA Se PLF A Se A S e eDS e e e 考慮熱損耗后：2222.,.,.44rrtrrtrrttrtrrrttttrtrPA Se PLF A Se A S e ePDe De e eR 第43頁/共58頁2021-11-1744接收和發(fā)射功率之比為：22,.,.4rtrrrrttttrtPee DDe ePR 222211,.,.4rtrtrrrrttttrtPeeDDe ePR 如果阻抗匹配、極化匹配 2,.,4rrrrttttPDDPR 2

22、221122,4rttrtrPPGG FFpqr 弗利斯傳輸公式第44頁/共58頁2021-11-17451.天線與天線之間的輻射耦合2( ,)(,)4RttttrrrPPGGd 發(fā)射天線的發(fā)射功率發(fā)射天線在指向接收天線方向的增益 接收天線在指向發(fā)射天線方向的增益d為兩天線間的距離tP( ,)tttG (,)rrrG 弗利斯傳輸公式第45頁/共58頁2021-11-17461121/21121/2方位角 和高低角 所希望發(fā)射的方位角和高低角中心11所希望發(fā)射的方位角和高低角中心1212發(fā)射天線的方位角和高低角波束寬度 11接收機(jī)處在發(fā)射機(jī)天線有意輻射區(qū)內(nèi)： 弗利斯傳輸公式第46頁/共58頁20

23、21-11-1747接收機(jī)處在發(fā)射機(jī)天線有意輻射區(qū)內(nèi)： 方位角 2212/22212/22212180/22212/2和高低角 方位角 和高低角 所希望接收的方向角和高低角 由接收機(jī)到干擾發(fā)射機(jī)的方向角 接收天線的方位角和高低角波束寬度 22222121發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的方位角 1212發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的高低角 第47頁/共58頁2021-11-174864處在電磁場中的傳輸線和電纜641場到線的共模耦合與異模耦合第48頁/共58頁2021-11-17490lUEdlEl22 cossin(cos)UEj lh22 cossin(cos)ybUEj l642 場對高頻傳輸線的耦合 當(dāng)傳輸線的長度

24、時(shí)( 為波長)，此時(shí)沿線的電流，電壓是變化的，不能用前面述的低頻方法，而必須采用分布參數(shù)電路的理論。當(dāng)電磁波照射到高頻傳輸線時(shí)，將引起線分布的許多無窮小的電壓源，如圖632所示。 4l第49頁/共58頁2021-11-175065 干擾耦合的抑制措施 65.1 電容性耦合干擾抑制措施 (1)兩系統(tǒng)的耦合部分(特別是電線、電纜)的布置應(yīng)使耦合電容盡量小，使導(dǎo)線盡短，線間距離盡量大，并盡量避免平行走線，以減小電容性耦合。 (2)對干擾源和被干擾者進(jìn)行電屏蔽，對帶有屏蔽體的電容性干擾耦合的分析可知，屏蔽受干擾的傳輸線可使電容耦合電壓受到抑制。 (3)如果干擾源和干擾對象的基準(zhǔn)點(diǎn)電路上是相互獨(dú)立的，則可采用平衡措施來消除電容性干擾，圖634給出了平衡措施的原理圖及結(jié)構(gòu)圖，平衡條件為：該條件可用結(jié)構(gòu)性措施來實(shí)現(xiàn)，也