第3章干擾耦合機理

1、第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.1 傳導耦合 3.2 高頻耦合3.3 輻射耦合 習題 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 電磁騷擾的耦合途徑電磁騷擾的耦合途徑傳導耦合傳導耦合：在騷擾源與敏感設備之間存在有在騷擾源與敏感設備之間存在有完完整整的電路連接，電磁騷擾的電路連接，電磁騷擾通過連接電路通過連接電路從騷從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設備。擾源傳輸電磁騷擾至敏感設備。輻射耦合：輻射耦合：電磁騷擾通過其周圍的媒介電磁騷擾通過其周圍的媒介以電磁以電磁波波的形式向外傳播，騷擾電磁能且按電磁場的形式向外傳播，騷擾電磁能且按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。的規(guī)

2、律向周圍空間發(fā)射。傳導耦合傳導耦合(+) 輻射耦合輻射耦合 例如例如 傳輸線的輻射/輻射源的傳輸線響應第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 電磁騷擾的耦合途徑分類電磁騷擾的耦合途徑分類公共地阻抗耦合電阻性耦合公共電源內(nèi)阻耦合傳導耦合 電容性耦合電感性耦合干擾信號導線對導線輻射耦合 天線對天線場對導線電磁干擾耦合模型電磁干擾耦合模型 C： 電容耦合電容耦合 L： 電感耦合電感耦合 Z： 共阻抗耦合共阻抗耦合 NC：近場耦合：近場耦合 FR：遠場輻射：遠場輻射 導線對導線，天線對天線，場對導線 電容性耦合，電感性 耦合第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 電磁輻射的基本理論電磁輻射的基本理論 環(huán)天

3、線元環(huán)天線元 偶極天線元偶極天線元 縫隙天線縫隙天線 n 電磁輻射電磁輻射n 電磁散射電磁散射（二次源，敏感體）n 基本天線結(jié)構(gòu)基本天線結(jié)構(gòu) （等效為磁荷源）等效為磁荷源）第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.1 傳導耦合傳導耦合傳導耦合傳導耦合是干擾源與敏感設備之間的主是干擾源與敏感設備之間的主要騷擾耦合途徑之一。要騷擾耦合途徑之一。 傳導騷擾可以通過電源線、傳導騷擾可以通過電源線、 信號線、信號線、 互連線、互連線、 接地導體等進行耦合。接地導體等進行耦合。傳導耦合包括通過導體間的電容及互感傳導耦合包括通過導體間的電容及互感而形成的干擾耦合。而形成的干擾耦合。第第3章章 干擾耦合機理干

4、擾耦合機理 3.1.1 電容性耦合電容性耦合由于電容實際是由兩個導體構(gòu)成的, 因此兩根導線就構(gòu)成了一個電容, 我們稱這個電容是導線之間的寄生電容寄生電容。 由于這個電容的存在, 一個導線中的能量能夠耦合到另一個導線上。 這種耦合稱為電容耦合電容耦合或電場耦合電場耦合。圖圖 3-1 電容性耦合模型電容性耦合模型第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 2221122jc1jRCRUUURXCR1. 電容性耦合模型電容性耦合模型圖3-1(a)表示一對平行導線所構(gòu)成兩回路通過線間的電容耦合, 其等效電路如圖3-1(b)所示。 假設電路1為騷擾源電路, 電路2為敏感電路, C為導線1與導線2間的分布電容,

5、 由等效電路可計算出在回路2上的感應電壓為(3-1)第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 式中, 當耦合電容比較小時, 即CR21時, (3-1)式可以簡化為U2=jCR2U1 (3-2)G2L22CG2L21,jR RRXRRC(3-2)相關參量：工作頻率、 敏感電路對地的電阻R2(一般情況下為阻抗)、 分布電容C、 騷擾源電壓U1。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 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3-2所示。圖圖 3-2 地面上兩導線間電容性

6、耦合模型地面上兩導線間電容性耦合模型第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 在圖3-2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。導體1是騷擾源， 其騷擾源電壓為u1, 受害電路為電路2。 任何直接跨接在騷擾兩端的電容, 如圖3-2中的C12能夠被忽略, 因為它不影響在導體2與地之間耦合的騷擾電壓UN。 根據(jù)圖3-2(b)的等效電路, 導體2與地之間耦合的騷擾電壓UN能夠表示為(3-3)12N1122Gj1jC RUUR CC第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 如果R為低阻抗, 即滿足: 那么, (3-

7、3)式可化簡為122G1jRCC(3-4)N121jUC RU第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 (3-4)式表明, 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=jC12U1的電流源。 (3-4)式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屏蔽導體、 分隔導體(增加導體間的距離)。 若兩導體之間距離加大, C12的實際值會減少, 因此降低導體2上感應到的電壓, 若兩平行導體間分隔距離為D, 且導體直徑為d, 則

8、(3-5(a)0121Fcosh/mCD d第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 當D/d3時, C12可簡化為其中, 08.851012Fm。 導體間的距離與電容性干擾之間的關系如圖3-3所示。 0 dB的參考點是取自導體間的距離為導體直徑的3倍, 而由圖中可看出相隔距離超過40倍的導體直徑, 再增加隔開的距離也無法得到顯著的衰減量。(3-5(b)012F ln 2/mCD d第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-3 導體間的間隔對電容性干擾耦合的影響第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 如果R為高阻抗, 即滿足:那么, (3-3)式可簡化為(3-6)式表明, 在導體2與地之間產(chǎn)生的

9、電容性耦合騷擾電壓與頻率無關, 且在數(shù)值上大于(3-4)式表示的騷擾電壓。122G1jRCC(3-6)12N1122GCUUCC第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖3-4給出了電容性耦合騷擾電壓UN的頻率響應。 它是(3-6)式的騷擾電壓UN與頻率的關系曲線圖。 正如前面已經(jīng)分析的那樣, (3-6)式給出了最大的騷擾電壓UN。 圖3-4 也說明, 實際的騷擾電壓UN總是小于或等于(3-4)式給出的騷擾電壓UN。 當頻率滿足以下關系時: (3-4)式就給出了是實際騷擾電壓UN(3-3)式的值)的 倍的騷擾電壓值。 在幾乎所有的實際情況中, 頻率總是小于(3-7)式所表示的頻率, (3-4)

10、式表示的騷擾電壓UN總是適合的。 (3-7)122G1()R CC2第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-4 電容性騷擾耦合與頻率的關系第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 表3-1 幾種典型傳輸線電容計算公式 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 表3-2 幾種導線及傳輸線間的互感公式 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 2. 屏蔽體對電容性耦合的作用屏蔽體對電容性耦合的作用現(xiàn)在考慮導體2有一管狀屏蔽體時的電容性耦合, 如圖3-5所示。 其中C12表示導體2延伸到屏蔽體外的那一部分與導體1之間的電容, C2

11、G表示導體2延伸到屏蔽體外的那一部分與地之間的電容, C1S表示導體1與導體2的屏蔽體之間的電容, C2S表示導體2與其屏蔽體之間的電容, CSG表示導體2的屏蔽體與地之間的電容。第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-5 導體2 具有屏蔽體時兩導線間電容性耦合模型第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 首先考慮導體2對地電阻為無限大的值, 導體2完全屏蔽, 此時C12、 C2G均為零。 由圖3-5(b)可知, 屏蔽體耦合到的騷擾電壓US為由于沒有耦合電流通過C2S, 因此完全屏蔽的導體2所耦合的騷擾電壓為UN=US(3-9)(3-8)1SS11SSCCUUCC第第3章章 干擾耦合機理干擾

12、耦合機理 如果屏蔽體接地, 那么電壓US0, 從而UN0。 導體2完全屏蔽, 即導體2不延伸到屏蔽體外的情況是理想情況。 實際上, 導體2通常確實延伸到屏蔽體外, 如圖3-5(a)所示。 此時, C12、C2G均需要考慮。 屏蔽體接地, 且導體2對地電阻為無限大的值時, 導體2上耦合的騷擾電壓為(3-10)12S2G1212NUCCCCU第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 C12的值取決于導體2延伸到屏蔽體外的那一部分的長度。 良好的電場屏蔽必須使導體2延伸到屏蔽體外的那一部分的長度最小, 必須提供屏蔽體的良好接地。 假定電纜的長度小于一個波長, 單點接地就可以實現(xiàn)良好的屏蔽體接地。 對于長

13、電纜, 多點接地是必須的。 最后, 我們考慮導體2對地電阻為有限值的情況。 根據(jù)圖3-5(c) 的簡化等效電路知, 導體2上耦合的騷擾電壓為(3-11)12N1122G2Sj1jC RUUR CCC第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 當時, (3-11)式可簡化為: (3-12)式和(3-4)式的形式完全一樣, 但是由于導體2此時被屏蔽體屏蔽, C12的值取決于導體2延伸到屏蔽體外的那一部分的長度, 因此C12大大減小, 從而降低了UN。122G2S1j ()RCCC(3-12)N121jURC U第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.1.2 電感性耦合電感性耦合 當一根導線上的電流發(fā)生

14、變化, 而引起周圍的磁場發(fā)生變化時, 恰好另一根導線在這個變化的磁場中, 則這根導線上就會感應出電動勢。 于是, 一根導線上的信號就耦合進了另一根導線。 這種耦合稱為電感性耦合或磁耦合。第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 1. 電感性耦合模型電感性耦合模型 電感性耦合也稱為磁耦合, 它是由磁場的作用所引起的。 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。 I與的比例常數(shù)稱為電感L, 由此我們能夠?qū)懗? =LI(3-13)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。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 當一個電路中的電流在另一個電路中產(chǎn)生磁通時, 這兩個電路之

15、間就存在互感M12, 其定義為(3-14)12表示電路1中的電流I1在電路2產(chǎn)生的磁通量。 由法拉第定律可知, 磁通密度為B的磁場在面積為S的閉合回路中感應的電壓為11212IM(3-15)Nd ddSUtBS第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 其中, B與S是向量, 如果閉合回路是靜止的, 磁通密度隨時間作正弦變化且在閉合回路面積上是常數(shù), B與S的夾角為, 那么(3-15)式可簡化為 如圖3-6所示, S是閉合回路的面積, B是角頻率為(rads)的正弦變化磁通密度的有效值, UN是感應電壓的有效值。(3-16)NjcosUBS第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-6 感應電壓取

16、決于回路包圍的面積S第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 因為BS cos表示耦合到敏感電路的總磁通量, 所以能夠把(3-14)式和(3-16)式結(jié)合起來, 用兩電路之間的互感M來表示感應電壓UN, 即 (3-16)式和(3-17)式是描述兩電路之間電感性耦合的基本方程。(3-17)1N1djdiUMIMt第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖3-7表示了由(3-17)式描述的兩電路之間的電感性耦合。 I1是干擾電路中的電流, M是兩電路之間的互感。 (3-16)式和(3-17)式中出現(xiàn)的角頻率為(弧度秒), 表明耦合與頻率成正比。 為了減小騷擾電壓, 必須減小B、S、cos。 欲減少B值,

17、 可利用加大電路間的距離或?qū)Ь€絞繞, 使絞線產(chǎn)生的磁通密度B能互相抵消掉。 至于受干擾電路的面積S, 可將導線盡量置于接地面上, 使其減至最小; 或利用絞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。 cos的減小則可利用重新安排干擾源與受干擾者的位置來實現(xiàn)。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-7 兩電路間的電感性耦合第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 磁場與電場間的干擾有區(qū)別: 第一, 減小受干擾電路的負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載阻抗可以改善干擾的情況。 第二, 在磁場干擾中, 電感耦合電壓串聯(lián)

18、在被干擾導體中, 而在電場干擾中, 電容耦合電流并聯(lián)在導體與地之間。 利用這一特點, 可以分辨出干擾是電感耦合還是電容耦合。 在被干擾導體的一端測量干擾電壓, 在另一端減小端接阻抗。 如果測量的電壓減小, 則干擾是通過電容耦合的; 如果測量的電壓增加, 則干擾是通過電感耦合的(如圖3-8所示)。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-8 電容耦合與電感耦合的判別第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 2. 帶有屏蔽體的電感性耦合帶有屏蔽體的電感性耦合(1) 如果在圖3-7的導體2外放置一管狀屏蔽體時, 如圖3-9所示。 考察一個屏蔽體是否對電感耦合起作用, 只要看屏蔽體的引入是否改變了原

19、來的磁場分布。 設屏蔽體是非磁性材料構(gòu)成的, 且只有單點接地或沒有接地。 由于屏蔽是非磁性材料的, 因此它的存在對導體周圍的磁通密度沒有影響, 導體1與導體2的互感M12沒有變化。 所以導體1在導體2上感應的電壓與沒有屏蔽時是相同的。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-9 導體2帶有屏蔽體的電感耦合第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 在磁場的作用下, 屏蔽體上也會感應出電壓, 設導體1與屏蔽體間的互感為M1S, 則導體1上的電流I1在屏蔽體上感應的電壓為US=jM1SI1(3-18) 但由于屏蔽體只單點接地或沒有接地, 因此屏蔽體上沒有電流, 所以不會產(chǎn)生額外的磁場, 因此這個屏

20、蔽層對磁場耦合沒有任何影響。 如果屏蔽體的兩端接地, 屏蔽層上會有電流流過, 這個電流會產(chǎn)生一個附加的磁場。 引起導體2周圍磁場的變化, 因此對電感耦合有一定影響。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 為了分析這種情況, 首先研究屏蔽層與內(nèi)導體之間的耦合。 當一個空心管上有均勻電流IS時, 所有的磁場在管子外部, 在管子的內(nèi)部沒有磁場。 因此, 當管子內(nèi)部有一個導體時, 管子上流過的電流產(chǎn)生的磁場同時包圍管子和內(nèi)導體(如圖3-10所示)。 管子的電感(自感)為LS=/IS, 內(nèi)導體與管子之間的互感為M=/IS, 由于包圍這兩個導體的磁通相同, 因此: M=LS(3-19)第第3章章 干擾耦合

21、機理干擾耦合機理 圖 3-10 屏蔽層與內(nèi)導體之間互感第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 即屏蔽與內(nèi)導體之間的互感等于屏蔽層的電感(自感)。 這個結(jié)論是假設管子上的電流均勻分布, 而沒有規(guī)定內(nèi)導體的位置, 因此這個結(jié)論不局限于同軸電纜。 圖3-11顯示了屏蔽層的磁場耦合屏蔽效果。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-11 屏蔽層的磁場耦合屏蔽效果第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 屏蔽體與中心導體的等效電路如圖3-12所示, 屏蔽體上的電流IS在中心導體上感應的干擾電壓為UN=jMIS(3-20)其中, LS及RS為屏蔽體的電感和電阻, 考慮到M=LS, 由(3-20)式和(3-

22、21)式可得:(3-21)SSSSjUIRL(3-22)NSSSjjUURL第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-12 屏蔽體的等效電路第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 當C, (即RS/LS)時， UNjLSUS/RS;當=C=RS/LS 或 f=fC=RS/(2LS)時, |UN|=0.5|US|;當=5C=5RS/LS時, |UN|=0.98|US|。這就是說, 當屏蔽體有電流IS時, 中心導體上感應的干擾電壓小于屏蔽體上的感應電壓, 而當5C時, |UN|US|(如圖3-13所示)。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-13 同軸電纜屏蔽體電流引起的中心導體上的感

23、應電壓第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 當圖3-9所示屏蔽體兩端接地時, 屏蔽體電流流動會產(chǎn)生一個干擾(騷擾)電壓進入導體2, 因此, 感應進入導體2的干擾(騷擾)電壓有兩部分: 導體1的直接感應騷擾電壓U12和感應的屏蔽體電流產(chǎn)生的騷擾電壓US2。 注意, 這兩個感應電壓具有相反的極性。 因此, 感應進入導體2的干擾(騷擾)電壓可以表示為UN=U12US2(3-23)第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 根據(jù)上面的分析(參見(3-17)式、 (3-18)式和(3-22)式)有(3-25)S2S1S 1SSSSjjjjjUUM IRRLL第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 注意到導體1與

24、屏蔽體間的互感M1S, 等于導體1與導體2間的互感M12。 (相對于導體1, 屏蔽體和導體2放置于空間的相同位置), 則(3-23)式變?yōu)?當頻率很低時, 即jLSRS, 則有這時, 感應的干擾(騷擾)電壓不隨頻率的增加而增加, 保持一個常數(shù), 這個數(shù)與沒有屏蔽時的差值就是屏蔽效果, 如圖3-11中陰影部分所示。 (2) 當圖3-7的導體1 (干擾源)帶有一管狀屏蔽體時, 其干擾耦合與屏蔽體的接地方式有關, 則屏蔽體兩端同時接地時, 如圖3-14所示。 (3-27(b)SN12 1SRUM IL第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-14 屏蔽體與接地面間的分流第第3章章 干擾耦合機理干

25、擾耦合機理 在圖3-14(b)中, 接地回路(ARSLSBA)可列出方程jMI1=(jLS+RS)IS(3-28) 考慮到LS=M, 由上式可得(3-29)SS111SSSSjjjjjjCLIIIIRLRL第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 式中, CRS/LS, C=2fC, fC是屏蔽體的截止頻率(其值參見表3-3), 當C時(例如, 5C5RS/LS), 則ISI1, 即屏蔽體上的電流IS大小與中心導體上的電流I1相同, 而方向相反, 因此屏蔽體上電流IS產(chǎn)生的磁場與中心導體上電流I1產(chǎn)生的磁場相抵消, 此時屏蔽體外不再有磁場存在, 從而抑制了磁(電感)耦合。 但這種措施只有當5C時,

26、 才能有效地減少磁場外泄; 當頻率較低時, 由于|IS|I1|, 屏蔽體上的電流|IS|產(chǎn)生的磁場不能抵消中心導體電流|I1|產(chǎn)生的磁場, 為了解決這一問題, 可將屏蔽體的一端不接地面與負載連接, 如圖3-15所示。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-15 屏蔽體單端接地第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 表3-3 屏蔽體截止頻率的測量值第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 此時不管在任何頻率上, |IS|均與|I1|相等, 方向相反, 則IS產(chǎn)生的磁場抵消了I1產(chǎn)生的磁場, 使屏蔽體外不存在磁場, 而抑制了磁場(電感)耦合。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.1.3 電

27、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前面研究電容性耦合及電感性耦合的模型及計算, 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, 但事實上各種耦合途徑是同時存在的。 當耦合程度較小且只考慮線性電路分量時, 電容性耦合(電耦合)和電感性耦合(磁耦合)的電壓可以分開計算, 然后再找出其綜合干擾效應。 由前面的分析可知, 電容性耦合與電感性耦合的干擾有兩點差別: 首先, 電感性耦合干擾電壓是串聯(lián)于受害電路上, 而電容性耦合干擾電壓是并聯(lián)于受害電路上; 其次, 對于電感性耦合干擾, 可用降低受害電路的負載阻抗來改善干擾情況, 而對于電容性耦合, 其干擾情況與電路負

28、載無關。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 根據(jù)第一點差別不難看出, 在靠近干擾源的近端和遠端, 電容耦合的電流方向相同, 而電感耦合的電流方向相反。 圖3-16(a)給出電容耦合和電感耦合同時存在的示意圖, 設在R2G及R2L上的電容耦合電流分別為IC1及IC2, 而電感耦合電流分別為IL1及IL2, 顯然 IL1=IL2=IL, 在靠近干擾源近端R2G上的耦合干擾電壓為U2G=(IC1+IL)R2G(3-30) 遠端負載R2L上的耦合干擾電壓為U2L=(IC2IL)R2L(3-31)第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 由(3-30)和(3-31)式可知, 對于靠近干擾源端(近端)電容

29、性耦合電壓與電感性耦合電壓相疊加, 而對于靠近負載端, 或者說遠離干擾源端, 總干擾電壓等于電容性耦合電壓減去電感性耦合電壓, 在進行相減計算時, 是以復數(shù)形式進行的。 圖3-16(b)為圖3-16(a)的等效電路, 由上面的分析可求得, 在靠近干擾源端(近端)干擾電壓為(3-32)2G()UU電容性耦合()U電容性耦合2G1200102C102G2Lj MRRRRRUURRRXRR第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 靠近負載端(遠端)的干擾電壓為式中, (3-33)2L()()UUU電容性耦合電容性耦合2G1200102C102G2Lj MRRRRRUURRRXRRCXj1C2G2L2G2

30、LRRRRR第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-16 電容性耦合與電感性耦合的綜合影響第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 表3-4給出了幾種導線及傳輸線的電感(自感)公式。 表3-5給出了導體的電阻公式。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 表3-4 幾種導線及傳輸線的電感(自感)公式 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 表3-5 導體的電阻公式 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.2 高頻耦合高頻耦合前面所研究的線間耦合是低頻情況下的耦合, 即導線長度較波長小得多的情況, 在高頻時, 導體的電感

31、和電容將不可忽略。 此時, 電抗值將隨頻率而變化, 感抗隨頻率增加而增加, 容抗隨頻率增加而減小。 在無線電頻率范圍內(nèi), 長電纜上的騷擾傳播應按傳輸線特性來考慮, 而不能按集總電路元件來考慮。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 根據(jù)傳輸線特性, 對于長度與頻率所對應的4可以比擬(或大于)的導體, 其特性阻抗為。 其端接阻抗應等于該導體的特性阻抗, 實際上這是不大可能的。 因此, 在其終端會出現(xiàn)反射, 形成駐波。 在無線電頻率范圍內(nèi), 許多實際系統(tǒng)中的駐波現(xiàn)象均有明顯的騷擾耦合作用。 當頻率較高, 其導線長度等于或大于14波長時, 前面的公式就不再適用了, 因為不能用集總阻抗的方法來處理分布

32、參數(shù)阻抗。 此時, 區(qū)別電容耦合或電感耦合已沒有意義, 需要用分布參數(shù)電路理論求解線上的電流波與電壓波來計算線間的干擾耦合。 /L C第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.2.1 分布參數(shù)電路的基本理論分布參數(shù)電路的基本理論 由電磁場理論可知, 在導線或傳輸線上有分布電阻及分布電感, 導線間有分布電容和分布電導。 在低頻時, 或者說當波長遠大于線長時, 這些分布參數(shù)對線上傳輸?shù)碾娏鳌?電壓的影響很小, 而把電路作為集總參數(shù)電路來處理。 當頻率很高使線長可以和波長相比較時, 線上的分布參數(shù)對電流、 電壓的影響很大, 此時需要用分布參數(shù)理論來研究。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 對于分

33、布參數(shù)電路, 線上任一無限小線元z上都分布有電阻Rz、 電感Lz及線間分布電導Gz和電容Cz。 這里R、 L、 G和C分別為線上單位長度的分布電阻、 電感、 電導和電容, 其數(shù)值與傳輸線的形狀、 尺寸、 導線材料及周圍填充的介質(zhì)參數(shù)有關。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 對于距傳輸線始端z處線元z的等效電路可用圖3-17表示, 設z處的電壓和電流分別為u(z)和i(z), z+z處的電壓和電流分別為u(z+z)和i(z+z), 由于z, 導線周圍是無耗均勻媒質(zhì), 其介電常數(shù)與導磁率分別為和, 在x=0和x=l 處發(fā)射電路端接阻抗分別為Z0G和Z1G, 而接收電路的端接阻抗分別為Z0R和Z

34、1R, 其等效電路如圖3-19所示。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-18 傳輸線的高頻耦合第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-19 傳輸線的高頻耦合的等效電路第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 在圖3-19中, UG(x)和UR(x)分別表示線上任一點發(fā)射線和接收線相對參考導體的電壓, 而IG(x)和IR(x)分別為線上任一點發(fā)射線電流及接收線電流。 下面用分布參數(shù)電路理論來計算高頻線間的干擾耦合。 設單位長度上, 發(fā)射線和接收線的自電感分別為LG和LR, 自電容分別為CG和CR, 兩線間的互感和互電容分別為LM和CM, 不考慮傳輸線上的損耗電阻, 可得到一小段傳輸

35、線x的等效電路, 如圖3-20所示。第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-20 x線元高頻耦合等效電路第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 利用與方程(3-34)相同的推導方法可求出, 當x0時, 線上(3-40) GGGMRRMGRRGGMGMRRRMRMGdjddjddjddjdUxL IxL IxxUxL IxL IxxIxCCUxC UxxIxCCUxC Uxx 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 求解傳輸線方程(3-40)式可得(3-41) GGGGMRRRMGRRGGMGMMGRRMRMGRsincos0j00sincos0j00sinj00cos0sinj00cos0l

36、Ull UlL IL IllUll UlL IL IllIllCCUC Ul IllIllCCUC Ul Il 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 設x=0, x=l的端接條件為(3-42) GS0GGR0GRG1R1RR0000GGUUZIUZIUlZ IlUlZ Il 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 把(3-42)式代入(3-41)式中, 可得接收線兩端的干擾電壓UR(0)和UR(l)為(3-43(a) (3-43(b) 0R1R1RRMGDMGD0R1R0R1RjjZZZSUlL lIC lUDZZZZ 0RRM1GGD20R1Rj2 1/0j1ZSUL l CS IDZZk0R

37、1RMGD20R1R1Gj2 1/1j1ZZC l CS UZZk第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 式中:0G1R1G0R2222RG0G1R0G1R111j11RGDqSkqS cosql；sinlSl；0R0RCRZZ，1R1RCRZZ；0G0GCGZZ，1G1GCGZZ；2CGG1ZLk，2CRR1ZLk，；第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 MGRLkL L，1GGDS0G1GZUUZZ，SGD0G1GUIZZ；G0G1GGGM0G1G0G1G()L lZZCClZZZZ；0R1RRRRM0R1R0R1RZZL lCClZZZZ。第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 在上述公式中

38、, ZCR(ZCG)為接收(發(fā)射)電路存在時發(fā)射(接收)電路的特性阻抗, k為耦合系數(shù), UGD和IGD為發(fā)射線的直流電壓和電流, G和R分別為發(fā)射和接收電路的時間常數(shù)。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.2.3 低頻情況的耦合低頻情況的耦合 對于低頻情況, 線長l, 則有: 并且忽略LG、 LR、 CG、 CR的影響, 則可求出: (3-44)cos1qlsin1lSl LCRRRLCRRR000UlUlUlUUU第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 式中: L1RRMGD1R0RjZUlL lIZZ ； L0RRMGD1R0R0jZUL lIZZ ；CC0R1RRRMGD0R1R(

39、 )(0)jZZUlUC lUZZ；SGD1G0GUIZZ；1GSGD1G0GZ UUZZ。第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 在(3-44)式中, 被干擾線上的端電UR(l)和UR(0)均是兩項干擾電壓的疊加, 其中為兩線間互感LM耦合產(chǎn)生的, 稱為電感耦合, 為兩線間電容CM耦合產(chǎn)生的, 稱為電容耦合, 不難看出(3-44)式與前節(jié)所推出的(3-32)式及(3-33)式是一致的。 根據(jù)(3-44)式可得到兩傳輸線低頻耦合(電感性耦合及電容性耦合)的等效電路, 如圖3-21所示。 LRUCRU第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-21 傳輸線低頻耦合的等效電路第第3章章 干擾耦合機

40、理干擾耦合機理 3.3 輻射耦合輻射耦合輻射電磁場是騷擾耦合的另一種方式, 除了從騷擾源有意輻射之外, 還有無意輻射, 例如, 有短(小于4)單極天線作用的線路和電纜, 或者起小環(huán)天線作用的線路和電纜, 都可能輻射電場或磁場。 輻射耦合的途徑主要有: 天線天線, 天線電纜, 天線機殼, 電纜機殼, 機殼機殼, 電纜電纜。對于輻射耦合, 電磁場理論中近場與遠場的概念是十分重要的。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.3.1 電磁輻射電磁輻射當場源的電流或電荷隨時間變化時, 就有一部分電磁能量進入周圍空間, 這種現(xiàn)象稱為電磁能量的輻射。 研究電磁輻射, 最簡單的是電偶極子和磁偶極子的輻射。

41、實際天線可近似為許多偶極子的組合, 天線所產(chǎn)生的電磁波也就是這些偶極子所產(chǎn)生的電磁波的合成。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 1. 電偶極子的電磁輻射電偶極子的電磁輻射電偶極子是指一根載流導線, 它的長度l與橫向尺寸都比電磁波長小得多。 假設沿長度方向上的電流是均勻的, 導線長度l比場中任意點與電偶極子的距離小得多, 即場中任意點與導線上各點的距離可認為是相等的。 偶極子經(jīng)傳輸線接于高頻源上, 如圖3-22 (a)所示。 高頻源的傳導電流在偶極子兩端會中斷, 但偶極子兩臂之間的位移電流與之構(gòu)成了環(huán)路。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-22 電偶極子輻射源第第3章章 干擾耦合

42、機理干擾耦合機理 將電偶極子中心置于直角坐標原點, l沿y軸方向, 如圖3-22(b)所示。 設電偶極子上電流作余弦(或正弦)變化, 即I=Im cost。 那么, 電偶極子在介電媒質(zhì)中產(chǎn)生的電磁場(E和H)亦是時間的余弦(或正弦)函數(shù)。 自由空間的電荷密度、 傳導電流密度JC以及電導率均為零, 麥克斯韋方程的微分形式可表達為第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 (3-45) 式中: 為磁場強度(A/m); 為電場強度(V/m)； 為磁感應強度(T); 為電位移矢量(Q/m2)。 .jj00DHEtBEHtBD EHDB第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 由上述方程組可解得電偶極子周圍的電磁

43、場為(3-46) r223r233230011sin()cos() sin4()11cos()sin() cos2()()111sin()cos()sin() sin4()()0mmmHHIlHktkrtkrkrkrIlEktkrtkrkrkrIlEktkrtkrtkrkrkrkrE第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 式中: Iml為電偶極子的電矩(Am); r為從坐標中心到觀察點的距離(m); k為波數(shù), 電磁波傳播單位長度所引起的相位變化, 設電磁波的波長為, 則有k=2/(rad/m)。 下面按照觀察點到電偶極子的距離遠近來討論電偶極子周圍電磁場各分量的表達式。 第第3章章 干擾耦合機

44、理干擾耦合機理 1) 近場區(qū)(又稱感應場區(qū))在r/(2)的區(qū)域內(nèi), kr(2)的區(qū)域內(nèi), kr1。 由(3-46)式可見, 電偶極子產(chǎn)生的場分量主要取決于1/(kr)的低次項, 而且E與E相比可忽略, 因此在波的傳播方向上的電場分量近似為零, 近似得(3-48) 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 2) 遠場區(qū)(又稱輻射場區(qū))在r(2)的區(qū)域內(nèi), kr1。 由(3-46)式可見, 電偶極子產(chǎn)生的場分量主要取決于1/(kr)的低次項, 而且E與E相比可忽略, 因此在波的傳播方向上的電場分量近似為零, 近似得(3-48) 2sinsin()4sinsin()4mmk IlEtkrrkIIHtkr

45、r第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 由式(3-48)可看出, 無論是E還是, 幅值都和角無關, 僅與角有關, 而且正比于sin。 在90的方向, 即在垂直于偶極子軸線的方向上, 場強E及H最大。 輻射源向空間輻射的電磁場強度隨空間方向而變化的特性稱為輻射源的方向性, 圖3-23為電偶極子的方向圖。 工程上可以利用(3-47)式與(3-48)式計算電偶極子周圍場強的值, 例如, 當l長為1 cm、 Im為1 A時, 不同距離上的場強值如表3-8所示。 H第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-23 電偶極子的方向圖第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 表3-8 距電偶極子不同距離的場強

46、 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 2. 磁偶極子的電磁幅射磁偶極子的電磁幅射參照電偶極子的電磁幅射一節(jié), 用一個磁偶極子替代電偶極子。 該磁偶極子由假想的一對相距極小的正、 負磁荷(+qm, qm)組成, 如圖3-24(a)所示。 直徑遠小于波長的小環(huán)天線可作磁偶極子處理。 將通電小圓環(huán)置于xz平面, 環(huán)中心與坐標原點重合, 見圖3-24(b)。 設小圓環(huán)半徑為a, 流過的電流為im=Im sint, 可求得在空間某點處的電場與磁場的表達式為第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 (3-49) r24m223mr2323m230011cos()sin() sin4()11sin()cos(

47、) cos2()()111cos()sin()cos() sin4()()0EEI aEktkrtkrkrkrI aHktkrtkrkrkrI aHktkrtkrtkrkrkrkrH第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-24 磁偶極子輻射源第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 1) 近場區(qū)(又稱感應電場區(qū))在r(2)的區(qū)域內(nèi), kr/(2)的區(qū)域內(nèi), kr1。 由式(3-49)可見, 磁偶極子產(chǎn)生的場分量主要取決于1/(kr)的低次項, 而且Hr與H相比可忽略, 因此在波的傳播方向上的磁場分量近似為零, 得(3-51) r23m23m0sincos()4sincos()4HI a kH

48、tkrrI a kEtkrr第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 由(3-51)式可見, 在磁偶極子的遠場區(qū), 電磁場與空間的關系完全和電偶極子相仿。 當=90時, 即在線圈所在平面上, 電場與磁場為最大值。 同樣, 當一小圓環(huán)的半徑a為0.564 cm, 通過的電流為1 A時, 其周圍的場強值列于表3-9。第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 表3-9 距磁偶極子不同距離的場強 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.3.2 近場區(qū)與遠場區(qū)的特性近場區(qū)與遠場區(qū)的特性1. 近場區(qū)近場區(qū)1) 波阻抗在上述分析中, 把r/(2)的區(qū)域作為近場區(qū), 但在電磁屏蔽領域通常把與偶極子相距為r/(2)的

49、區(qū)域稱為遠場區(qū)。 由式(3-48)和式(3-51)可見, 在遠場區(qū)電磁場只有與傳播方向垂直的兩個場分量E和H, 或H和E有關, 在傳播方向沒有場分量, 稱為橫電磁(TEM)波, 又稱平面電磁波。 圖3-28 為平面電磁波中電場與磁場的瞬時分布。 平面電磁波具有下列特性: 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-28 遠場區(qū)平面波的瞬時場分布第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 (1) 電磁波的兩個場分量電場與磁場在空間相互垂直, 且在同一平面上。 (2) 電場和磁場在時間上同相位。 (3) 平面波在自由空間的傳播速度8c003 10V ( m /s )第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理

50、 (4) 自由空間電場和磁場分量的比值(波阻抗)是一常數(shù), 與場源的特性和距離無關。 對于電偶極子, 可由式(3-48)得到波阻抗Zw為 (3-55)用磁偶極子遠場區(qū)的E和H的表達式可獲得同樣的結(jié)果。 0w0120377 ( )EZH第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 (5) 平面波中電場的能量密度We和磁場能量密度Wm各為電磁波總能量的一半, 即 (3-56) (3-57) (3-58)2e2EW22mHWemem22WWWWW第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 (6) 電磁波能量的傳播方向由坡印廷矢量確定, 可用下式表示: 式中: 為坡印廷矢量; 和為互相垂直的電場與磁場矢量。 (7)

51、 電場與磁場均隨離開場源的距離成反比地減小(見圖3-27)。 電磁兼容性測試時常利用這種關系進行電磁發(fā)射極限值轉(zhuǎn)換。 例如, 在國家標準信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法中, 規(guī)定在30230 MHz頻段, B級受試設備的10 m準峰值限值為30 dBV/m, 當改用3 m距離測量時, 限值將增加到40.5 dBV/m。 (3-59)HESSER第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3. 空氣波阻抗與場源特性、空氣波阻抗與場源特性、 波長、波長、 距離的關系距離的關系綜上所述, 近場區(qū)與遠場區(qū)的波阻抗有明顯區(qū)別。 分析金屬板的電磁屏蔽效能時, 正是這種材料界面上波阻抗的差異導致了反射損耗,

52、 因此波阻抗是屏蔽效能計算中極重要的一個參數(shù)。 圖3-25給出了自由空間不同場區(qū)的波阻抗隨頻率及距離變化的關系。 進入遠場區(qū)之后, 波阻抗將趨向恒定的377 。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 4. 導體的波阻抗導體的波阻抗導電媒質(zhì)的波阻抗可由電磁波在遠區(qū)自由空間傳播時波阻抗表達式(3-52)推出。 只需以導體的復介電常數(shù)代替自由空間的。 導體的波阻抗以表示, 有對良導體而言, 有, 則j(/) sZSj(/)jZ jj44SS1jeej2ZZ第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 上式中為良導體波阻抗的模, 有 (3-60)式中: 為導體的磁導率, 非鐵磁性材料的=0; 為導體的電導率;

53、 為電磁波的角頻率。 從ZS的表達式可見, 電磁波在良導體內(nèi)傳播時電場與磁場相位差/4, 而且由于導體引入的損耗, 其幅度將按指數(shù)規(guī)律下降, 坡印廷矢量如圖3-29所示。 SZSZSSZZ第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 圖 3-29 電磁波在導體內(nèi)的傳播特性第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 (3-61)一般資料只提供相對電導率r和相對磁導率r, 見表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為銅的電導率, Cu=5.8107(S/m)。 例如, 在頻率為1 MHz時, 按式(3-61)可求得銅對電磁波的波阻抗為0.36

54、8 m。 7rSSr3.68 10 fZZ第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 3.3.3 電磁波的極化電磁波的極化極化是指平面波的電場強度E在空間某一定點的方向變化情況。 無論是在抑制電磁波傳播或電磁兼容性試驗中, 都會遇到電磁波的極化問題。 第第3章章 干擾耦合機理干擾耦合機理 沿x方向傳播的平面波, E和H都在y-z平面上。 若Ez=0, 只有Ey存在(電偶極子垂直放置時在近場區(qū)所產(chǎn)生的電磁波就屬此情況), 則稱該平面波極化于y方向, 如圖3-30(a)所示。 Ey垂直于地平面, 又稱垂直極化。 若Ey0, 只有Ez存在(電偶極子水平放置時在近場區(qū)的情況), 則稱該平面波極化于z方向。 Ez平行于地面, 又稱水平極化。 一般情況下, Ez和Ey均存在且同相, 平面電磁波中合成電場的方向取決于Ez和Ey的相對大小。 電場方向和z軸間形成的夾角arctan(|Ey|/|Ez|)不會隨時間變動, 如圖3-30(b)所示。 上述三例中, 瞬時場向量的端點始終沿一直線移動, 統(tǒng)稱為線性極化波。 第第3章章 干擾耦合機