電磁兼容原理-林福昌

1、電磁兼容原理與應(yīng)用(第3講)林福昌戴玲12.3.12.3.2輻射場強輻射耦合方式2.3.32.3.4電磁輻射對電路產(chǎn)生的干擾減小電磁干擾的措施22.3.2輻射耦合方式天線耦合通過干擾設(shè)備導(dǎo)線感應(yīng)耦合通過電纜、導(dǎo)線感應(yīng)，沿的天線感應(yīng)進入被導(dǎo)線進入擾設(shè)備閉合回路耦合通過電路的閉合連接回路感應(yīng)形成的。31天線耦合對于有意接收無線電信號的都是通過天線耦合方式獲得所需的電信號。還存在著無意的天線耦合：例如放大器三極管的基極管腳虛焊。對于無意的天線耦合必須給予足夠的重視。4典型天線結(jié)構(gòu)有雙極/單極天線、回路天線、縫隙天線等。典型的天線結(jié)構(gòu)圖對雙極和單極天線結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線感應(yīng)的開路電壓為(L )LU E dl

2、EL（3）052導(dǎo)線感應(yīng)耦合一般設(shè)備的電纜線是由信號回路的連接線以及電源回路的供電線、地線在一起的，其中每一根導(dǎo)線都與輸入端阻抗和輸出端阻抗以及返回線一個回路。電磁輻射對導(dǎo)線的感應(yīng)耦合因此設(shè)備電纜線是設(shè)備電路在機箱外面的部分，它們最容易受到干擾源輻射場的耦合而感應(yīng)出干擾電壓（或電流），沿導(dǎo)線進入設(shè)備形成輻射干擾，此時導(dǎo)線仍可視為天線，可以用式（3）計算感應(yīng)的干擾。6在導(dǎo)線比較短、電磁波頻率較低的情況下，可以把導(dǎo)線和阻抗的回路看作為理想的閉合環(huán)路，電磁場通過閉合環(huán)路引起的干擾屬于閉合回路耦合。對于兩個設(shè)備離得較遠、電纜線很長且輻 射電磁場頻率較高的情況（例如l 4），導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓不能再看成是

3、均勻的，分析時需要把它等效成許多分布的電壓源。73閉合回路耦合起干擾作用的主要是x方向 的電場和y方向的磁場.設(shè)閉合回路長為l，回路面 積為S，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，閉合環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為U l E dl或者等于（4）電磁場對閉合回路的耦合示意圖 dU d BStdtS（5）8對于近場情況:當(dāng)場源為電偶極子時，近區(qū)場以電場為主，閉合回路的耦合為電場感應(yīng)，可以通過式（4），對電場強度沿閉合回路路徑積分得到感應(yīng)電壓。若場源為磁偶極子，近區(qū)場以磁場為主導(dǎo)，閉合回路的耦 合為磁場感應(yīng)，可以通過式（5），對從回路中穿過的磁通的變化率積分得到感應(yīng)電壓。對于遠場情況：電磁場可以看成平面電磁波，E和H的比值處

4、處相等。既可以通過電場強度E沿閉合路徑積分得到感應(yīng)電壓，也可 以通過磁場強度H對閉合回路的面積積分得到感應(yīng)電壓。92.3.12.3.22.3.3輻射場強輻射耦合方式電磁輻射對電路產(chǎn)生的干擾2.3.4減小電磁干擾的措施102.3.3 電磁輻射對電路產(chǎn)生的干擾1共模干擾直接引入導(dǎo)線的開路電壓一對導(dǎo)線周圍有一水平的電場或垂直的磁場，此時這兩根導(dǎo)線如同接收天線，會在兩導(dǎo)線上感應(yīng)開路電壓U。此共模干擾電壓將在導(dǎo)線上產(chǎn)生一電流，其回流的電流為存在于導(dǎo)線間分布電容的位移電流。當(dāng)電容分布在導(dǎo)線上時，有一對應(yīng)的回路面積存在，其形狀類似于橄欖球，此面積稱為天線的等效面積。因低頻時的容抗較高，因此電流值較小。11回

5、路面積及共模噪聲電流當(dāng)導(dǎo)線的兩端各接有電氣設(shè)備或電路時，回路面積與導(dǎo)線電容都會增加，導(dǎo)致共模電壓及電流增加。如上圖所示，當(dāng)導(dǎo)線兩端的設(shè)備直接接到接地面時，會在回路中產(chǎn)生較大的共模干擾電流。122差模干擾電場或磁場會直接透入導(dǎo)線之間（圖中兩距離為d的導(dǎo)線之間所圍的面積），從而產(chǎn)生差模干擾，擾回路的輸入/輸出端直接將干擾信號加在（圖中設(shè)備1和設(shè)備2）。13對于非平衡導(dǎo)線，例如同軸電纜，也會產(chǎn)生差模干擾。干擾包含兩部分：（1）場對導(dǎo)線的干擾，使電纜層存在干擾電流；（2）電纜的轉(zhuǎn)移阻抗將電纜層電流轉(zhuǎn)換成差模干擾.轉(zhuǎn)移阻抗的定義：（1）電纜層電流IS會在層中產(chǎn)生阻性壓降UR；（2）IS產(chǎn)生的磁場有部分滲

6、入層與芯線之間造成層芯線之間的互感小于層的自感，芯線感應(yīng)的縱向電壓小于層自感感應(yīng)的電壓，兩者的差為UL。（3）因此，電纜同一截面上的層同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗含義示意圖與芯線之間存在差模電壓UAB（UR UL）。 UAB與電纜長度成正比。體的轉(zhuǎn)移阻抗ZT定義為體感應(yīng)的差模電壓U與電纜長度體表 U面上通過的電流IS之比，即Z14TIS同軸電纜的轉(zhuǎn)移阻抗與頻率的關(guān)系電纜的性能越好，則轉(zhuǎn)移阻抗越低。轉(zhuǎn)移阻抗隨著趨膚深度的減少而降低。當(dāng)頻率低于100kHz時，ZT正比于電纜的表層電阻；超過10MHz時，ZT正比于電纜感。層的互152.3.4減小輻射干擾的措施根據(jù)電磁輻射干擾的形成原因，可以得到減少輻射干擾的措

7、施主要有：1）輻射：在干擾源和干擾對象之間一金屬物，以阻擋干擾場的。2）距離：拉開干擾源與擾對象之間的距離，電磁場能量強度隨距離增大迅速衰減。3）方向性最小點對準(zhǔn)：利用天線方向性的特點，讓干擾源方向性擾對象，以達到減小干擾的目的。4）結(jié)構(gòu)縮?。簻p小連接線的長度和高度，減小接地回路的面積。16第三章接地技術(shù)173.1保護接地與信號接地3.23.33.4電路和系統(tǒng)接地方式的選擇地線回路中的干擾及抑制技術(shù)電纜體的接地18三大抑制電磁干擾的措施之一。（接地、濾波）接地是抑制電磁干擾、提高電子設(shè)備電磁兼容性、的重要，是電子設(shè)備或系統(tǒng)正常工作的基本技術(shù)要求之一。正確的接地既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)

8、備向外發(fā)射干擾；反之，錯誤的接地會引入共地線干擾、地回路干擾等電磁干擾，甚至?xí)闺娮釉O(shè)備無法正常工作。193.1 保護接地與信號接地接地的含義與類型3.1.1地的定義是作為電路或系統(tǒng)基準(zhǔn)的等位點或平面。接地就是指在系統(tǒng)的某個選定點與某個電位基準(zhǔn)面之間建立低阻的導(dǎo)電通路。理想的基準(zhǔn)導(dǎo)體（或稱接地平面）必須是一個零電位、零阻抗的物理實體，當(dāng)電流流過時其上各點之間不應(yīng)存在電位差，它可以作為系統(tǒng)中所有電信號的參考點。然而，理想的接地平面是不存在的。電子設(shè)備中的“地”通常有兩種含義：一種是“大地”，另一種是“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”。電子設(shè)備接地的目的有兩個：一是為了安全，即接大地以泄放電荷，稱為安全接地或保護接地

9、；二是為信號電壓提供一個穩(wěn)定的零電位參考點，稱為信號接地或系統(tǒng)基準(zhǔn)地。203.1.2保護接地大地具有非常大的電容量，是理想的零電位。保護接地是以大地的電位作為零電位，把電子設(shè)備的金屬外殼、線路選定點等通過由接地線、接地極等低阻抗導(dǎo)體組成的接地裝置與大地相連接，以此避免因事故導(dǎo)致金屬外殼上出現(xiàn)過高的對地電壓而危及操作和設(shè)備的安全。21若電子設(shè)備外殼不接地，其的電路與機殼間存在泄漏電阻、分布電容等雜散阻抗。該設(shè)備工作時，機殼對地存在電壓，大小為：Z 2 U1U2 Z1 Z2機殼上的電壓U2取決于Z1和Z2 的大小，若機殼對地阻抗Z2比電路與機殼間的阻抗Z1大得多，則機箱上的電壓U2就接近高壓端的電

10、壓U1，會危及操作的安全。若機殼接地，則Z20，U20，此時接觸機殼的就不會有被電擊的。機殼通過雜散阻抗而帶電22帶有保險絲的電源線對電子設(shè)備供電。若機殼不接地，一旦電源線與機箱間的絕緣被擊穿，機殼上就會帶有電源電壓。當(dāng)觸及機殼時，電源線的電流將直接通過入地，發(fā)生觸電現(xiàn)象。若機殼接大地，就會因有大量電流而使保險絲熔斷，從而保持機箱不帶電。機殼因絕緣擊穿而帶電保護接地使設(shè)備外殼與大地之間建立了低阻抗通路，還能使雷擊電流、靜電放電電流直接流入大地，保持設(shè)備外殼的低電位，保證了人身安全。233.1.3信號接地系統(tǒng)基準(zhǔn)地是指為信號電流提供低阻抗回流路徑的基準(zhǔn)導(dǎo)體（在電子設(shè)備中通常以金屬底座、機殼、罩或

11、粗銅線、銅帶等作為基準(zhǔn)導(dǎo)體），并設(shè)該基準(zhǔn)導(dǎo)體電位為相對零電位，簡稱為系統(tǒng)地。所謂信號接地，就是指線路選定點與基準(zhǔn)導(dǎo)體（系統(tǒng)地）的連接。24三種基本的信號接地方式：單點接地、多點接地和浮地。（1）單點接地整個電路系統(tǒng)中，只有一個點被定義為接地參考點，其它各個需接地的點通過公共地線串聯(lián)到該點，亦可由各點分別引出獨立地線直接接于該點。如果系統(tǒng)包含多個機柜，在每個機柜的接地系統(tǒng)是采用單點接地的方式，最后再把整個系統(tǒng)中的各個機柜連接到系統(tǒng)唯一的接地參考點上。（a）共用地線串聯(lián)一點接地（b）獨立地線并聯(lián)一點接地25（2）多點接地是指電子設(shè)備或系統(tǒng)中各個接地點都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引線的長

12、度最短。這里所說的接地平面可以是設(shè)備的底板，也可以是貫通整個系統(tǒng)的接地母線，在比較大的系統(tǒng)中，還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架。26（3）浮地以減小由入地電流引起的電磁干擾。下圖表示系統(tǒng)地懸浮的情形，各個電路的系統(tǒng)與信號基準(zhǔn)地連通，但與大地絕緣。27保護接地與信號接地電路和系統(tǒng)接地方式的選擇3.3 地線回路中的干擾及抑制技術(shù)3.4 電纜體的接地283.2電路和系統(tǒng)接地方式的選擇理想的等電位接地面是不存在的。良好的接地要求：應(yīng)該盡量避免形成不必要的地回路；盡量減輕由于多個電路共用接地阻抗而產(chǎn)生的干擾電壓。293.2.1單點接地單點接地可以有效地避免形成地回路干擾在低頻系統(tǒng)中被廣泛采用分成串聯(lián)單點接地和并聯(lián)

13、單點接地兩種方式（a）串聯(lián)單點接地（b）并聯(lián)單點接地30串聯(lián)單點接地優(yōu)點：這種接地方式較簡單，各個電路的接地引線比較短，其電阻相對較小缺點：但因各單元共用一條線，易引起公共地阻抗干擾。U A (I1 I2 I3 )R1UB (I1 I2 I3 )R1 (I2 I3 )R2U (I I I )R (I I )R IRC123123233在具體實施中，要把低電平電路放置在最靠近接地點G的地方。此處電路最接近于基準(zhǔn)電位，該電路接地線也最短，使受干擾的可能性盡量減小。31并聯(lián)單點接地是將需要接地的各部分分別以獨立接地導(dǎo)線直接連到電位基 準(zhǔn)點（一般是直流電源的負(fù)極或零伏點） 。UA I1R1UB I2

14、R2 UC I3 R3優(yōu)點：各電路的地電位只與本電路的地電流及地阻抗有關(guān)，不受其它電路的影響。在低頻時能有效地避免公共地阻。缺點：接地線既多且長，會導(dǎo)致設(shè)備體積增大。32并聯(lián)單點接地在高頻時的實際情況在高頻時，這種接地方式會造成各地線相互間的耦合，且隨 著頻率升高而增強，相鄰地線間的電感性耦合和電容性耦合都會增強，易造成各單元間的相互干擾。由于分布電容的作用，可能會產(chǎn)生諧振效應(yīng)實際上也很難實現(xiàn)“單點接地”當(dāng)?shù)鼐€的長度接近于波長的 1/4時，地線不僅起不到接地 作用，而且將會有很強的天線效應(yīng)向外輻射干擾因此一般要求地線的長度不大于信號波長的1/20。33在實際中可以靈活采用這兩種接地方式：可以將

15、電路按照信號特性分組，相互不會產(chǎn)生干擾的電路放在一組，組內(nèi)采用串聯(lián) 單點接地，組間采用并聯(lián)單點接地。這種接地方式適用于較低的頻率范圍（一般小于1MHz），或者接地線長度小于波長的1/20的情況。343.2.2 多點接地在高頻情況下應(yīng)該采用多點接地的方式，以盡可能限制接地線長度，使其高頻阻抗減至最小。為了降低電路的地電位，每個電路的地線應(yīng)盡可能短。U I (R jL )1111U2 I (R jL2 )22U I (R jL )333335多點接地優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)比單點接地簡單，問題：設(shè)備就形成了許多地線回路，造成地回路干擾，對設(shè)備內(nèi)頻率較低的電路信號會產(chǎn)生不良影響。應(yīng)用：一般來說，在頻率高于10

16、MHz時，應(yīng)采用多點接地方式。對于1MHz到10MHz間的頻率而言，只要最長接地線的長 度小于波長的1/20，則可采用單點接地方式以避免公共阻抗耦合。363.2.3 混合接地混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)不同的特性?；旌辖拥匾话闶窃趩吸c接地的基礎(chǔ)上通過一些電感或電容多點接地，利用了電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性，使地線系統(tǒng)在不同的頻率下具有不同的接地結(jié)構(gòu)。37混合接地舉例（1）一個低電平多點接地。圖中同軸電纜的電路，希望低頻段實現(xiàn)單點接地，高頻段層與兩端的機殼連接，主回路的機殼被直接接地，而負(fù)載一側(cè)的機殼通過電容（或寄生電容）對高頻進行接地。此電容對低頻呈現(xiàn)高阻抗，避免了低頻

17、地電流回路的形成，實現(xiàn)低頻條件下單點接地；高頻時該電容呈極低阻抗，實現(xiàn)了高頻條件下兩點接地。38混合接地舉例（2）上圖為低頻時多點接地的例子。采用電感在低頻下多點接地是為了泄放電荷的安全需要，也有助于地線中的感應(yīng)瞬變現(xiàn)象和電磁干擾噪聲進入計算機供電邏輯總線。39混合接地舉例（3）電子設(shè)備的混合接地電源地和信號地。設(shè)備中各部分的電源地線都接到電源總地線 上，所有信號地線都接到信號總地線上。兩根總地線最后匯總到一個公共的參考地。在信號地中，根據(jù)工作 頻率不同而分別采用單點接地和多點接地。40保護接地與信號接地電路和系統(tǒng)接地方式的選擇地線回路中的干擾及抑制技術(shù)3.4 電纜體的接地413.3 地線回路中的干擾及抑制技術(shù)3.3.1 地線回路中的電磁干擾在實際的電子設(shè)備中，地線本身既有電阻分量又有電抗分量，當(dāng)有電流流過地線時，就會產(chǎn)生電壓降，通過一定的耦合方式對電路形成干擾。地環(huán)路干擾是一種常見的干擾現(xiàn) 象，這種干擾常常發(fā)生在通過較長電纜連接的設(shè)備。不同接地點之間的電位差導(dǎo)致了地環(huán)路電流。由于電路的不平衡性，地環(huán)路電流導(dǎo)致了對電路信號造成影響的差模干擾電壓。除了兩個設(shè)備的地電位不同會造成地環(huán)路干擾外，當(dāng)