計算機通信網(wǎng)課件

1、24 干擾信號的傳播 干擾信號，由干擾源發(fā)生，經(jīng)過一定的傳播途徑到達接收機，造成干擾。,241 傳導(dǎo)干擾的傳播 電導(dǎo)性耦合、電阻性耦合，電容性耦合，電感性耦合一、電導(dǎo)性耦合1、 電導(dǎo)性耦合 電導(dǎo)性耦合是最常見的傳輸耦合方式，干擾通過連接兩元器件或設(shè)備（系統(tǒng)）之間的導(dǎo)線、電纜從干擾源直接傳輸至接收器。在低頻情況下，導(dǎo)線表現(xiàn)為單純電阻，在高頻情況下，還應(yīng)該考慮導(dǎo)線的電感及雜散電容。 圓截面導(dǎo)線的電阻和阻抗 一根均勻截面的導(dǎo)線的直流電阻為 式中導(dǎo)線長度l的單位為m，導(dǎo)線橫截面積S的單位為m2，導(dǎo)線電阻率的單位為m。,在高頻時，由于趨膚效應(yīng)，電流向表面集中，趨膚深度可以表示為： 式中為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率0r

2、，f為頻率，單位是Hz，為電導(dǎo)率，單位是S/m。表241中列出幾種常用導(dǎo)線材料的趨膚深度。 表241 幾種常用材料的趨膚深度（ mm ）與頻率的關(guān)系,從表2-4-1可以看出，對于一般導(dǎo)體如直徑為0.8mm的導(dǎo)線，當(dāng)頻率在100kHz以上時，趨膚效應(yīng)就十分明顯了。在有趨膚效應(yīng)的情況下， 因為高頻電流只在截面上靠近表面的部分流動， 所以導(dǎo)線的有效截面比實際截面小，可以寫為： ，導(dǎo)線的高頻電阻RRF為 可以看出，導(dǎo)線的高頻電阻RRF比直流電阻RDC大。表242中列出了一根直徑為0.2mm，長度為l0cm的銅導(dǎo)線的高頻電阻。,表242 直徑為0.2mm，長度為l0cm的銅導(dǎo)線的高頻電阻 高頻時，除了考

3、慮高頻電阻外，導(dǎo)線的電感將起主要作用。對于一根長度為l，直徑為D的導(dǎo)線，當(dāng)l/Dl時，導(dǎo)線的電感為： 式中l(wèi)和D的單位為m。,導(dǎo)線的總阻抗為： 對于高頻情況，LRRF，因此高頻時導(dǎo)線的阻抗為：,一般情況下，對于高頻信號，LRRFRDC，因此導(dǎo)線的阻抗主要是電感的感抗。頻率越高，感抗越大，這對于信號的傳輸是很不利的。因此要求負載阻抗應(yīng)和傳輸線的特性阻抗匹配，這樣信號沿傳輸線傳播沒有反射，直至終端為負載電阻所吸收。,二、電阻性耦合(共阻抗耦合）、通過公用電源內(nèi)阻的耦合 如圖241所示,放大器1中的干擾信號通過電源,地線構(gòu)成回路，在電源內(nèi)阻ZC上產(chǎn)生一電壓降ZCii， 與電源產(chǎn)生的干擾電壓Vi(如交

4、流聲等)疊加，形成一干擾電壓 ViZciiVi 加在放大器2上。,、通過公共接地回路的耦合 如圖242，BG1的輸出電流在公共接地回路的等效電阻ZC上產(chǎn)生一電壓降i1ZC，作為干擾電壓加在BG2的輸入端（將被放大）。,由理論分析可以導(dǎo)出，接地平面上距離為l的兩點之間的阻抗為：,其中：RDC：接地平面上的直流表面電阻， RRF：接地平面上的射頻表面電阻 K：射頻表面電阻與直流表面電阻的比值， 大于1的常數(shù)（趨膚效應(yīng)）， ：相對于銅的某金屬的電導(dǎo)率( i / Cu), ：相對于銅的某金屬的磁導(dǎo)率(i / Cu)。 接地平面上兩點間的阻抗，當(dāng)l8時，可以變得相當(dāng)大。,、通過公用地線的耦合 如圖243

5、，幾臺設(shè)備通過一根公用導(dǎo)線接地時，接地線上的電流比較大，在接地線上將產(chǎn)生一電壓降ZC（I1I2），各設(shè)備之間可能互相干擾。,對于電阻性耦合，以上各種公共阻抗（例如電源內(nèi)阻、公共接地回路的阻抗、公用地線的電阻）都很小，屬于分布阻抗（分布電阻），在電路圖上都被忽略，但是在研究干擾時，成為干擾信號的耦合途徑。三、電容性型耦合： f較高時，干擾信號和可以通過導(dǎo)線間的分布電容從一個回路傳到另一個回路，稱為。,例如：圖244（a），接地板上兩平行導(dǎo)線之間的電容耦合，C12是耦合電容，f越高，電容耦合越強。C1、C2分別是兩導(dǎo)線對地的電容，等效電路如圖244(b)、（c）、（d）所示。,244（b）等效電路

6、244（c）低頻244（d）高頻,頻率較高時，圖244（c），干擾電壓：耦合系數(shù)：一般情況下：,用分貝表示： 常見的傳輸線的耦合電容（表243，利用電軸法計算）。 例題：兩根無限長平行導(dǎo)體圓柱線，半徑均為 a，軸線間的距離為 d（d2a）,如圖所示, 求單位長度的電容C0 。,解：利用電軸法求解。等效電軸 的位置如圖中所 示（ ），導(dǎo)體圓柱體外任一點的電位： 左邊導(dǎo)體上的A點：r2b(ha)，r1b(ha)，左邊導(dǎo)體的電位為：右邊導(dǎo)體上的B點：r2b(ha)，r1b(ha)，右邊導(dǎo)體的電位為：,兩導(dǎo)體間的電位差單位長度的電容：,三、電感性耦合，干擾信號通過導(dǎo)線間的分布電 感或線圈和變壓器的漏磁

7、，從一個回路傳到 另一個回路。,例如：如圖246，接地板上兩平行導(dǎo)線之間 的電感耦合，,等效電路如圖247所示，M是互感系數(shù)，干擾電壓：M是單位長度的互感系數(shù)，利用復(fù)數(shù)計算：,設(shè)回路1匹配，i1V1RL1，設(shè)回路2也匹配（R2RL2），常見的導(dǎo)線及線圈間的互感：表244。,表245 兩根平行導(dǎo)線之間的互感M（H）,242 輻射干擾的傳播 主要介紹近距離內(nèi)輻射干擾的傳播。（不介紹遠距離的傳播，例如：通過電離層和對流層的散射，山峰的繞射，這些在電波傳播課程中介紹）一、輻射干擾的發(fā)射和接收、輻射干擾的發(fā)射（在223節(jié)中介紹了輻射干擾 源） 天線輻射：廣播、電視、通信、雷達，用天線 輻射。 等效天線輻

8、射：導(dǎo)線、傳輸電纜中通過高頻電流， 就有天線輻射效應(yīng)。 設(shè)備的電磁泄漏，例如ISM設(shè)備機殼的縫隙、孔徑。, 放電輻射:電暈放電、火花放電、弧光放電、 輝光放電、靜電放電。 、輻射干擾的接收 天線接收 等效天線接收：各種導(dǎo)線、電纜、機殼都有 天線效應(yīng)，可以接受輻射干擾信號。接收能力與干擾信號的特性有關(guān)： 水平放置的天線，可以接收水平極化波干擾 信號， 垂直放置的天線，可以接收垂直極化波干擾 信號。,二、近區(qū)場的耦合（近區(qū)場：236，范圍：r 2 輻射源的近區(qū)是感應(yīng)場，干擾信號的傳播沒有滯后效應(yīng)（遠區(qū)場*）, 近區(qū)干擾場在被干擾設(shè)備的等效天線（導(dǎo)線、電纜、機殼）上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。三、遠區(qū)輻射場的傳

9、播 輻射源的遠區(qū)是輻射場，干擾信號以電磁波的形式傳播，傳播的途徑有：地面波傳播、天波傳播、視距傳播、反射傳播和繞射傳播等。,1、 自由空間電磁波的傳播和衰減（自由空間是 指無損耗的空間，如真空）輻射功率密度S和場強E， 設(shè)一天線，輸入功率為PT，增益為GT，則在距天線r處最大輻射方向上的輻射功率密度：,由遠區(qū) 可以解出* ： 自由空間中的傳播衰減 設(shè)一接收天線的有效接收面積為Ae，增益為GR，則：,接收天線的輸出功率（由(2-4-16)、(2421)） 定義自由空間中的傳播衰減為：用dB可以表示為： 可以看出，自由空間內(nèi)的傳播衰減與f和r有關(guān)，r或f增大1倍，衰減6dB * 。, 損耗媒質(zhì)中的

10、傳播衰減（例如空氣中）， 由于空氣對電磁波的吸收或散射，電磁波在傳播過程中有損耗，設(shè)損耗為A，定義為： 是負值其中：E是接收點的實際場強（測量），E0是該點 的自由空間場強（計算）。 A與輻射頻率、傳播距離、地面參數(shù)、氣候條件等因素有關(guān)。 損耗媒質(zhì)中的傳播衰減為：,2、輻射干擾的傳播途徑 表246 電磁波波段的劃分, 地面波傳播：沿地表面?zhèn)鞑?地面波受地面參數(shù)(、干濕程度等)的影響很大，f越高，地面對電磁波的吸收越強，所以地面波主要傳播較低頻率的電磁波（一般30K30MHz），例如長波和中波。地面波主要是垂直極化波。 天波傳播 天線發(fā)射的電磁波，在高空被電離層反射后到達地面的接收點，稱為天波傳

11、播。長波、中波、短波都可以利用天波傳播。天波傳播受電離層的厚度和高度的影響，并受到太陽、地球磁場的影響，還與時間有關(guān)。,視距傳播 在超短波和微波段，由于頻率很高,電磁波沿地面?zhèn)鞑サ膿p耗很大，又不能被電離層反射,主要采用視距傳播方式。 視距傳播是指在發(fā)射天線和接收天線能互相“看得見”的距離內(nèi)，電波從發(fā)射天線直接傳播到接收點，也稱為直接波或空間波傳播。在接收點，除收到直射波外，還可以接收到地面反射波，如圖248所示。電視、調(diào)頻廣播、移動通信，微波接力通信都屬于視距傳播。,透射傳播 干擾信號透過障礙物（如建筑物）的傳播。例如：電磁波穿過墻壁的損耗與墻壁的結(jié)構(gòu)(鋼筋混凝土 結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)）及干濕程度有

12、關(guān)。 測試表 明，高大建筑物（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) ）單層墻壁對電 磁波的衰減約為 510 dB，單棟建筑物的衰減約為 1520dB。 繞射（衍射）傳播 干擾信號繞過傳播路徑上的障礙物的傳播方式（測量中，緊貼建筑物后信號很弱，遠離一些，信號又增強）。波長越長繞射能力越強，因此長波、中波、短波繞射能力比較強，超短波（電視、調(diào)頻廣播）、微波繞射能力比較弱，機殼上縫隙的泄漏也是繞射傳播。, 反射傳播干擾信號可以通過地面、建筑物、大型廣告牌、車輛的金屬外殼的反射到達接收點。四、輻射場與被干擾設(shè)備的耦合 1、輻射場通過天線的耦合干擾。 2、輻射場對導(dǎo)線（或回路）的耦合干擾。 很多電子設(shè)備用金屬殼屏蔽，干擾場可

13、以通 過引出的電源線或電纜耦合進入設(shè)備造成干 擾。設(shè)有兩個設(shè)備A和B，通過兩根平行導(dǎo)線 連接，如圖249（a）所示，輻射場在導(dǎo) 線上可能產(chǎn)生兩種感應(yīng)電壓：,在導(dǎo)線與系統(tǒng)地構(gòu)成的回路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓 UC，如圖249(b)所示，等效電路如圖2 49(c)所示。,設(shè)輻射場為若輻射場以電場為主(f較高時),在回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓：,h：導(dǎo)線距地面的高度，l：導(dǎo)線的長度。若輻射場以磁場為主(f較低時)，在回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓：,UC在兩根導(dǎo)線中產(chǎn)生方向相同、大小和相位也相同的電流i1、i2，UC稱為共模電壓，這種場對回路的耦合稱為共模耦合。兩根導(dǎo)線和設(shè)備（輸出、輸入端）構(gòu)成的回 路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓UD，

14、如圖 2-4-10(a)所 示，等效電路如圖 2-4-10(b)，計算方法與 上面相同。,若輻射場以電場為主：若輻射場以磁場為主： UD在兩根導(dǎo)線中產(chǎn)生方向相反、大小相等的電流I1、i2，UD稱為差模電壓，這種場對回路的耦合稱為差模耦合。 單位電場和單位磁場在回路中產(chǎn)生的干擾電壓與頻率的關(guān)系如圖2411、2412所示?？梢钥闯?，頻率較高時，感應(yīng)電壓就比較大了。,圖2411 單位電場在回路中產(chǎn)生的干擾電壓 與頻率的關(guān)系,圖2412 單位磁場在回路中產(chǎn)生的干擾電壓 與頻率的關(guān)系,、f每增加10倍，V1/E0（V1B0）增加20dB。、由(2-4-29)式、(2-4-31)(2-4-33)式： l（

15、2n1），n1，2，出現(xiàn) 極大值( ) l2n，n1，2，出現(xiàn)極小值：,、輻射場對機殼的耦合干擾輻射場可以通過設(shè)備機殼上的孔徑，縫隙的 衍射（繞射）進入設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生干擾，波長越 長繞射能力越強。機殼上沒有孔徑，縫隙，輻射場也可以通過 在機殼上產(chǎn)生的感應(yīng)電流耦合到機殼內(nèi)，由 于趨膚效應(yīng)，機殼的導(dǎo)體板越厚，耦合到機 殼內(nèi)的干擾場越弱。243電磁干擾耦合模型 綜合241、242的內(nèi)容，可繪出電磁干擾的耦合模型，如圖2413所示。,C：電容耦合，L：電感耦合，Z：共阻抗耦合，NC：近場耦合，F(xiàn)R：遠場輻射。,244 電磁干擾的預(yù)測計算 建設(shè)一些電磁輻射的設(shè)備，都要求進行電磁輻射環(huán)境預(yù)測，例如: 電視發(fā)射

16、塔 電視廣播信號的覆蓋范圍， 周圍的電磁環(huán)境。 電磁干擾預(yù)測計算內(nèi)容很多，包括：地面波干擾場強的計算，天波干擾場強的計算（中波、短波），視距傳播干擾場強的計算，超短波干擾場強的計算和微波干擾場強的計算。只介紹一些基本的概念和一些常見的例子。,一、一些基本參數(shù)：進行電磁干擾的預(yù)測計算， 首先需要了解電磁干擾源，被干擾設(shè)備和干擾場的一些基本參數(shù)。1、電磁干擾源： 干擾信號的頻率或頻譜、輻射功 率PT、發(fā)射天線的增益GT，輻射方向性（ 方向 圖、方向圖函數(shù)F（，）、天線高度2、被干擾設(shè)備：工作頻率、距干擾源的距離r，接 收天線的增益GR，接收天線的高度3、干擾場：輻射功率密度S（ 能流密度)，電場強

17、 度E，磁場強度H (或B)，遠（近）區(qū)場特性， 地面條件，環(huán)境條件(周圍建筑物的分布),二、地面波場強（例1） 長波和中波，通常采用地面波傳播，在距離輻射源r處地面波場強（峰值）的計算公式為*：其中，PT：發(fā)射天線的輸入功率（KW）， G T：發(fā)射天線的增益， r：距離（km）， A：衰減因子， F（，）：發(fā)射天線的方向圖函數(shù)。,推導(dǎo)：,1、地面波衰減因子 對于垂直極化波 對于水平極化波 其中,d：干擾源和被干擾設(shè)備之間的距離km， ：大地的相對介電常數(shù)， ：大地的電導(dǎo)率， ：干擾信號的波長m。,表247 一些常用的地質(zhì)參數(shù),2、方向圖函數(shù) 例如：對于單塔中波天線 其中：h是天線的高度， 是

18、仰角，如圖 2 414所示，,對于常用的中波單塔天線，h2（150KW） h4（10KW）地面附近，0，F(xiàn)（）1。 例題：一中波廣播發(fā)射天線建在城市居民區(qū)， 高度為 154m，輻射功率為100KW，增益為1.5dB，發(fā)射頻率 為972KHz的垂直極化波。求距發(fā)射天線500m，高度 為1.6m處的電場強度。解：發(fā)射頻率為972KHz，波長為308.6m；由表2-4-7,對 于城市居民區(qū)， 代入垂直極化波 公式可以求得：,再由（2435）式 A0.99995在距發(fā)射天線500m，高度為1.6m處，0.1833由（2436）式可以求出：F(h)取為1.2，再由（2434）式即可求出三、視距傳播信號的場強（例2） 視距傳播仍如圖 248所示，,接收點的場強：其中： 是直射波的場強， rr2r1，是波程差， 2， R和分別是反射點處反射系數(shù)的模和 相位。,對于水平極化波，對于垂直極化波， 是反射點處的仰角，不同地質(zhì)r和與頻率的關(guān)系曲線，海水和地面上反射系數(shù)（包括R和）曲線如圖2415（a）、（b）所示。,241