第三章電磁騷擾的耦合與傳輸理論 2011 3 3 電磁干擾 ElectromagneticInterference 是指電磁騷擾引起的設(shè)備 傳輸通道或系統(tǒng)性能下降 電磁騷擾 ElectromagneticDisturbance 是指任何可能引起裝置 設(shè)備或系統(tǒng)性能降低 或者對(duì)有生命物質(zhì)或無(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象 電磁騷擾強(qiáng)調(diào)任何可能的電磁危害現(xiàn)象 電磁干擾強(qiáng)調(diào)這種電磁危害現(xiàn)象產(chǎn)生的結(jié)果 電磁干擾是由電磁騷擾引起的后果 復(fù)習(xí) 電磁干擾三要素 電磁干擾源 干擾傳播途徑 敏感設(shè)備 產(chǎn)生電磁干擾三要素表明 任何電磁干擾的產(chǎn)生必然存在電磁騷擾 或者騷擾電磁能量 的耦合與傳輸途徑 這里 耦合 的概念指的是電路 設(shè)備 系統(tǒng)與其它電路 設(shè)備 系統(tǒng)之間的電能量聯(lián)系 耦合起著把電磁能量從一個(gè)電路 設(shè)備 系統(tǒng) 傳輸 到另一個(gè)電路 設(shè)備 系統(tǒng)的作用 耦合途徑 是從各種電磁騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設(shè)備的通路或媒介 3 1電磁騷擾的耦合途徑定義 電磁騷擾是指任何可能引起裝置 設(shè)備或系統(tǒng)性能降低 或者對(duì)有生命物質(zhì)或無(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象 耦合途徑有兩種方式 傳導(dǎo)耦合 通過(guò)電路耦合的干擾 例如導(dǎo)線傳輸 電容耦合 電感耦合 輻射耦合 通過(guò)空間傳輸?shù)母蓴_ 1 傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合是騷擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一 傳導(dǎo)耦合必須在騷擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接 電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設(shè)備 產(chǎn)生電磁干擾 傳導(dǎo)耦合的連接電路包括互連導(dǎo)線 電源線 信號(hào)線 接地導(dǎo)體 設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件 公共阻抗 電路元器件等 2 輻射耦合輻射耦合是電磁騷擾通過(guò)其周圍的媒介以電磁波的形式向外傳播 騷擾電磁能量按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周圍空間發(fā)射 輻射耦合的途徑主要有天線 電纜 導(dǎo)線 機(jī)殼的發(fā)射對(duì)組合 通常將輻射耦合劃分為三種 天線與天線的耦合 指的是天線A發(fā)射的電磁波被另一天線B無(wú)意接收 從而導(dǎo)致天線A對(duì)天線B產(chǎn)生功能性電磁干擾 場(chǎng)與線的耦合 指的是空間電磁場(chǎng)對(duì)存在于其中的導(dǎo)線實(shí)施感應(yīng)耦合 從而在導(dǎo)線上形成分布電磁騷擾源 線與線的感應(yīng)耦合 指的是導(dǎo)線之間以及某些部件之間的高頻感應(yīng)耦合 實(shí)際工程中 敏感設(shè)備受到電磁干擾侵襲的耦合途徑是傳導(dǎo)耦合 輻射耦合 感應(yīng)耦合以及它們的組合 以圖2 3為例 敏感設(shè)備 即電視接收機(jī) 除受到來(lái)自雷電 汽車點(diǎn)火系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)發(fā)射的輻射騷擾干擾外 也受到來(lái)自電源線上的傳導(dǎo)騷擾侵襲 傳導(dǎo)騷擾可能是空間電磁波作用于電源線形成的感應(yīng)騷擾 也可能是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的騷擾通過(guò)電源插座以傳導(dǎo)方式侵襲電視接收機(jī) 正因?yàn)閷?shí)際中出現(xiàn)電磁干擾的耦合途徑是多途徑 復(fù)雜難辨的 所以才使電磁騷擾變得難以控制 目前對(duì)傳導(dǎo)耦合的具體劃分 許多資料還存在一些分歧 一種觀點(diǎn)認(rèn)為 傳導(dǎo)耦合的傳輸電路只限定于 電源線 信號(hào)線 控制線 導(dǎo)電部位 如地線 接地平面 機(jī)殼等 的可見(jiàn)性連接 將電容性耦合和電感性耦合都?xì)w屬于輻射傳輸?shù)慕鼒?chǎng)感應(yīng)耦合 如下圖所示 另一種觀點(diǎn)認(rèn)為 電容性耦合 電感性耦合以及這兩者共同作用的兩導(dǎo)體間的感應(yīng)耦合均歸屬于傳導(dǎo)耦合范圍 且 傳導(dǎo)耦合包括通過(guò)線路的電路性耦合 以及導(dǎo)體間電容和互感所形成的耦合 如下圖所示 還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為 傳導(dǎo)耦合的傳輸電路是由 金屬導(dǎo)線或集總元件構(gòu)成 因此將導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的分布參數(shù)耦合作為輻射耦合的一部分 如下圖所示 3 2傳導(dǎo)耦合的基本原理傳導(dǎo)耦合按其耦合方式可以劃分為三種基本方式 電路性耦合 電容性耦合 電感性耦合實(shí)際工程中 這三種耦合方式同時(shí)存在 互相聯(lián)系 3 2 1電路性耦合1 電路性傳導(dǎo)耦合的模型電路性耦合是最常見(jiàn) 最簡(jiǎn)單的傳導(dǎo)耦合方式 最簡(jiǎn)單的電路性傳導(dǎo)耦合模型如圖3 2所示 當(dāng)電路1有電壓U1作用時(shí) 該電壓經(jīng)Z1加到公共阻抗Z12上 當(dāng)電路2開(kāi)路時(shí) 電路1耦合到電路2的電壓為若公共阻抗Z12中不含電抗元件時(shí)為共電阻耦合 簡(jiǎn)稱為電阻性耦合 圖中 Z1 U1及Z12組成電路1Z2 Z12組成電路2Z12為電路1和電路2的公共阻抗 1 直接傳導(dǎo)耦合由式 若 則U1 U2 即電路1的電壓U1直接加至電路2 形成直接傳導(dǎo)耦合 騷擾經(jīng)導(dǎo)線直接耦合至電路是最明顯的事實(shí) 但卻往往被人們忽視 導(dǎo)線經(jīng)過(guò)存在騷擾的環(huán)境時(shí) 即拾取騷擾能量并沿導(dǎo)線傳導(dǎo)至電路而造成對(duì)電路的干擾 2 共阻性耦合當(dāng)兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí) 一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)電路 這就是共阻抗耦合 通過(guò)公共地線阻抗的耦合 消除方法 將地線盡量縮短并加粗 以降低公共地線阻抗 地線阻抗形成的耦合騷擾 消除方法 采用一點(diǎn)接地 3 電源內(nèi)阻及公共線路阻抗形成的耦合 3 2 2電容性耦合1 電容性耦合模型電容性耦合 TheCapacitiveCoupling 也稱為電耦合 它是由兩電路間的電場(chǎng)相互作用所引起 下頁(yè)圖3 6表示一對(duì)平行導(dǎo)線所構(gòu)成的兩電路間的電容性耦合模型及其等效電路 假設(shè)電路1為騷擾源電路 電路2為敏感電路 兩電路間的耦合電容為C 根據(jù)等效電路圖 b 可以計(jì)算出騷擾源電路在電路2上耦合的騷擾電壓為 式中 式表明 電容性耦合引起的感應(yīng)電壓正比于騷擾源的工作頻率 敏感電路對(duì)地的電阻R2 一般情況下為阻抗 耦合電容C 騷擾源電壓U1 電容性耦合主要在射頻頻率形成騷擾 頻率越高 電容性耦合越明顯 電容性耦合的騷擾作用相當(dāng)于在電路2與地之間連接了一個(gè)幅度為的電流源 一般情況下 騷擾源的工作頻率 敏感電路對(duì)地的電阻R2 一般情況下為阻抗 騷擾源電壓U1是預(yù)先給定的 所以 抑制電容性耦合的有效方法是減小耦合電容C 下面我們繼續(xù)分析另一個(gè)電容性耦合模型 該模型是在前一模型的基礎(chǔ)上除了考慮兩導(dǎo)線 兩電路 間的耦合電容外 還考慮每一電路的導(dǎo)線與地之間所存在的電容 地面上兩導(dǎo)體之間電容性耦合的簡(jiǎn)單表示如圖3 7所示 圖中 C12是導(dǎo)體1與導(dǎo)體2之間的雜散電容 C1G是導(dǎo)體1與地之間的電容 C2G是導(dǎo)體2與地之間的電容 R是導(dǎo)體2與地之間的電阻 電阻R出自于連接到導(dǎo)體2的電路 不是雜散元件 電容C2G由導(dǎo)體2對(duì)地的雜散電容和連接到導(dǎo)體2的任何電路的影響組成 圖3 7地面上兩導(dǎo)線間電容性耦合模型 3 4 如果R為低阻抗 且滿足那么 式 3 4 可簡(jiǎn)化為UN j C12RU1 3 5 式 3 5 表明 電容性耦合的騷擾作用相當(dāng)于在導(dǎo)體2與地之間連接了一個(gè)幅度為In j C12U1的電流源 式 3 5 是描述兩導(dǎo)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(guān)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(gè)減小電容性耦合的參數(shù)C12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 如果R為高阻抗 且滿足 那么 式 3 4 可簡(jiǎn)化為 3 6 式 3 6 表明 在導(dǎo)體2與地之間產(chǎn)生的電容性耦合騷擾電壓與頻率無(wú)關(guān) 且在數(shù)值上大于式 3 5 表示的騷擾電壓 式 3 6 給出了最大的騷擾電壓UN 圖3 8電容性騷擾耦合與頻率的關(guān)系 當(dāng)頻率滿足關(guān)系 3 7 圖3 8給出了電容性耦合騷擾電壓UN的頻率響應(yīng) 它是式 3 4 的騷擾電壓UN與頻率的關(guān)系曲線圖 圖3 9導(dǎo)體2具有屏蔽體時(shí)兩導(dǎo)線間電容性耦合模型 3 11 3 2 3電感性耦合1 電感性耦合模型電感性耦合 InductiveCoupling 也稱為磁耦合 它是由兩電路間的磁場(chǎng)相互作用所引起 當(dāng)電流I在閉合電路中流動(dòng)時(shí) 該電流就會(huì)產(chǎn)生與此電流成正比的磁通量 該磁通量與電流I的比值稱為電感 L I 電感的值取決于電路的幾何形狀和包含場(chǎng)的媒質(zhì)的磁特性 如圖3 10所示 S是閉合回路的面積 B是角頻率為 弧度 秒 的正弦變化磁通密度的有效值 TheRMSValue Un是感應(yīng)電壓的有效值 3 3電磁輻射的基本理論電磁兼容問(wèn)題實(shí)際上是要解決系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)間的電磁干擾問(wèn)題 騷擾源產(chǎn)生的騷擾通過(guò)輻射耦合或 和 傳導(dǎo)耦合到接受器 在分析騷擾源時(shí)常常用到兩個(gè)基本的騷擾源 天線 模型 即表示在圖3 15中的長(zhǎng)為l的電基本振子 短線天線 和表示在圖3 16中的磁基本振子 小圓環(huán)天線 短 和 小 是相對(duì)于其輻射的電磁波的波長(zhǎng)而言的 即 基本振子也稱為偶極子 3 3 1電磁輻射的物理概念隨時(shí)間變化的電磁擾動(dòng)是以有限速度傳播的 稱之為電磁波動(dòng)或電磁波 理論和實(shí)踐都已經(jīng)證明 電磁波的電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量能夠脫離場(chǎng)源在空間傳播 電磁能量向遠(yuǎn)處傳播而不再返回場(chǎng)源的現(xiàn)象稱為電磁輻射 電磁波就其與波源的關(guān)系來(lái)看 可以分為兩類 一類是在波源附近的束縛電磁波 它的電磁能量不僅在電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量之間來(lái)回轉(zhuǎn)換 而且在波源與其周圍空間之間來(lái)回轉(zhuǎn)換 某時(shí)束縛電磁波的電磁總能量是隨時(shí)間增加的 這時(shí)波源供給能量 在另外的時(shí)間 束縛電磁波的電磁總能量是隨時(shí)間減少的 波源由電磁場(chǎng)吸收能量 也就是束縛電磁波交出能量 束縛電磁波的能量是不向遠(yuǎn)方輻射的 另一類是電磁能量完全輻射的 即自由電磁波 在遠(yuǎn)離波源的地方 電磁波能量基本上完全是自由電磁波能量 在波源附近除了束縛電磁波以外 也有自由電磁波 只是束縛電磁波的能量或電磁場(chǎng)比自由電磁波大得多 束縛電磁波的電磁場(chǎng)也稱為感應(yīng)場(chǎng) 而自由電磁波的電磁場(chǎng)則稱為輻射場(chǎng) 在離開(kāi)波源相當(dāng)遠(yuǎn)的區(qū)域輻射場(chǎng)又比感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)得多 產(chǎn)生輻射的直接原因是變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)化 麥克斯韋方程表明 電磁場(chǎng)變化的快慢決定了電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱 也就決定了電磁輻射能量的多少 由于電磁場(chǎng)變化的快慢是由波源的頻率決定的 所以波源的頻率是直接影響電磁輻射的重要因素之一 當(dāng)波源頻率很高時(shí) 電場(chǎng)的高速變化在空間形成強(qiáng)大的位移電流 位移電流接著在其鄰近空間產(chǎn)生強(qiáng)的磁場(chǎng) 而該磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化又在附近產(chǎn)生變化的電場(chǎng)即位移電流 如此循環(huán)往復(fù) 變化的電磁場(chǎng)不但相互轉(zhuǎn)化而且在空間向前推進(jìn) 這種推進(jìn)的過(guò)程即為電磁波的輻射過(guò)程 波源頻率越高 位移電流就越強(qiáng) 輻射的電磁能量就越多 3 3 2基本振子電磁場(chǎng)分布的一般表示式1 電基本振子的電磁場(chǎng)分布電基本振子是指一段載有高頻電流的短導(dǎo)線 所謂短 是指其長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于所輻射的電磁波的工作波長(zhǎng) 這時(shí)導(dǎo)線上各點(diǎn)電流的振幅和相位可視為相同 雖然實(shí)際的線天線上各處電流的大小和相位不同 但其上的電流分布可以看成是由許多首尾相連的一系列電基本振子的電流組成 而各電基本振子上的電流可分別看作常數(shù) 因此電基本振子也稱為電流元 電流元輻射場(chǎng)的分析計(jì)算是線天線工程計(jì)算的基礎(chǔ) 2 磁基本陣子的電磁場(chǎng)分布磁基本陣子是一個(gè)半徑為的細(xì)導(dǎo)線小圓環(huán) 載有高頻時(shí)諧電流 如下圖3 16所示 當(dāng)此細(xì)導(dǎo)線小圓環(huán)的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí) 可以認(rèn)為流過(guò)圓環(huán)的時(shí)諧電流的振幅和相位處處相同 所以磁基本陣子也被稱為磁偶極子 磁陣子組成的平面陣 3 3 3近區(qū)場(chǎng)與遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)由電基本振子和磁基本振子的電磁場(chǎng)分布表示式可見(jiàn) 電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度由幾項(xiàng)組成 各項(xiàng)的數(shù)值均隨離開(kāi)場(chǎng)源的距離的增加而減小 但是各項(xiàng)的減小程度不同 在的各點(diǎn) 電磁場(chǎng)主要取決于分母中含的kr的最低次冪項(xiàng) 而在的各點(diǎn) 電磁場(chǎng)主要取決于分母中含的kr的最高次冪項(xiàng) 根據(jù)這個(gè)概念 整個(gè)存在電磁場(chǎng)的空間分為三個(gè)區(qū) 的遠(yuǎn)區(qū) 的近區(qū) 的中間區(qū) 1 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 輻射場(chǎng)當(dāng)時(shí) 場(chǎng)點(diǎn)P與源點(diǎn)的距離r遠(yuǎn)大于波長(zhǎng) 與這些點(diǎn)相應(yīng)的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū) 2 近區(qū)場(chǎng) 感應(yīng)場(chǎng)當(dāng)時(shí) 場(chǎng)點(diǎn)P與源點(diǎn)的距離r遠(yuǎn)大于波長(zhǎng) 與這些點(diǎn)相應(yīng)的區(qū)域稱為近區(qū) 近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的性質(zhì)不同 場(chǎng)分布特點(diǎn)不同 測(cè)量方法也不同 k 相位系數(shù) 單位rad m 3 4近場(chǎng)的阻抗通常將空間某處的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的橫向分量的比值稱為媒質(zhì)的波阻抗ZW 由于一般情況下電場(chǎng)和磁場(chǎng)不相同 因此波阻抗常常是復(fù)數(shù) 即電基本振子和磁基本振子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的波阻抗為它等于媒質(zhì)的波阻抗 特征阻抗 在自由空間 基本振子的波阻抗可以簡(jiǎn)化為但是近區(qū)場(chǎng)的波阻抗表示式復(fù)雜的多 且電基本振子和磁基本振子的近區(qū)場(chǎng)的波阻抗表示式完全不同 在近場(chǎng) TheNearField 中 波阻抗取決于源的性質(zhì)和源到觀察點(diǎn)的距離 如果源具有高電流 低電壓 近場(chǎng)波阻抗小于媒質(zhì)的波阻抗 的特性 那么近場(chǎng)中占優(yōu)勢(shì)的場(chǎng)是磁場(chǎng) 相反地 如果源具有低電流 高電壓 近場(chǎng)波阻抗大于媒質(zhì)的波阻抗 的特性 那么近場(chǎng)中占優(yōu)勢(shì)的場(chǎng)是電場(chǎng) 在近場(chǎng)中 必須分別考慮電場(chǎng)和磁場(chǎng) 因?yàn)榻鼌^(qū)場(chǎng)的波阻抗不是常數(shù) 然而 在遠(yuǎn)場(chǎng) TheFarField 中 電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直且都垂直于傳播方向 形成了平面橫電磁波TEM波 具有媒質(zhì)的波阻抗 因此 當(dāng)討論平面電磁波的時(shí)候 假定電場(chǎng) 磁場(chǎng)處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) 當(dāng)分開(kāi)討論電場(chǎng) 磁場(chǎng)時(shí) 就認(rèn)為電場(chǎng) 磁場(chǎng)處于近場(chǎng)區(qū) 3 5輻射耦合通過(guò)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(chǎng)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(duì)象 這種傳輸路徑小至系統(tǒng)內(nèi)可想象的極小距離 大至相隔較遠(yuǎn)的系統(tǒng)間以及星際間的距離 許多耦合都可看成是近場(chǎng)耦合模式 而相距較遠(yuǎn)的系統(tǒng)間的耦合一般是遠(yuǎn)場(chǎng)耦合模式 輻射耦合除了從騷擾源有意輻射之外 還有無(wú)意輻射 例如無(wú)線電發(fā)射裝置除發(fā)射有用信號(hào)外 也產(chǎn)生帶外無(wú)意發(fā)射 騷擾源以電磁輻射的形式向空間發(fā)射電磁波 把騷擾能量隱藏在電磁場(chǎng)中 使處于近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的接受器存在著被騷擾的威脅 任何騷擾必須使電磁能量進(jìn)入接受器才能產(chǎn)生危害 那么電磁能量是怎樣進(jìn)入接受器的呢 這就是輻射的耦合問(wèn)題 一般而言 實(shí)際的輻射騷擾大多數(shù)是通過(guò) 天線 電纜導(dǎo)線和機(jī)殼感應(yīng)進(jìn)入接受器 電纜導(dǎo)線感應(yīng) 然后沿導(dǎo)線傳導(dǎo)進(jìn)入接受器 接收機(jī)的天線感應(yīng)進(jìn)入接受器 接受器的連接回路感應(yīng)形成騷擾 金屬機(jī)殼上的孔縫 非金屬機(jī)殼耦合進(jìn)入接收電路 因此 輻射騷擾通常存在四種主要耦合途徑 天線耦合 導(dǎo)線感應(yīng)耦合 閉合回路耦合和孔縫耦合 3 5 1導(dǎo)體的天線效應(yīng)任何載有時(shí)變電流的導(dǎo)體都能向外輻射電磁場(chǎng) 同樣 任何處于電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體都能感應(yīng)出電壓 因此 金屬導(dǎo)體在某種程度上可起發(fā)射天線和接收天線的作用 例如 架空配電線 信號(hào)線 控制線均起天線作用 金屬設(shè)備外殼也起天線作用 3 5 2輻射耦合方式1 天線與天線間的輻射耦合天線與天線間的輻射耦合是一種強(qiáng)輻射耦合 它是指某一天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在另一天線上的電磁感應(yīng) 根據(jù)耦合的作用距離可劃分為近場(chǎng)耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合 根據(jù)耦合作用的目的可劃分為有意耦合和無(wú)意耦合 一般按照不同的性能要求和用途 采用金屬導(dǎo)體做成特定形狀 用于接收電磁波的裝置就是天線 當(dāng)電磁波傳播到天線導(dǎo)體表面時(shí) 電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的高頻振蕩在天線導(dǎo)體中引起電磁感應(yīng) 從而產(chǎn)生感應(yīng)電流 經(jīng)饋線流入接收