電磁環(huán)境

電磁干擾的耦合途經

電氣工程系江濱浩博士研究生學位課－電磁兼容（2）當前第1頁\共有77頁\編于星期六\11點

主要內容電磁干擾現(xiàn)象電磁干擾三要素時域與頻域電磁干擾源敏感體及其特性電磁干擾的耦合途經電磁輻射的基本理論傳導耦合的基本理論電磁騷擾的抑制策略當前第2頁\共有77頁\編于星期六\11點

電磁干擾現(xiàn)象數(shù)字脈沖電路開關電源數(shù)字視頻設備220AC電磁噪聲（騷擾）：任何可能引起設備或系統(tǒng)性能下降的電磁現(xiàn)象——強調任何可能的電磁危害現(xiàn)象原因。電磁干擾：電磁噪聲（騷擾）所引起的設備、傳輸通路或系統(tǒng)性能的下降電磁危害現(xiàn)象——強調產生的結果。雷電等當前第3頁\共有77頁\編于星期六\11點電磁干擾三要素三個要素：干擾源、耦合路徑和敏感源干擾兼容臨界當前第4頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第5頁\共有77頁\編于星期六\11點

常見干擾源無線通信電磁干擾源：5個，各源的性質不同

耦合方法：5＋2或4+1＋（1＋1）雷電等自然干擾源脈沖電路

人為干擾感性負載通斷直流電機、變頻調速器（敏感源）當前第6頁\共有77頁\編于星期六\11點電磁騷擾源的分類非功能性干擾源其他分類：根據(jù)電磁干擾的耦合途徑、性質、方式、頻譜寬度、頻率范圍等進行分類，如：電場干擾、磁場干擾和電磁場干擾；寬帶干擾和窄帶干擾，傳導干擾，輻射干擾等等。當前第7頁\共有77頁\編于星期六\11點

電磁騷擾（源）的性質頻譜寬度—按照電磁騷擾能量的頻率分布特性，可以確定其頻譜寬度。連續(xù)波交流聲騷擾的頻譜寬度最窄，單價脈沖函數(shù)的頻譜諾寬度最寬。

波形幅度或電平出現(xiàn)率輻射騷擾的極化特性輻射騷擾的方向特性天線的有效面積—表征敏感設備接收騷擾場強能力的參數(shù)，等于傳送到匹配負載的平均功率密度與入射到天線上的電磁波平均功率密度之比。天線有效面積越大，敏感設備接收電磁騷擾的能力就越強。電磁兼容處理問題的原則是留有一定量的裕度當前第8頁\共有77頁\編于星期六\11點電磁信息發(fā)射干擾其它電子設備被別有用心的人接收，獲取信息功能性發(fā)射干擾特例當前第9頁\共有77頁\編于星期六\11點

產生電磁干擾的條件

突然變化的電壓或電流，即dV/dt或dI/dt

很大頻譜寬度大，輻射強/傳導抑制（濾波等）困難。實際問題中，遇到電壓、電流的突然變化，需要考慮潛在的電磁干擾問題

輻射天線或傳導導體（載體）當前第10頁\共有77頁\編于星期六\11點

頻譜分析EMC分析更多是在頻域中進行，且不考慮相位因素

所有的電場兼容標準中對發(fā)射的限制范圍都是在譜域中規(guī)定的電磁兼容技術措施與頻率關系密切，例如濾波器的截止頻率電磁兼容分析側重于干擾在特定頻率上的能量分布，時間和相位等關注很少當前第11頁\共有77頁\編于星期六\11點

頻域分析

時域波形頻譜分量付立葉級數(shù)(周期)付立葉變換(非周期)示波器觀察頻譜分析儀觀察當前第12頁\共有77頁\編于星期六\11點一個正弦波在5次諧波和7次諧波的影響下怎樣發(fā)生畸變。（相對于基波的24%和9%）。

7thharmonic5thharmonicfundamentalharmonicsdistortedwavefundamental基波和諧波引起的失真波形

當前第13頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第14頁\共有77頁\編于星期六\11點譜密度頻率很低時頻率較低時高頻時簡化：不考慮相位，當前第15頁\共有77頁\編于星期六\11點

脈沖信號的頻譜d諧波幅度（電壓）trV1/tr頻率（對數(shù)）兩個轉折點

一個轉折點當前第16頁\共有77頁\編于星期六\11點信號的頻譜

脈沖波形有較寬的頻率帶寬頻率幅度在低頻段較高，在低頻段較低，下降的速度與脈沖邊沿與陡度有關，越陡，下降越慢電磁兼容的角度，希望頻譜帶要窄，因為，高頻時串擾和輻射強，當前第17頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第18頁\共有77頁\編于星期六\11點自然環(huán)境因素一般電磁環(huán)境構成因素人為環(huán)境因素①雷電電磁輻射源。②靜電電磁輻射源。③太陽系和星際電磁輻射源。④地球和大氣層電磁場等。①各種電磁發(fā)射系統(tǒng)：電視、廣播發(fā)射臺，無線電臺、站，導航系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，差轉臺，干擾臺，微波接力站等。②工頻電磁輻射系統(tǒng)：高電壓送、變電系統(tǒng)，大電流工頻設備，輕軌和干線電氣化鐵道等。③工業(yè)、科學、醫(yī)療、商業(yè)領域應用的有電磁輻射的各種設備或系統(tǒng)。④以電火花點燃內燃機為動力的交通工具和機器設備。⑤各種家用電器、現(xiàn)代化辦公設備、電動工具等。⑥用于軍事目的的強電磁脈沖源：核電磁脈沖及非核電磁脈沖源如電磁脈沖武器、高功率微波彈和各種電子對抗輻射源等當前第19頁\共有77頁\編于星期六\11點

地表面自然磁場的分布當前第20頁\共有77頁\編于星期六\11點

地表面的自然電場地球表面如果沒有電磁場，也會影響各種生物的成長，既所謂的“電磁饑餓”。

地球和導體（電離層）組成球形電容器模型

其間有漂移的自由電荷（離子），離子（密度）隨著高度而變化（增加），

電場力線垂直于地球表面，并且使地表面帶負電

當前第21頁\共有77頁\編于星期六\11點

雷電放電

雷電放電的三個階段：先導階段，主放電階段，余解放電階段當前第22頁\共有77頁\編于星期六\11點雷電日——在一年中，能聽到一聲（或以上）雷聲的總天數(shù)當前第23頁\共有77頁\編于星期六\11點雷電流的特性雷電放電速度很快，雷電流的幅值很大，陡度很高，且其電流的大小與土壤電阻率、雷擊點的散流電阻有關。直雷電的危害直擊雷—雷直接擊在建筑物和設備上而發(fā)生的機械效應和熱效應。感應雷——雷電流產生的電磁效應和靜電效應。高電位的引入——雷電流沿電氣線路和管道引入建筑物的內部。當前第24頁\共有77頁\編于星期六\11點

非功能性干擾當前第25頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第26頁\共有77頁\編于星期六\11點功能性干擾源當前第27頁\共有77頁\編于星期六\11點寄生額率當前第28頁\共有77頁\編于星期六\11點

電磁騷擾的耦合途徑傳導耦合：在騷擾源與敏感設備之間存在有完整的電路連接，電磁騷擾通過連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設備。輻射耦合：電磁騷擾通過其周圍的媒介以電磁波的形式向外傳播，騷擾電磁能且按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。傳導耦合(+)輻射耦合例如

傳輸線的輻射/輻射源的傳輸線響應當前第29頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第30頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第31頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第32頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第33頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第34頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第35頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第36頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第37頁\共有77頁\編于星期六\11點

電磁騷擾的耦合途徑分類電磁干擾耦合模型

C：電容耦合

L：電感耦合

Z：共阻抗耦合

NC：近場耦合

FR：遠場輻射當前第38頁\共有77頁\編于星期六\11點電磁輻射的基本理論

環(huán)天線元偶極天線元縫隙天線

電磁輻射電磁散射（二次源，敏感體）基本天線結構

（等效為磁荷源）當前第39頁\共有77頁\編于星期六\11點輻射系統(tǒng)的三個區(qū)域對電流輻射系統(tǒng)，有三個空間尺度考慮小區(qū)域內輻射：按波長和距離，分成三個區(qū)域：，近區(qū)，，各點相位一致，電磁場結構與靜電、靜磁場相同（似穩(wěn)場），感應區(qū)，過渡區(qū)，遠區(qū)，輻射區(qū)源到場點距離r電流系統(tǒng)尺度l空間電磁波波長

總電磁場＝源所激發(fā)的電磁場＋

電磁場相互激發(fā)的電磁場

靜態(tài)電磁場特點場量與r2

成反比

電磁波特點場量只能與r

成反比當前第40頁\共有77頁\編于星期六\11點

電偶極子－電流元

電偶極子電磁場表達式電偶極電磁場表達式當前第41頁\共有77頁\編于星期六\11點近區(qū)場/似穩(wěn)場近場區(qū)（無推遲效應）場表達式坡印亭平均值電磁場相位差

與電偶極子的靜電場和恒定電流元的磁場的表達式相同。盡管電偶極源上的電流是時變的，時變電磁場之間相互激發(fā)的波動效應比起電荷和電流直接激發(fā)的靜態(tài)場要小得多。電場與磁場始終保持90度相位差，其Poynting平均值恒為零，電場能在另半周期等值地轉換為磁場能沒有能量向外部輸運。當前第42頁\共有77頁\編于星期六\11點

電偶極輻射(遠區(qū)）場

同相位，輻射場，TME波

波阻抗方向性－非均勻球面波輻射電場線圖當前第43頁\共有77頁\編于星期六\11點磁偶極源場表達式磁偶極電流因為電流閉合，可用閉合電流的線圈線積分計算磁偶極源

場表達式當前第44頁\共有77頁\編于星期六\11點磁偶極輻射（遠區(qū)）場磁場線分布圖

同相位，輻射場，TME波

波阻抗方向性－非均勻球面波電偶極子磁偶極子對偶關系當前第45頁\共有77頁\編于星期六\11點磁偶極源的近區(qū)場

“穩(wěn)態(tài)場”的結構，

無能量輻射，無推遲效應電場隨頻率增加而增加減小

當前第46頁\共有77頁\編于星期六\11點波阻抗

一般定義遠場近場同傳播方向上，相互垂直電場和磁場之比電偶極源磁偶極源當前第47頁\共有77頁\編于星期六\11點

遠區(qū)場和近區(qū)場的波阻抗波阻抗電場為主E1/r3

H1/r2磁場為主H1/r3E1/r2遠區(qū)E1/rH1/r（電偶極源）

（磁偶極源）到觀察點的距離D當前第48頁\共有77頁\編于星期六\11點

小型實際電路的輻射近區(qū)遠區(qū)導出：由電偶極子電場的遠區(qū)表達式近似推導出由電偶極子電場的近區(qū)表達式近似推導出由磁偶極子電場的近區(qū)表達式近似推導出當前第49頁\共有77頁\編于星期六\11點

輻射場隨頻率的變化曲線

l增加（回路面積大）時，場強增大阻抗?。娏鞔螅瑘鰪娫龃笤谶h區(qū)，隨頻率增加，場強增大當前第50頁\共有77頁\編于星期六\11點

偶極天線的演變和寄生天線輻射同偶極V單極天線+-V輻射高于單極-+-----+++++++傳輸線輻射很小--V機箱接地線PCBVG主板電纜子板筆記本PCB電纜沒接地散熱片

無意電壓（＝感應電流＋阻抗）所致當前第51頁\共有77頁\編于星期六\11點當前第52頁\共有77頁\編于星期六\11點

導體的天線效應

疊加(求和/積分)可得到導線的輻射電磁場分布環(huán)（回）電路情況下，需設回電流（的相位）相同。當前第53頁\共有77頁\編于星期六\11點

接收天線對發(fā)射天線的功率響應－接收（發(fā)射）天線的功率－接收（發(fā)射）天線在發(fā)射（接收）天線上的增益－兩天線間距離，－發(fā)射天線所對應的波長當前第54頁\共有77頁\編于星期六\11點

差模電流和共模電流

同相位（方向），幅值相差很小共模電流的來源有三種（后述）

共模電流不是電路的工作電流外界因素在電纜上產生的共模電流本身并不會對電路生產竄擾影響。外界產生內部產生相位（方向）相反，幅值相同差模電流是電路的工作電流

差模電流的來源有三種

外界因素在電纜上產生的差模電流對電路生產串擾影響。

輻射效應？當前第55頁\共有77頁\編于星期六\11點

場對線的共模和差模的耦合推導：積分回路的面積（有效面積）增大，共模/差模的電壓增大外電磁波場在傳輸線（電纜）上同時產生共模和差模電壓共模積分回路的部分支路可以是由寄生電容組成

短線/似穩(wěn)場的假設,長線/高頻情況如何？當前第56頁\共有77頁\編于星期六\11點

場對高頻傳輸線的耦合當傳輸線長度降時，沿線的電流/電壓是變化的.必須采用分布參數(shù)電路或電磁場理論。當電磁波照射到高頻傳軸線時，將引起沿線分布的許多無窮小的電壓源分析方法：1）取一小段dz，集中參數(shù)法求解電流與激勵電壓的關系2）激勵電壓即為外場，積分可得到線上電流與外電場的積分關系

典型結果見后當前第57頁\共有77頁\編于星期六\11點平行端線電場在終端上的電流

高頻時，較明顯，更重要的是，高頻的感應電流也是‘高頻’的因此，要采用高頻的抑制方法。高頻的電流具有輻射效應。當前第58頁\共有77頁\編于星期六\11點平行傳輸線電場在終端上的電流差別更明顯當前第59頁\共有77頁\編于星期六\11點電容性耦合

(近電場相互作用)

頻率越高,耦合越明顯

在敏感電路(導體2)與地之間并聯(lián)了一個騷擾電流源(并聯(lián)一個電壓源).

當前第60頁\共有77頁\編于星期六\11點

近地導線間的電容性耦合間距增大，耦合干擾變小，高度增大，耦合干擾偏小，但不明顯當前第61頁\共有77頁\編于星期六\11點利用金屑板接地抑制干擾接地金屬屏蔽體接地金屑板切斷干擾途徑。如不接地則可能產生更嚴重的干擾。無論是靜電場或交變電場，屏蔽的必要條件是金屬體接地。當前第62頁\共有77頁\編于星期六\11點

電感性耦合(近磁場耦合)當前第63頁\共有77頁\編于星期六\11點

電容性與電感性耦合之間的差異

對于電容性合，在敏感電路(導體2)與地之間并聯(lián)了一個騷擾電流源(并聯(lián)一個電壓源).

對于電感性耦合，產生一個與敏感電路(導體2串聯(lián)的騷擾電壓(感應電壓)

如何鑒別電容性和電感性耦合干擾？當前第64頁\共有77頁\編于星期六\11點電容耦合與電感耦合的綜合考慮

電感耦合干擾電壓是串聯(lián)于受害電路上．面電容耦合干擾電壓是并聯(lián)于受害電路上.在靠近干擾源的近端和遠端電容耦合的電流方向相同，而電感耦臺的電流方向相反。作業(yè)!當前第65頁\共有77頁\編于星期六\11點

電路性耦合電路1中的騷擾通過阻抗耦合到電路2中，形成干擾當前第66頁\共有77頁\編于星期六\11點

頻域分析

時域波形頻譜分量付立葉級數(shù)(周期)付立葉變換(非周期)示波器觀察頻譜分析儀觀察當前第67頁\共有77頁\編于星期六\