第3章干扰耦合机理n.ppt

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1、第3章 干扰耦合机理,3.1 传导耦合 3.2 高频耦合 3.3 辐射耦合 习题,3.1 传导耦合,传导是干扰源与敏感设备之间的主要骚扰耦合途径之一。 传导骚扰可以通过电源线、 信号线、 互连线、 接地导体等进行耦合。 传导耦合包括通过导体间的电容及互感而形成的干扰耦合。 ,3.1.1 电容性耦合 由于电容实际是由两个导体构成的, 因此两根导线就构成了一个电容, 我们称这个电容是导线之间的寄生电容。 由于这个电容的存在, 一个导线中的能量能够耦合到另一个导线上。 这种耦合称为电容耦合或电场耦合。,1. 电容性耦合模型,图 3-1 电容性耦合模型,假设电路1为骚扰源电路, 电路2为敏感电路, C

2、为导线1与导线2间的分布电容, 由等效电路可计算出在回路2上的感应电压U2为,式中, 当耦合电容比较小时, 即CR21时, (3-1)式可以简化为 U2=jCR2U1 (3-2),从 (3-2) 式可以看出, 电容性耦合引起的感应电压正比于骚扰源的工作频率、 敏感电路对地的电阻R2(一般情况下为阻抗)、 分布电容C、 骚扰源电压U1。,电容性耦合主要在射频频率形成骚扰, 频率越高, 电容性耦合越明显。,电容性耦合的骚扰作用相当于在电路2与地之间连接了一个幅度为In=jCU1的电流源。,一般情况下, 骚扰源的工作频率、 敏感电路对地的电阻R2(一般情况下为阻抗)、 骚扰电压U1是预先给定的, 所

3、以, 抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容C。 ,图 3-2 地面上两导线间电容性耦合模型,下面我们继续分析另一个电容性耦合模型。 该模型是在前一模型的基础上除了考虑两导线(两电路)间的耦合电容外, 还考虑每一电路的导线与地之间所存在的电容。 地面上两导体之间电容性耦合的简单表示如图3-2所示。 ,根据图3-2(b)的等效电路, 导体2与地之间耦合的骚扰电压UN能够表示为,假定骚扰源的电压U1和工作频率f不能改变, 这样只留下两个减小电容性耦合的参数C12和R。减小耦合电容C12的方法是屏蔽导体或增加导体间的距离)。 若两导体之间距离加大, C12的实际值会减少, 从而降低导体2上感应到的电

4、压UN,2. 屏蔽体对电容性耦合的作用,图 3-5 导体2 具有屏蔽体时两导线间电容性耦合模型,实际上,屏蔽体接地,那么电压US0, 从而UN0，导体2通常部分延伸到屏蔽体外, 如图3-5(a)所示。 此时, C12、C2G均需要考虑。 屏蔽体接地, 且导体2对地电阻为无限大的值时, 导体2上耦合的骚扰电压为 (3-10),3.1.2 电感性耦合 当一根导线上的电流发生变化, 而引起周围的磁场发生变化时, 恰好另一根导线在这个变化的磁场中, 则这根导线上就会感应出电动势。 于是, 一根导线上的信号就耦合进了另一根导线。 这种耦合称为电感性耦合或磁耦合。 ,图 3-7 两电路间的电感性耦合,1.

5、 电感性耦合模型 电感性耦合也称为磁耦合, 它是由磁场的作用所引起的。当电流I在闭合电路中流动时, 该电流就会产生与此电流成正比的磁通量。 I与的比例常数称为电感L, 由此我们能够写出: =LI (3-13) 电感的值取决于电路的几何形状和包含场的媒质的磁特性。 ,图 3-6 感应电压取决于回路包围的面积S,(3-16)式和(3-17)式中出现的角频率为(弧度秒), 表明耦合与频率成正比。为了减小骚扰电压, 必须减小B、S、cos。 欲减少B值, 可利用加大电路间的距离或将导线绞绕, 使绞线产生的磁通密度B能互相抵消掉。 至于受干扰电路的面积S, 可将导线尽量置于接地面上, 使其减至最小; 或

6、利用绞线的其中一条为地电流回路, 使地电流不经接地平面, 以减少回路所围的面积。cos的减小则可利用重新安排干扰源与受干扰者的位置来实现。 ,图 3-7 两电路间的电感性耦合,磁场与电场间干扰的区别方法: 第一, 减小受干扰电路的负载阻抗未必能使磁场干扰的情况改善; 而对于电场干扰的情况, 减小受干扰电路的负载阻抗可以改善干扰的情况。 第二,在磁场干扰中, 电感耦合电压串联在被干扰导体中, 而在电场干扰中, 电容耦合电流并联在导体与地之间。 利用这一特点, 可以分辨出干扰是电感耦合还是电容耦合。 在被干扰导体的一端测量干扰电压, 在另一端减小端接阻抗。 如果测量的电压减小, 则干扰是通过电容耦

7、合的; 如果测量的电压增加, 则干扰是通过电感耦合的。 ,图 3-8 电容耦合与电感耦合的判别,2. 带有屏蔽体的电感性耦合 (1) 如果在图3-7的导体2外放置一管状屏蔽体时, 如图3-9所示。,图 3-9 导体2带有屏蔽体的电感耦合,考察一个屏蔽体是否对电感耦合起作用, 只要看屏蔽体的引入是否改变了原来的磁场分布。 设屏蔽体是非磁性材料构成的, 且只有单点接地或没有接地。由于屏蔽是非磁性材料的, 因此它的存在对导体周围的磁通密度没有影响, 导体1与导体2的互感M12没有变化。所以导体1在导体2上感应的电压与没有屏蔽时是相同的。 ,在磁场的作用下, 屏蔽体上也会感应出电压, 设导体1与屏蔽体

8、间的互感为M1S, 则导体1上的电流I1在屏蔽体上感应的电压为 US=jM1SI1 (3-18) 如果屏蔽体只单点接地或没有接地, 屏蔽体上没有电流, 所以不会产生额外的磁场, 因此这个屏蔽层对磁场耦合没有任何影响。 如果屏蔽体的两端接地, 屏蔽层上会有电流流过, 这个电流会产生一个附加的磁场。引起导体2周围磁场的变化, 因此这个屏蔽层对磁场耦合有一定影响。 ,3.1.3 电容性耦合与电感性耦合的综合考虑 前面研究电容性耦合及电感性耦合的模型及计算, 是假定只有单一类型的干扰耦合, 而没有其他类型耦合的情况, 但事实上各种耦合途径是同时存在的。 当耦合程度较小且只考虑线性电路分量时, 电容性耦

9、合(电耦合)和电感性耦合(磁耦合)的电压可以分开计算, 然后再找出其综合干扰效应。 由前面的分析可知, 电容性耦合与电感性耦合的干扰有两点差别: 首先, 电感性耦合干扰电压是串联于受害电路上, 而电容性耦合干扰电压是并联于受害电路上; 其次, 对于电感 性耦合干扰, 可用降低受害电路的负载阻抗来改善干扰情况, 而对于电容性耦合, 其干扰情况与电路负载无关。 ,根据第一点差别不难看出, 在靠近干扰源的近端和远端, 电容耦合的电流方向相同, 而电感耦合的电流方向相反。 图3-16(a)给出电容耦合和电感耦合同时存在的示意图, 设在R2G及R2L上的电容耦合电流分别为IC1及IC2, 而电感耦合电流

10、分别为IL1及IL2, 显然 IL1=IL2=IL, 在靠近干扰源近端R2G上的耦合干扰电压为 U2G=(IC1+IL)R2G (3-30) 远端负载R2L上的耦合干扰电压为 U2L=(IC2IL)R2L (3-31),由(3-30)和(3-31)式可知, ： 对于靠近干扰源端(近端)电容性耦合电压与电感性耦合电压相叠加,； 对于靠近负载端, 或者说远离干扰源端, 总干扰电压等于电容性耦合电压减去电感性耦合电压, 在进行相减计算时, 是以复数形式进行的。,图 3-16 电容性耦合与电感性耦合的综合影响,3.3 辐射耦合 辐射电磁场是骚扰耦合的另一种方式, 除了从骚扰源有意辐射之外, 还有无意辐

11、射, 例如, 有短(小于4)单极天线作用的线路和电缆, 或者起小环天线作用的线路和电缆, 都可能辐射电场或磁场。 辐射耦合的途径主要有: 天线天线, 天线电缆, 天线机壳, 电缆机壳, 机壳机壳, 电缆电缆。 对于辐射耦合, 电磁场理论中近场与远场的概念是十分重要的。 ,3.3.1 电磁辐射 当场源的电流或电荷随时间变化时, 就有一部分电磁能量进入周围空间, 这种现象称为电磁能量的辐射。 研究电磁辐射, 最简单的是电偶极子和磁偶极子的辐射。 实际天线可近似为许多偶极子的组合, 天线所产生的电磁波也就是这些偶极子所产生的电磁波的合成。 ,1. 电偶极子的电磁辐射 电偶极子是指一根载流导线, 它的

12、长度l与横向尺寸都比电磁波长小得多。,图 3-22 电偶极子辐射源,式中: Iml 电偶极子的电矩(Am); r 从坐标中心到观察点的距离(m); k 波数, 电磁波传播单位长度所引起的相位变化, 电磁波的波长, 则有k=2/(rad/m)。 下面按照观察点到电偶极子的距离远近来讨论电偶极子周围电磁场各分量的表达式。 ,由式(3-48)可看出, 无论是E还是 , 幅值都和角无关, 仅与角有关, 而且正比于sin。 在90的方向, 即在垂直于偶极子轴线的方向上, 场强E及H最大。 辐射源向空间辐射的电磁场强度随空间方向而变化的特性称为辐射源的方向性, 图3-23为电偶极子的方向图。 工程上可以利

13、用(3-47)式与(3-48)式计算电偶极子周围场强的值, 例如, 当l长为1 cm、 Im为1 A时, 不同距离上的场强值如表3-8所示。 ,图 3-23 电偶极子的方向图,表3-8 距电偶极子不同距离的场强,2. 磁偶极子的电磁幅射 参照电偶极子的电磁幅射一节, 用一个磁偶极子替代电偶极子。 该磁偶极子由假想的一对相距极小的正、 负磁荷(+qm, qm)组成, 如图3-24(a)所示。 直径远小于波长的小环天线可作磁偶极子处理。 将通电小圆环置于xz平面, 环中心与坐标原点重合, 见图3-24(b)。 设小圆环半径为a, 流过的电流为im=Im sint, 可求得在空间某点处的电场与磁场的

14、表达式为,(3-49),图 3-24 磁偶极子辐射源,由(3-51)式可见, 在磁偶极子的远场区, 电磁场与空间的关系完全和电偶极子相仿。 当=90时, 即在线圈所在平面上, 电场与磁场为最大值。 同样, 当一小圆环的半径a为0.564 cm, 通过的电流为1 A时, 其周围的场强值列于表3-9。,表3-9 距磁偶极子不同距离的场强,3.3.2 近场区与远场区的特性 1. 近场区 1) 波阻抗 在上述分析中, 把r/(2)的区域作为近场区, 但在电磁屏蔽领域通常把与偶极子相距为r/(2)的区域作为近场区处理。 波阻抗是电磁波中电场分量与磁场分量之比, 即 (3-52),电偶极子近场区的波阻抗可

15、由(3-47)式求得 (3-53) 磁偶极子近场区的波阻抗则由(3-50)式求得 (3-54),2) 近场区电磁场的特点 (1)由波阻抗表达式可见, 无论是电偶极子还是磁偶极子, 它们在近场区的阻抗都是虚数, 即近场区的电场与磁场相位相差90, 存在能量交换。 其次, 两种偶极子的波阻抗在量值上都是频率的函数, 但变化规律不同。 表达式中代入0及0值计算后可知, 电偶极子的波阻抗值高于磁偶极子的波阻抗(见图3-25), 所以前者是容性耦合的高阻抗场, 后者是感性耦合的低阻抗场。 将近场区的电场、 磁场瞬时波形画出, 就得到如图3-26所示的坡印廷矢量图。 由于E和H相位差90, 当E为最大值时, H为零, 坡印廷矢量为零; 若t1时刻的坡印廷矢量S1为正向传送, 则到t2的S2就反向传送, 表明感应的电磁场能量在r方向作往返振荡。 ,图 3-25 电偶极子和磁偶极子的空气波阻抗,图 3-26 近场区的坡印廷矢量,(2) 在感应场中, 感应情况不仅取决于场源性质及耦合方式, 还取决于被感应导体的状况、 所在位置及周围环境条件, 甚至感应体的存在, 也会扰乱原先的电磁场分布。 (3) 近场区的电场和磁场方向处在以场源为中心的大曲率半径球面上。 (3-47)式表明, 在电偶极子的近场区, 感应电场强度按1/r3规律减小, 磁场强度按1/r2规律减小(见图3-