第3章 干扰耦合机理ppt课件

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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 电磁骚扰的耦合途径 传导耦合 在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接 电磁骚扰通过连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备 辐射耦合 电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播 骚扰电磁能且按电磁场的规律向周围空间发射 传导耦合 辐射耦合例如传输线的辐射 辐射源的传输线响应 电磁骚扰的耦合途径分类 电磁干扰耦合模型C 电容耦合L 电感耦合Z 共阻抗耦合NC 近场耦合FR 远场辐射 电磁辐射的基本理论 环天线元偶极天线元缝隙天线 电磁辐射电磁散射 二次源 敏感体 基本天线结构 等效为磁荷源 3 1传导耦合传导耦合是干扰源与

2、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 图3 1电容性耦合模型 式中 当耦合电容比较小时 即 CR2 1时 3 1 式可以简化为U2 j CR2U1 3 2 3 2 相关参量 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 另一个电容性耦合模型 该模

3、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 图3 2地面上两导线间电容性耦合模型 图3 3导体间的间隔对电容性干扰耦合的影响 图3 4电容性骚扰耦合与频率的关系 表3 1几种典型传输线电容计算公式 表3 2几种导线及传输线间的互感公式 2 屏蔽体对电容性耦合的作用现在考虑导体2有一管状屏蔽体时的电容性耦合 如图3 5所示 其中C12表示导体2延伸到屏蔽体外的那一部分与导体1之间的电容 C2G表示导体2延伸到屏蔽体外的那一部分与地之间的电容 C1S表示导体1与导体2的屏蔽体之间的电容

4、C2S表示导体2与其屏蔽体之间的电容 CSG表示导体2的屏蔽体与地之间的电容 图3 5导体2具有屏蔽体时两导线间电容性耦合模型 如果屏蔽体接地 那么电压US 0 从而UN 0 导体2完全屏蔽 即导体2不延伸到屏蔽体外的情况是理想情况 实际上 导体2通常确实延伸到屏蔽体外 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

5、为电感性耦合或磁耦合 1 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 图3 7表示了由 3 17 式描述的两电路之间的电感性耦合 I1是干扰电路中的电流 M是两电路之间的互感 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

6、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 磁场与电场间的干扰有区别 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

7、接阻抗 如果测量的电压减小 则干扰是通过电容耦合的 如果测量的电压增加 则干扰是通过电感耦合的 如图3 8所示 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 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 图3 9导体2带有屏蔽体的电感耦合 在磁场的作用下 屏蔽体上也会感应出电压

8、 设导体1与屏蔽体间的互感为M1S 则导体1上的电流I1在屏蔽体上感应的电压为 US j M1SI1 3 18 但由于屏蔽体只单点接地或没有接地 因此屏蔽体上没有电流 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 因此对电感耦合有一定影响 为了分析这种情况 首先研究屏蔽层与内导体之间的耦合 当一个空心管上有均匀电流IS时 所有的磁场在管子外部 在管子的内部没有磁场 因此 当管子内部有一个导体时 管子上流过的电流产生的磁场同时包围管子和内导体 如图3 10所示 管子的电感 自感 为

9、LS IS 内导体与管子之间的互感为M IS 由于包围这两个导体的磁通相同 因此 M LS 3 19 图3 10屏蔽层与内导体之间互感 即屏蔽与内导体之间的互感等于屏蔽层的电感 自感 这个结论是假设管子上的电流均匀分布 而没有规定内导体的位置 因此这个结论不局限于同轴电缆 图3 11显示了屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果 图3 11屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果 图3 12屏蔽体的等效电路 当 C 即 RS LS 时 UN j LSUS RS 当 C RS LS或f fC RS 2 LS 时 UN 0 5 US 当 5 C 5RS LS时 UN 0 98 US 这就是说 当屏蔽体有电流IS时 中心导体上感应

10、的干扰电压小于屏蔽体上的感应电压 而当 5 C时 UN US 如图3 13所示 图3 13同轴电缆屏蔽体电流引起的中心导体上的感应电压 当图3 9所示屏蔽体两端接地时 屏蔽体电流流动会产生一个干扰 骚扰 电压进入导体2 因此 感应进入导体2的干扰 骚扰 电压有两部分 导体1的直接感应骚扰电压U12和感应的屏蔽体电流产生的骚扰电压US2 注意 这两个感应电压具有相反的极性 因此 感应进入导体2的干扰 骚扰 电压可以表示为 UN U12 US2 3 23 图3 14屏蔽体与接地面间的分流 式中 C RS LS C 2 fC fC是屏蔽体的截止频率 其值参见表3 3 当 C时 例如 5 C 5RS

11、LS 则IS I1 即屏蔽体上的电流IS大小与中心导体上的电流I1相同 而方向相反 因此屏蔽体上电流IS产生的磁场与中心导体上电流I1产生的磁场相抵消 此时屏蔽体外不再有磁场存在 从而抑制了磁 电感 耦合 但这种措施只有当 5 C时 才能有效地减少磁场外泄 当频率较低时 由于 IS I1 屏蔽体上的电流 IS 产生的磁场不能抵消中心导体电流 I1 产生的磁场 为了解决这一问题 可将屏蔽体的一端不接地面与负载连接 如图3 15所示 图3 15屏蔽体单端接地 表3 3屏蔽体截止频率的测量值 此时不管在任何频率上 IS 均与 I1 相等 方向相反 则IS产生的磁场抵消了I1产生的磁场 使屏蔽体外不存

12、在磁场 而抑制了磁场 电感 耦合 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

13、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 IC2 IL R2L 3 31 图3 16电容性耦合与电感性耦合的综合影响 表3 4给出了几种导线及传输线的电感 自感 公式 表3 5给出了导体的电阻公式 表3 4几种导线及传输线的电感 自感 公式 表3 5导

14、体的电阻公式 3 2高频耦合 前面所研究的线间耦合是低频情况下的耦合 即导线长度较波长小得多的情况 在高频时 导体的电感和电容将不可忽略 此时 电抗值将随频率而变化 感抗随频率增加而增加 容抗随频率增加而减小 在无线电频率范围内 长电缆上的骚扰传播应按传输线特性来考虑 而不能按集总电路元件来考虑 根据传输线特性 对于长度与频率所对应的 4可以比拟 或大于 的导体 其特性阻抗为 其端接阻抗应等于该导体的特性阻抗 实际上这是不大可能的 因此 在其终端会出现反射 形成驻波 在无线电频率范围内 许多实际系统中的驻波现象均有明显的骚扰耦合作用 当频率较高 其导线长度等于或大于1 4波长时 前面的公式就不

15、再适用了 因为不能用集总阻抗的方法来处理分布参数阻抗 此时 区别电容耦合或电感耦合已没有意义 需要用分布参数电路理论求解线上的电流波与电压波来计算线间的干扰耦合 3 2 1分布参数电路的基本理论 由电磁场理论可知 在导线或传输线上有分布电阻及分布电感 导线间有分布电容和分布电导 在低频时 或者说当波长远大于线长时 这些分布参数对线上传输的电流 电压的影响很小 而把电路作为集总参数电路来处理 当频率很高使线长可以和波长相比较时 线上的分布参数对电流 电压的影响很大 此时需要用分布参数理论来研究 对于分布参数电路 线上任一无限小线元 z上都分布有电阻R z 电感L z及线间分布电导G z和电容C

16、z 这里R L G和C分别为线上单位长度的分布电阻 电感 电导和电容 其数值与传输线的形状 尺寸 导线材料及周围填充的介质参数有关 图3 17传输线上z线元 z的等效电路 表3 6两种典型传输线的特性参数 表3 7几种常用金属的RS值 3 2 2高频线间的耦合 如图3 18所示为地面上方的两平行传输线 图中的地面可看成二芯屏蔽电缆的屏蔽外导体或三线传输线的参考导体 设接有干扰源的导线为发射线 而受干扰的为接收线 线长为l 其坐标由x 0到x l 在x 0处 发射线与参考导体间外加一激励电压ug USsin t 线长l 导线周围是无耗均匀媒质 其介电常数与导磁率分别为 和 在x 0和x l处发射电路端接阻抗分别为Z0G和Z1G 而接收电路的端接阻抗分别为Z0R和Z1R 其等效电路如图3 19所示 图3 18传输线的高频耦合 图3 19传输线的高频耦合的等效电路 在图3 19中 UG x 和UR x 分别表示线上任一点发射线和接收线相对参考导体的电压 而IG x 和IR x 分别为线上任一点发射线电流及接收线电流 下面用分布参数电路理论来计算高频线间的干扰耦合 设单位长度上 发射线和接收线