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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。 在音频和低频时, 由于电源线、 接地导体、 电缆的屏蔽层等呈现低阻抗, 故电流注入这些导体时易于传播。 当噪声传导到其他敏感电路时, 就可能产生骚扰作用。 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。 ,在近区的感应场区，即：,电磁干扰主要是通过传导耦合的途径发生作用的。,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
2、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。 ,一对平行导线所构成两回路通过线间的电容耦合, 其等效电路如图3-1(b)所示,受扰电路 负载阻抗,受扰电路 源阻抗,干扰源,由等效电路可计算出在回路2上的感应电压为,其中：,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
3、, 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。 ,U2=jCR2U1 (3-2),并联,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, 所以, 抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容C。 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。 ,图 3-2 地面上两导线间电容性耦合模型,原RL1与U1并联，省掉之；原RG2/RL
4、2这里用R代之,骚扰源电压,(3-3),如果R为低阻抗, 即满足: 那么, (3-3)式可化简为,(3-4),U2=jCR2U1 (3-2),图 3-3 导体间的间隔对电容性干扰耦合的影响,显著衰减区,如果R为高阻抗, 即满足: 那么, (3-3)式可简化为 (3-6)式表明, 在导体2与地之间产生的电容性耦合骚扰电压与频率无关, 且在数值上大于(3-4)式表示 (R为低阻抗时)的骚扰电压。 ,(3-6),图3-4给出了电容性耦合骚扰电压UN的频率响应。 它是(3-6)式的骚扰电压UN与频率的关系曲线图。 正如前面已经分析的那样, (3-6)式给出了最大的骚扰电压UN。 图3-4 也说明, 实
5、际的骚扰电压UN总是小于或等于(3-4)式给出的骚扰电压UN。 当频率满足以下关系时: (3-4)式就给出了是实际骚扰电压UN(3-3)式的值)的 倍的骚扰电压值。 在几乎所有的实际情况中, 频率总是小于(3-7)式所表示的频率, (3-4) 式表示的骚扰电压UN总是适合的。 ,(3-7),图 3-4 电容性骚扰耦合与频率的关系,表3-1 列出了几种典型传输线电容的计算公式。 表3-2列出了几种导线及传输线间的互感公式。 ,表3-1 几种典型传输线电容计算公式,一个电容板中充入介电常数为的物质后电容变大倍。,介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母表示，单
6、位为法/米。,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, 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,端头裸露段,端头裸露段,屏蔽体接地,被屏蔽层接地,如果屏蔽体接地, 且无裸露，那么电压US0, 从而UN0。 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
7、, 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),C12的值取决于导体2延伸到屏蔽体外的那一部分的长度。 良好的电场屏蔽必须使导体2延伸到屏蔽体外的那一部分的长度最小, 必须提供屏蔽体的良好接地。 假定电缆的长度小于一个波长, 单点接地就可以实现良好的屏蔽体接地。 对于长电缆, 多点接地是必须的。 最后, 我们考虑导体2对地电阻为有限值的情况。 根据图3-5(c) 的简化等效电路知, 导体2上耦合的骚扰电压为,(3-11),当 时, (3-11)式可简化为: (
8、3-12)式和(3-4)式的形式完全一样, 但是由于导体2此时被屏蔽体屏蔽, C12的值取决于导体2延伸到屏蔽体外的那一部分的长度, 因此C12大大减小, 从而降低了UN。 ,(3-12),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。 ,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,
9、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。 ,线性磁路,这里N=1,当一个电路中的电流在另一个电路中产生磁通时, 这两个电路之间就存在互感M12, 其定义为 (3-14) 12表示电路1中的电流I1在电路2产生的磁通量。 由法拉第定律可知, 磁通密度为B的磁场在面积为S的闭合回路中感应的电压为,(3-15),其中, B与S是向量, 如果闭合回路是静止的, 磁通(密度)随时间作正弦变化且在闭合回路(匝数N=1)面积上是常数, B与S的夹角为, 那么(3-15)式可简化为 如图3-6所示, S是闭合回路的面积, B是角频率为(rads)的正弦变化磁
10、通密度的有效值, UN是感应电压的有效值。 ,(3-16),或理解成U=(jL)*i=j ,图 3-6 感应电压取决于回路包围的面积S,U2,U1,屏蔽接地等效电路,C2S,因为BS cos表示耦合到敏感电路的总磁通量, 所以能够把(3-14)式和(3-16)式结合起来, 用两电路之间的互感M来表示感应电压UN, 即 (3-16)式和(3-17)式是描述两电路之间电感性耦合的基本方程。 ,(3-17),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,
11、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。 ,双绞线,表3-2几种导线及传输线间的互感公式,表3-2 几种导线及传输线间的互感公式,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,
12、 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。 ,双绞线,图 3-7 两电路间的电感性耦合,图3-7表示了由(3-17)式描述的两电路之间的电感性耦合。,磁场与电场间的干扰有区别: 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。 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
13、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,电容耦合， 并入一个电流源。 R2i1V,电感耦合， 串入一个电压源。 R2i1 V,i1,i1,2. 带有屏蔽体的电感性耦合 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。 (1) 导体2外放置一管状屏蔽体时的电感耦合（如图3-9）。 设屏蔽体是非磁性材料构成的（但可以是导电体）, 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
14、的电压与没有屏蔽时是相同的。,磁通不同于电流，可以在任何介质中流动。,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, 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=jM1SI1(3-18) 若屏蔽体只单点接地或没有接地, 因此屏蔽体上没有电流回路, 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（形成闭合回路）, 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。
15、 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IS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),安培环路定理：闭合环路积分，等于所包围电流代数和(磁动势)。,图 3-10 屏蔽层与内导体之间互感,即屏蔽层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。,US=jM1SI1,屏
16、蔽体与中心导体的等效电路如图3-12所示, 屏蔽体上的电流IS在中心导体上感应的干扰电压为 UN=jMIS (3-20) 其中, LS及RS为屏蔽体的电感和电阻, 考虑到M=LS, 由(3-20)式和(3-21)式可得:,(3-21),(3-22),当C, (即RS/LS)时， UNjLSUS/RS; 当=C=RS/LS 或 f=fC=RS/(2LS)时, |UN|=0.5|US|; 当=5C=5RS/LS时, |UN|=0.98|US|。,屏蔽导体两端接地,这就是说, 当屏蔽体有电流IS时, 中心导体上感应的干扰电压小于屏蔽体上的感应电压, 而当5C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,UNjLSUS/RS,|UN|=0.5|US|;,US,当图3-9所示屏蔽体两端接地时, 屏蔽体电
