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1、陈恒林Email: TEL：15958125306电磁兼容设计概论第三讲第三讲辐射噪声发射 3.1 电磁辐射与天线理论 3.2 导线的辐射发射模型 3.3 电缆的辐射发射 3.4 开关电源的EMI辐射 3.5 近场耦合导致的远场辐射模型3.1 电磁辐射与天线理论理论上所有的电路会产生辐射，并且与周围电磁场发生耦合。电路并不一定需要连接天线才引起辐射，高频电路结构自身可以充当发射天线，或者耦合到周围的结构，可以充当有效的辐射天线。设计电路不会产生大量的辐射是困难的，为了理解电路是如何产生无意的电磁辐射，有必要对相关的电磁辐射和天线理论概念进行回顾和总结。Fields produced by a
2、time-varying current自由空间的磁矢量场：自由空间的磁场：自由空间的电场：近场：近场中起决定性的因子是：9因此电流元的近场中电场起主要作用。远场：远场中起决定性的因子是：9因此电流元的远场近似为：问题If the radiated electric field strength 3 meters away from a small source is 40 dB(uV/m), what is the field strength 10 meters away from the same source in free space? a.) 40 dB(uV/m) b.) 30
3、dB(uV/m) c.) 20 dB(uV/m) To answer the question above, we note that in the far field of a radiation source, the field strength is inversely proportional to the distance. Therefore, increasing the distance by a factor of 3.3 would reduce the field strength by a factor of 3.3. This is approximately a
4、10-dB reduction in the field strength, so the correct response would be 30 dB(uV/m). Fields produced by a small current loop自由空间的电场：自由空间的磁场：近场：9因此电流环的近场中磁场起主要作用远场：9因此电流环的远场近似为：Fields produced by electrically small circuits导线连接的电路中长度与宽带均远小于自由空间的波长。环路阻抗ZLoop=根据环路阻抗不同，最大的辐射电场强度为：9最大的辐射电场强度与噪声源电压、环路面积、频
5、率的平分成正比，与距离r成反比。例题：评估一个电小电路的辐射大小解答：首先确定该电路为电小电路，因为80MHz情况下的波长为3.75m，电路最大尺寸小于该波长，因此可用前述公式计算辐射场。由于负载阻抗500欧大于自由空间特征阻抗377欧，因此有：Input Impedance and radiation resistance天线输入阻抗：输入电阻=辐射电阻+损耗电阻：The resonant half-wave dipole天线的总长度为波长的一半：辐射阻抗最小，辐射效率最高。Quarter-Wave Monopoles 波长单极天线连接在大面积金属板上，单极天线的下半部分可看成是上半部的镜像
6、面，输入阻抗是谐振半波双极天线的一半，即36ohms。谐振单极天线具有非常大的辐射效率。Dipoles Driven Off-CenterDipoles Driven Off-Center如果导线天线的激励源偏离中心位置，若激励信号频率下天线总长度为半波长，天线仍然会展示出谐振特征。但谐振时的辐射阻抗是天线激励源位置的函数，若激励源离中心位置越远，阻抗将迅速增大。若激励源位于导线的末端，即使在谐振情况下，激励源也不能有效释放功率到天线中。Characteristics of Efficient Antennas天线必须有两部分；这两部分的尺寸都不能是电小；须要在这两部分激励电压。问题 For
7、each pair of antennas illustrated in Fig. 1, which antenna in the pair radiates the most?The key to answering this question is to examine each antenna and identify the two antenna parts that are driven by the indicated voltage source. Since at least one part of every antenna is electrically small, i
8、t is the smallest part that will limit the overall effectiveness of the antenna.分析解答 In Fig. 1 (a), the short upper wire on the antenna on the right is most limiting; therefore the antenna on the left is more effective. In Fig. 1 (b), an extra piece of wire has been added to each of the antennas in
9、Fig. 1 (a). The short upper wire on the antenna on the right is again the most limiting, so the antenna on the left is still more effective. Note that adding to the shorter half of an electrically small antenna has a much greater impact on the antenna efficiency than adding to the larger half. 3.2 导
10、线的辐射发射模型为了简化模型，把每根导线看成一个电（赫兹）偶极子。这个模型作了三个重要的假设：导体的长度L足够短，测量点足够远而使天线上的每个点到测量点之间的距离矢量是平行的。导线上的电流沿导线均匀分布。测量点位于每个天线的远场中。差模电流辐射模型共模电流辐射模型差模辐射抑制方法：减小电流值减小环路面积共模辐射抑制方法：减小电流值减小导线长度3.3 电缆的辐射发射电缆是系统中导致电磁兼容问题的最主要因素。通常，将设备上的外拖电缆取下来时，设备就可以顺利通过EMC试验；在现场中遇到EMI现象时，只要将电缆拔下来，故障就会消失。这是因为电缆是一根高效的接收和辐射天线。另外，电缆中的导线平行布置的距
11、离长，因此导线之间存在较大的分布电容和互电感，这会导致导线之间发生信号的串扰。电缆的辐射问题电缆的辐射问题是工程中最常见的问题之一，90%以上的设备不能通过辐射发射试验都是由于电缆辐射造成的。电缆的辐射包括差模辐射和共模辐射。减小差模辐射的一个方法是使用双绞线传输信号。双绞线不仅提供了较小的回路面积，而且由于相邻绞节中的电流方向相反，产生的磁场方向也相反，空间磁场抵消。但是仅当绞线对上传输的电流频率较低时才有这种效果，若频率较高，绞线上各点的电流相位不同，则不能产生这种效果。电缆的辐射主要来自共模辐射。共模辐射是由共模电流产生的，共模电流的环路是由电缆与大地形成的，因此具有很大的环路面积，会产
12、生很强的辐射。开关电源的噪声源：传导噪声源与辐射噪声源开关电源的辐射结构：电缆、磁性元件、散热器、PCB环路如何建立开关电源的辐射模型影响开关电源EMI辐射发射的因素如何抑制开关电源的辐射EMI3.4 开关电源的EMI辐射开关电源的电磁耦合与电磁辐射实验实例d=10cm d=3cm如何建立开关电源的EMI辐射模型规则结构下采用简化的偶极子模型PCB走线不规则情况下，采用电磁场数值分析软件计算开关电源的近场辐射和远场辐射；通常在电磁场数值分析软件中，不考虑元器件的辐射，只用电气模型放置在相应的位置，以表示其阻抗特性；元器件的辐射建模仍然是一项极具挑战性的工作。辐射建模实例测量的磁场强度低频磁场测
13、量结果高频磁场测量结果低频磁场计算结果高频磁场计算结果影响开关电源EMI辐射发射的因素：环路电流环路面积如何抑制开关电源的辐射EMI：减小环路电流减小环路面积，减小环路电感噪声源的控制：功率器件的缓冲电路设计，门极驱动电路设计课堂讨论开关电源EMI辐射的抑制技术差模干扰源（例如IC）EMI天线EMI源的机理EMI的耦合途径3.5 近场耦合导致的远场辐射模型造成电磁辐射的条件：Typical PCB structureSimpler structures of the two-step techniquePCB with one cable attachment课堂讨论开关电源远场辐射的建模方法
