电磁兼容第3章电磁骚扰的耦合与传输理论.ppt

第三章 电磁骚扰的耦合与传输理论 2011-3-3 电磁干扰（电磁干扰（Electromagnetic InterferenceElectromagnetic Interference）是指电磁骚扰）是指电磁骚扰 引起的设备、传输通道或系统性能下降。引起的设备、传输通道或系统性能下降。 电磁骚扰（电磁骚扰（Electromagnetic DisturbanceElectromagnetic Disturbance）是指任何可能）是指任何可能 引起装置、设备或系统性能降低，或者对有生命物质或无生引起装置、设备或系统性能降低，或者对有生命物质或无生 命物质产生损害作用的电磁现象。命物质产生损害作用的电磁现象。 电磁骚扰强调任何可能的电磁危害现象电磁骚扰强调任何可能的电磁危害现象 。 电磁干扰强调这种电磁危害现象产生的结果。电磁干扰强调这种电磁危害现象产生的结果。 电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。 复复 习习 电磁干扰三要素电磁干扰三要素: : 电磁干扰源、干扰传播途径、敏感设备电磁干扰源、干扰传播途径、敏感设备 产生电磁干扰三要素表明：任何电磁干扰的产生必然 存在电磁骚扰（或者骚扰电磁能量）的耦合与传输途径。 这里，“耦合”的概念指的是电路、设备、系统与其它 电路、设备、系统之间的电能量联系，耦合起着把电磁能 量从一个电路、设备、系统“传输”到另一个电路、设备、 系统的作用。 “耦合途径”是从各种电磁骚扰源传输电磁骚扰至敏感 设备的通路或媒介。 3.1 电磁骚扰的耦合途径 定义：电磁骚扰是指任何可能引起装置、设备或系统 性能降低，或者对有生命物质或无生命物质产生损害作 用的电磁现象。 耦合途径有两种方式： 传导耦合：通过电路耦合的干扰。（例如 导线传输、电容耦合、电感耦合。） 辐射耦合：通过空间传输的干扰。 1. 传导耦合 传导耦合是骚扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。 传导耦合必须在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连 接，电磁骚扰沿着这一连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏 感设备，产生电磁干扰。 传导耦合的连接电路包括互连导线、电源线、信号线、 接地导体、设备的导电构件、公共阻抗、电路元器件等。 2. 辐射耦合 辐射耦合是电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式 向外传播，骚扰电磁能量按电磁场的规律向周围空间发射。 辐射耦合的途径主要有天线、电缆、导线、机壳的发射 对组合。通常将辐射耦合划分为三种： 天线与天线的耦合,指的是天线 A 发射的电磁波被另一天线B 无意接收，从而导致天线A 对天线B产生功能性电磁干扰； 场与线的耦合，指的是空间电磁场对存在于其中的导线实施 感应耦合，从而在导线上形成分布电磁骚扰源； 线与线的感应耦合，指的是导线之间以及某些部件之间的高 频感应耦合。 实际工程中。敏感设备受到电磁干扰侵袭的耦合途径 是传导耦合、辐射耦合、感应耦合以及它们的组合。 以图23为例，敏感设备（即电视接收机）除受到来 自雷电、汽车点火系统、计算机发射的辐射骚扰干扰外， 也受到来自电源线上的传导骚扰侵袭。 传导骚扰可能是空间电磁波作用于电源线形成的感应 骚扰，也可能是计算机产生的骚扰通过电源插座以传导方 式侵袭电视接收机。 正因为实际中出现电磁干扰的耦合途径是多途径、复 杂难辨的，所以才使电磁骚扰变得难以控制。 目前对传导耦合的具体划分，许多资料还存在一些分 歧。一种观点认为，传导耦合的传输电路只限定于“电源 线、信号线、控制线、导电部位（如地线、接地平面、机 壳等）”的可见性连接，将电容性耦合和电感性耦合都归 属于辐射传输的近场感应耦合，如下图所示： 另一种观点认为，电容性耦合、电感性耦合以及这两 者共同作用的两导体间的感应耦合均归属于传导耦合范围 ，且“传导耦合包括通过线路的电路性耦合，以及导体间 电容和互感所形成的耦合”，如下图所示： 还有一种观点认为，传导耦合的传输电路是由“金属 导线或集总元件构成”，因此将导线与导线之间的分布参 数耦合作为辐射耦合的一部分，如下图所示： 3.2 传导耦合的基本原理 传导耦合按其耦合方式可以划分为三种基本方式： 电路性耦合 电容性耦合 电感性耦合 实际工程中，这三种耦合方式同时存在、互相联系。 3.2.1 电路性耦合 1.电路性传导耦合的模型 电路性耦合是最常见、最简单的传导耦合方式。最简单的电路性传导耦 合模型如图3-2所示。 当电路1有电压U1作用时，该电压经Z1加到公共阻抗Z12上。当电路2开 路时，电路1耦合到电路2的电压为 若公共阻抗Z12中不含电抗元件时为共电阻耦合，简称为电阻性耦合。 图中， Z1、U1及Z12组成电路1 Z2 、 Z12组成电路2 Z12为电路1和电路2的公共阻抗 1）直接传导耦合 由式 ，若 ，则 U1 U2 ， 即电路1的电压U1直接加至电路2，形成直接传 导耦合。骚扰经导线直接耦合至电路是最明显的事实，但却 往往被人们忽视。导线经过存在骚扰的环境时，即拾取骚扰 能量并沿导线传导至电路而造成对电路的干扰。 2）共阻性耦合 当两个电路的电流流经一个公共阻抗时,一个电路的电流在该公 共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路,这就是共阻抗耦合。 通过公共地线阻抗的耦合 消除方法： 将地线尽量缩短并加粗，以降低公共地线阻抗。 地线阻抗形成的耦合骚扰 消除方法： 采用一点接地。 3）电源内阻及公共线路阻抗形成的耦合 3.2.2 电容性耦合 1.电容性耦合模型 电容性耦合（The Capacitive Coupling）也称为电耦合， 它是由两电路间的电场相互作用所引起。 下页图3-6表示一对平行导线所构成的两电路间的电容 性耦合模型及其等效电路。 假设电路1为骚扰源电路，电路2为敏感电路，两电路间的耦合电容为 C。根据等效电路图（b），可以计算出骚扰源电路在电路2上耦合的骚扰 电压为: 式中： 式 表明： 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）、耦合 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 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）、骚扰源电压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3-7所示。 图中,C12是导体1与导体2之间的杂散电容， C1G是导体1与地之间的电容， C2G是导体2与地之间的电容， R是导体2与地之间的电阻。 电阻R出自于连接到导体2的电路，不是杂散元件， 电容C2G由导体2对地的杂散电容和连接到导体2的任何电路的 影响组成。 图3-7 地面上两导线间电容性耦合模型 (3-4) 如果R为低阻抗，且满足 那么，式(3-4)可简化为 UNjC12RU1(3-5) 式(3-5)表明，电容性耦合的骚扰作用相当于在导体2与 地之间连接了一个幅度为InjC12U1的电流源。 式(3-5)是描述两导体之间电容性耦合的最重要的公式，它 清楚地表明了拾取(耦合)的电压依赖于相关参数。 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。减小耦合电容的方 法是导体合适的取向、屏蔽导体、分隔导体(增加导体间 的距离)。 如果R为高阻抗，且满足 那么，式(3-4)可简化为 (3-6) 式(3-6)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，且在数值上大于式(3-5)表示的骚扰电压。 式(3-6)给出了最大的骚扰电压UN。 图3-8 电容性骚扰耦合与频率的关系 当频率满足关系 (3-7) 图3-8给出了电容性耦合骚扰电压UN的频率响应。它是式(3-4)的骚扰电压UN与频率的关 系曲线图。 图3-9 导体2具有屏蔽体时两导线间电容性耦合模型 (3-11) 3.2.3 电感性耦合 1.电感性耦合模型 电感性耦合（Inductive Coupling）也称为磁耦合，它是由两电路 间的磁场相互作用所引起。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 。 该磁通量 与电流I的比值称为电感（L /I)。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。 如图3-10所示， S 是闭合回路的面积； B 是角频率为 (弧度/秒)的正弦变化磁通密度的有 效值(The RMS Value)； Un是感应电压的有效值。 3.3 电磁辐射的基本理论 电磁兼容问题实际上是要解决系统内部或系统间的电磁 干扰问题。 骚扰源产生的骚扰通过辐射耦合或（和）传导耦合到接 受器。在分析骚扰源时常常用到两个基本的骚扰源（天线） 模型，即表示在图3-15中的长为l的电基本振子（短线天线） 和表示在图3-16中的磁基本振子（小圆环天线）。 “短”和“小”是相对于其辐射的电磁波的波长而言的，即 。基本振子也称为偶极子。 3.3.1 电磁辐射的物理概念 随时间变化的电磁扰动是以有限速度传播的，称之 为电磁波动或电磁波。 理论和实践都已经证明，电磁波的电场能量和磁场 能量能够脱离场源在空间传播。电磁能量向远处传播而 不再返回场源的现象称为电磁辐射。 电磁波就其与波源的关系来看，可以分为两类： 一类是在波源附近的束缚电磁波，它的电磁能量不仅在电场能量与磁场能量 之间来回转换，而且在波源与其周围空间之间来回转换。 某时束缚电磁波的电磁总能量是随时间增加的,这时波源供给能量；在另外 的时间，束缚电磁波的电磁总能量是随时间减少的，波源由电磁场吸收能量，也 就是束缚电磁波交出能量。 束缚电磁波的能量是不向远方辐射的。 另一类是电磁能量完全辐射的，即自由电磁波。在远离波源的地方，电磁波 能量基本上完全是自由电磁波能量。 在波源附近除了束缚电磁波以外，也有自由电磁波， 只是束缚电磁波的能量或电磁场比自由电磁波大得多。 束缚电磁波的电磁场也称为感应场， 而自由电磁波的电磁场则称为辐射场。 在离开波源相当远的区域辐射场又比感应场强得多。 产生辐射的直接原因是变化的电场和变化的磁场的相互转化。麦 克斯韦方程表明：电磁场变化的快慢决定了电磁场的强弱，也就决定 了电磁辐射能量的多少。 由于电磁场变化的快慢是由波源的频率决定的，所以波源的频率 是直接影响电磁辐射的重要因素之一。 当波源频率很高时，电场的高速变化在空间形成强大的位移电流 。位移电流接着在其邻近空间产生强的磁场，而该磁场随时间的变化 又在附近产生变化的电场即位移电流，如此循环往复。 变化的电磁场不但相互转化而且在空间向前推进，这种推进的过 程即为电磁波的辐射过程。 波源频率越高，位移电流就越强，辐射的电磁能量就越多。 3.3.2 基本振子电磁场分布的一般表示式 1.电基本振子的电磁场分布 电基本振子是指一段载有高频电流的短导线。所谓短 ，是指其长度远小于所辐射的电磁波的工作波长，这时 导线上各点电流的振幅和相位可视为相同。虽然实际的线 天线上各处电流的大小和相位不同，但其上的电流分布可 以看成是由许多首尾相连的一系列电基本振子的电流组成 ，而各电基本振子上的电流可分别看作常数，因此电基本 振子也称为电流元。 电流元辐射场的分析计算是线天线工程计算的基础。 2. 磁基本阵子的电磁场分布 磁基本阵子 是 一 个 半 径 为 的 细 导 线 小 圆 环，载 有 高 频 时 谐 电 流 ， 如下图3-16所示。当此细导线小圆环的周长远小于波长时, 可以认为流过圆环的时谐电流的振幅和相位处处相同，所 以磁基本阵子也被称为磁偶极子。 磁阵子组成的平面阵。 3.3.3 近区场与远区场 由电基本振子和磁基本振子的电磁场分布表示 式可见，电场强度和磁场强度由几项组成，各项的数值均随 离开场源的距离的增加而减小，但是各项的减小程度不同。 在 的各点，电磁场主要取决于分母中含的kr的 最低次幂项； 而在 的各点，电磁场主要取决于分母 中含的kr的最高次幂项。 根据这个概念，整个存在电磁场的空间分为三 个区： 的远区，的近区， 的中间区。 1. 远区场辐射场 当 时，场点P 与源点的距离r 远大于波长 ，与这些点相应的区域称为远区。 2. 近区场感应场 当 时，场点P 与源点的距离r 远大于波长 ，与这些点相应的区域称为近区。 近区场和远区场的性质不同，场分布特 点不同，测量方法也不同。 k，相位系数，单位rad/m 3.4 近场的阻抗 通常将空间某处的电场与磁场的横向分量的 比值称为媒质的波阻抗ZW。由于一般情况下电场和磁场不 相同，因此波阻抗常常是复数，即 电基本振子和磁基本振子远区场的波阻抗为 它等于媒质的波阻抗（特征阻抗)。在自由空间，基 本振子的波阻抗可以简化为 但是近区场的波阻抗表示式复杂的多，且电 基本振子和磁基本振子的近区场的波阻抗表示式完全不同 。 在近场（The Near Field）中，波阻抗取决于源的性质 和源到观察点的距离。 如果源具有高电流、低电压（近场波阻抗小于媒质的 波阻抗）的特性，那么近场中占优势的场是磁场。 相反地，如果源具有低电流、高电压（近场波阻抗大 于媒质的波阻抗）的特性，那么近场中占优势的场是电场 。在近场中，必须分别考虑电场和磁场，因为近区场的 波阻抗不是常数。然而，在远场（The Far Field）中，电 场和磁场互相垂直且都垂直于传播方向，形成了平面横电 磁波TEM波（具有媒质的波阻抗）。 因此，当讨论平面电磁波的时候，假定电场、磁场处 于远场区；当分开讨论电场、磁场时，就认为电场、磁场 处于近场区。 3.5 辐射耦合 通过辐射途径造成的骚扰耦合称为辐射耦合。 辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能量从骚扰源经空 间传输到接受器（骚扰对象）。这种传输路径小至系统内 可想象的极小距离，大至相隔较远的系统间以及星际间的 距离。许多耦合都可看成是近场耦合模式，而相距较远的 系统间的耦合一般是远场耦合模式。 辐射耦合除了从骚扰源有意辐射之外，还有无意辐射 。例如无线电发射装置除发射有用信号外，也产生带外无 意发射。骚扰源以电磁辐射的形式向空间发射电磁波，把 骚扰能量隐藏在电磁场中，使处于近场区和远区场的接受 器 存在着被骚扰的威胁。 任何骚扰必须使电磁能量进入接受器才能产生危害，那 么电磁能量是怎样进入接受器的呢？这就是辐射的耦合问题 。 一般而言，实际的辐射骚扰大多数是通过： 天线、电缆导线和机壳感应进入接受器。 电缆导线感应，然后沿导线传导进入接受器； 接收机的天线感应进入接受器； 接受器的连接回路感应形成骚扰； 金属机壳上的孔缝、非金属机壳耦合进入接收电路。 因此，辐射骚扰通常存在四种主要耦合途径：天线耦 合、导线感应耦合、闭合回路耦合和孔缝耦合。 3.5.1 导体的天线效应 任何载有时变电流的导体都能向外辐射电磁场，同样 ，任何处于电磁场中的导体都能感应出电压。 因此，金属导体在某种程度上可起发射天线和接收天 线的作用。 例如：架空配电线、信号线、控制线均起天线作用。 金属设备外壳也起天线作用。 3.5.2 辐射耦合方式 1.天线与天线间的辐射耦合 天线与天线间的辐射耦合是一种强辐射耦合，它是指 某一天线产生的电磁场在另一天线上的电磁感应。 根据耦合的作用距离可划分为近场耦合和远场耦合； 根据耦合作用的目的可划分为有意耦合和无意耦合。 一般按照不同的性能要求和用途，采用金属导体做成 特定形状，用于接收电磁波的装置就是天线。 当电磁波传播到天线导体表面时，电磁波的电场和磁 场的高频振荡在天线