（电磁场与微波技术专业论文）plc网络周围电磁场特性及接收天线适用性问题的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 利用低压配电网建立起来的高速电力线通信( p l c ) 网络运行时会向周围空间 辐射电磁波，可能影响已经存在的短波通信。为了达到电磁兼容性的目的，需对p l c 网络的电磁辐射制定一个合理的辐射限值标准。本文首先以矩量法为基础，利用 n e c 仿真软件分析了自由空间条件下p l c 网络周围空间中电场与磁场之间的关系。 结果表明：p l c 网络周围空间中，电场与磁场直接受空间电流分布的影响，二者之 间不存在可以解析表达的定量关系式。鉴于近场测量的特点，本文接下来主要研究 了c i s p r l 6 标准规定的鞭天线和环天线在测量p l c 网络周围空间电磁场时的适用 性问题。主要从近场耦合、相位不均两个方面利用f e k o 仿真软件进行了分析。结 果表明，在p l c 测量中，采用环天线要优于鞭天线。同时考虑到近场的非t e m 波 特点，由极化分解理论对场强的测量也提出了处理方法。在对近场耦合的进一步研 究中，提出了一个忽略天线间近场耦合的标准。最后，还通过对电波传播与信道噪 声等方面的分析，给出了确定测量距离的建议。 关键词：p l c ，近场测量，近场耦合，鞭天线，环天线 a b s t r a c t h i g hs p e e dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) n e t w o r ks u p p o i r t e db yl o wv o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kc a nd i s t u r b a n c es h o i r t w a v ec o m m u n i c a r t i o nd r o b a b l yb yr a d i a t i n g e l e c t r o m a g n e t i cw a v ew h e ni t so p e r a t i o n s o ，ap r o p e rr a d i a t i o nl i m i ts h o u l db em a d e f o re m c i nt h i sp a p e r ，t h er e l a t i o nb e t w e e ne l e c t r i cf i e l da n dm a g n e t i cf i e l dn e a rp l c n e t w o r ki nf r e es p a c ew a ss t u d i e db ys i m u l a t i o ns o r w a r en e ct h a tb a s e do nm o m t h e c o n c l u s i o ni s ：a r o u n dp l cn e t w o r kt h e r ei sn oa n a l y t i c a le x p r e s s i o nb e t w e e ne l e c t r i c f i e l da n dm a g n e t i cf i e l d ，t h er e l a t i o ni sc o n n o l l e db ys p a t i a lc u i t e n td i s t “b u t i o n f o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn e a rf i e l dm e a s u r e m e n t ，t h ea p p l i c a b i l i t yo fw h i pa n t e n n a ， l o o p a n t e n n ap r e s c r i b e db yc i s p r16w a ss t u d i e di nt h ef o l l o w i n gs i m u l a t i o n ，m a i n l yt h r o u g h c o u p l i n ga n dp h a s i ci n e q u a l i t yi np l cn e t w o r k sn e a rf i e l dm e a s u r e m e n tb ys i m u l a t i o n s o r w a r ef e k o t h ec o n c l u s i o nt h a td r o w nf r o mt h es t u d yi s ：l o o pa n t e n n ai sm o r e s u i t a b l et h a nw h i pa n t e n n ai np l cn e t w o r k sn e a rf i e l dm e a s u r e m e n t c o n s i d e r i n g n o n t e mw a v ei nn e a rf i e l d ，am e t h o df o rf i e l ds t r e n g t hm e a s u r e m e n tw a sp r o p o s e d b a s e do np o l a r i z a t i o nd e c o m p o s i t i o n i nt h ef h r t h e rs t u d yf o rn e a rf i e l dc o u p l i n g ，a s t a l l d a r do fn e g l e c t i n gt h ec o u p l i n gw a ss u g g e s t e d ，a n dt h em e a s u r e m e n td i s t a n c ew a s p r o p o s e d a sas u g g e s t i o na tl a s tb ya n a l y s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o na n d c h a n n e ln o is e z h a n gs h a o j u n ( e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dm i c r o w a v e i e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f c u ix i a n g k e yw o r d s ：p l c ，n e a rf i e l dm e a s u r e m e n t ，n e a rn e l dc o u p l i n g ，w h i pa n t e n n a ， l o o pa n t e n n a 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 利用低压配电网建立起来的高速电力线通信( p l c ) 网络运行时会向周围空间 辐射电磁波，可能影响已经存在的短波通信。为了达到电磁兼容性的目的，需对p l c 网络的电磁辐射制定一个合理的辐射限值标准。本文首先以矩量法为基础，利用 n e c 仿真软件分析了自由空间条件下p l c 网络周围空间中电场与磁场之间的关系。 结果表明：p l c 网络周围空间中，电场与磁场直接受空间电流分布的影响，二者之 间不存在可以解析表达的定量关系式。鉴于近场测量的特点，本文接下来主要研究 了c i s p r l 6 标准规定的鞭天线和环天线在测量p l c 网络周围空间电磁场时的适用 性问题。主要从近场耦合、相位不均两个方面利用f e k o 仿真软件进行了分析。结 果表明，在p l c 测量中，采用环天线要优于鞭天线。同时考虑到近场的非t e m 波 特点，由极化分解理论对场强的测量也提出了处理方法。在对近场耦合的进一步研 究中，提出了一个忽略天线间近场耦合的标准。最后，还通过对电波传播与信道噪 声等方面的分析，给出了确定测量距离的建议。 关键词：p l c ，近场测量，近场耦合，鞭天线，环天线 a b s t r a c t h i g hs p e e dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) n e t w o r ks u p p o i r t e db yl o wv o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kc a nd i s t u r b a n c es h o i r t w a v ec o m m u n i c a r t i o nd r o b a b l yb yr a d i a t i n g e l e c t r o m a g n e t i cw a v ew h e ni t so p e r a t i o n s o ，ap r o p e rr a d i a t i o nl i m i ts h o u l db em a d e f o re m c i nt h i sp a p e r ，t h er e l a t i o nb e t w e e ne l e c t r i cf i e l da n dm a g n e t i cf i e l dn e a rp l c n e t w o r ki nf r e es p a c ew a ss t u d i e db ys i m u l a t i o ns o r w a r en e ct h a tb a s e do nm o m t h e c o n c l u s i o ni s ：a r o u n dp l cn e t w o r kt h e r ei sn oa n a l y t i c a le x p r e s s i o nb e t w e e ne l e c t r i c f i e l da n dm a g n e t i cf i e l d ，t h er e l a t i o ni sc o n n o l l e db ys p a t i a lc u i t e n td i s t “b u t i o n f o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn e a rf i e l dm e a s u r e m e n t ，t h ea p p l i c a b i l i t yo fw h i pa n t e n n a ， l o o p a n t e n n ap r e s c r i b e db yc i s p r16w a ss t u d i e di nt h ef o l l o w i n gs i m u l a t i o n ，m a i n l yt h r o u g h c o u p l i n ga n dp h a s i ci n e q u a l i t yi np l cn e t w o r k sn e a rf i e l dm e a s u r e m e n tb ys i m u l a t i o n s o r w a r ef e k o t h ec o n c l u s i o nt h a td r o w nf r o mt h es t u d yi s ：l o o pa n t e n n ai sm o r e s u i t a b l et h a nw h i pa n t e n n ai np l cn e t w o r k sn e a rf i e l dm e a s u r e m e n t c o n s i d e “n g n o n t e mw a v ei nn e a rf i e l d ，am e t h o df o rf i e l ds t r e n g t hm e a s u r e m e n tw a sp r o p o s e d b a s e do np o l a r i z a t i o nd e c o m p o s i t i o n i nt h ef h r t h e rs t u d yf o rn e a rf i e l dc o u p l i n g ，a s t a l l d a r do fn e g l e c t i n gt h ec o u p l i n gw a ss u g g e s t e d ，a n dt h em e a s u r e m e n td i s t a n c ew a s p r o p o s e da sas u g g e s t i o na tl a s tb ya n a l y s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o na n d c h a n n e ln o is e z h a n gs h a o j u n ( e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dm i c r o w a v e i e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f c u ix i a n g k e yw o r d s ：p l c ，n e a rf i e l dm e a s u r e m e n t ，n e a rn e l dc o u p l i n g ，w h i pa n t e n n a ， l o o pa n t e n n a 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文p l c 网络周围电磁场特性及接 收天线适用性问题的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：裂玺壑 日期：丝墨：三! 导师签名： 日期：丝兰：了：鱼叼叩午 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的背景 1 1 1 电力线通信( p l c ) 简介 第一章引言 电力线通信，简称p l c ( p o w e rl i n ec o 硼u n i c a t i o n s ) 或p l t ( p o w e rl i n e t e l e c o 姗u n i c a t i o n s ) ，从广义上讲应包含应用于高压输电网和中、低压配电网的窄带 电力线载波通信，以及在中、低压配电线路上实现的宽带数据通信。本课题所讨论的是 第二种情况，即利用中、低压配电线路实现数据、语音和图像等综合业务传输的通信 方式，主要为用户提供i n t e r n e t 接入，家庭局域网等应用。在我国，该技术主要是应 用于电力线上网：互联网服务通过光纤进入居民小区或高层住宅，再通过信号光电 转换和耦合网络接入低压配电网为用户提供上网服务。用户可以在房间内的任意电 源插座上通过电力调制解调器接入互联网，使现有低压配电网得到充分利用【l 】。避 免了采用其他互联网入户方式的电缆敷设，与传统上网方式相比，有巨大的优越性， 在我国有良好的发展前景。 目前国际上p l c 主要有两种应用模式【2 】，一种是以美国为代表的家庭内部联网模 式。这种模式的高速p l c 只提供家庭内部设备之间的联网，户外访问则使用其他传 统的通信方式。 另一种模式是面向欧洲和亚太市场的电力线上网，这些地区的低压配电网均是 _ 台变压器为2 0 0 3 0 0 个住宅用户提供供电服务，因此当宽带利用光纤等方式接入 小区后，在小区内部就可以充分利用遍布的电力网传送i n t e r n e t 信息。对于用户来 说，则可以在室内任意一个有电源插座的地方上网。 1 1 2p l c 的产生和发展 1 9 9 0 年，英国联合电力公司的子公司n o r w e b 通讯公司最早开始对高速电力线通 信进行研究。1 9 9 5 年，该公司又与加拿大n o r t e l 公司联手，共同开发p l c 技术。1 9 9 5 至1 9 9 7 年，n o r w e b 和n o r t e l 公司在英国曼彻斯特对2 0 个居民用户进行了大量的包括 话音服务在内的p l c 上网试验，获得成功。1 9 9 7 年1 0 月，这两家公司声称已经解决 了电力线噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的p l c 载波 技术，实现了在低压配电网上进行1 m b p s 速率数据传输的远程通信。此后，许多国家 也都开展了高速p l c 技术的研究。例如，美国的i n a r i 和i n t e l l o n 公司、以色列的i t r a n 和m a i n n e t 公司、韩国的x e l i n e 公司、瑞士的a s c o m 公司、德国的p o l y t r a x 公司和西班牙 华北电力大学硕士学位论文 的d s 2 公司等。此后，p l c 产品的传输速率也从1 m b p s 发展到2 m b p s 、1 4 m b p s 、2 4 m b p s 和 4 5 m b p s 。仅在2 0 0 1 年到2 0 0 3 年全世界就有4 0 多个国家成功地进行了超过1 0 0 次的p l c 网络 试验，越来越多的低压配电网开始提供商业的p l c 服务l 孓5 j 在2 0 0 4 年8 月3 0 日至9 月3 日法 国巴黎举行的第4 0 届国际大电网会议( c i g r e ) 上p l c 技术也受到广泛的关注1 6 】。 2 0 0 1 年4 月，德国通过了允许在电力线上经营i n t e r n e t 服务的电信服务法令。 2 0 0 年，宾夕法尼亚州立大学研究所的研发人员称，在最佳条件下，他们新开发的 电力网接入系统最高速度可接近1 g b p s ，实验理论速度可达2 5 g b p s 。 目前，p l c 产品的传输速率主要有2 m b p s 、1 4 m b p s 、2 8m b p s 、4 5 m b p s 、8 5 m b p s 、1 0 0 m b p s 、 2 0 0 m b p s 等7 种，其中1 4 m b p s 的是目前市场上的主流产品【1 1 。 为了使p l c 技术更好的发展，研究机构和厂商陆续成立了一些相关的国际组织， 规范p l c 的技术和市场。这些组织主要有h p a ( h o m e p l u gp o w e ra ll i a n c e 一家庭插 电联盟) 、p l c f o r u m ( 电力线通信论坛) 、o p e r a ( o p e np l ce u r o p e a nr e s e a r c h a 1 1 i a n c e ) 、u p l c ( u n i t e dp o w e rl i n ec o u n c i l ) 、p u a 以及日本的e c h o n e t 等。其 中最有影响力的为h p a 、p l cf o r u m 和0 p e r a 。 1 1 3 我国p l c 发展现状 我国研究p l c 技术起步较晚，但发展速度较快。中国电力科学研究院自1 9 9 7 年开始研究p l c 技术，当时主要考虑将p l c 技术用于低压抄表系统，因此传输速率 较低。1 9 9 8 年开发出样机，1 9 9 9 年在现场进行试运行，获得了产品登记许可。1 9 9 9 年5 月开始进行高速p l c 系统的研究工作。2 0 0 0 年开始引进国外的p l c 芯片，研制 了2 m b p s 的样机。 国家电网公司( 原国家电力公司) 从2 0 0 1 年起专门成立p l c 领导小组，下设 p l c 技术推进办公室，统一组织、协调和部署全国电力系统范围内的技术研发和应 用试验【7 1 。通过考察国外p l c 技术的应用情况，确立了在中国开展p l c 技术推进的 战略计划，责成中电飞华通信股份有限公司实施p l c 宽带接入运营试验，北京意科 通信技术有限责任公司、中国电力科学研究院通信所、福建省亿力电力网络信息设 备有限公司和深圳国电科技通信有限公司等公司主要进行p l c 相关产品的研发和制 造。 2 0 0 1 年8 月下旬，中电飞华在沈阳完成了居民小区的试验，建成我国第一个 p l c 小区。同年底，中电飞华开始在北京的居民小区、学校、宾馆等开展了不同规 模的组网试验和商业化试运营。截止到2 0 0 5 年7 月，已经有北京、上海、武汉、广 州、南京等城市相续开通p l c 业务，全国已有1 2 0 0 个住宅小区，约4 3 0 0 0 户家庭实现 通过电力线上网【1 1 。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2p l c 网络的电磁兼容问题 1 2 1p l c 网络运行时的电磁环境 作为电信级的运营网络，通信质量必须要有保障，而电力线作为传输介质，对高频 数据信号的传输有一些不利因素，集中表现为： ( 1 ) 电力线会对高频信号造成较大的衰减。通常，电力线在某一时刻对不同频率 的信号，衰减不同，而且，随着线路的阻抗和负载变化，信号的衰减也在不断变化。 ( 2 ) 电力线上存在较大的噪声干扰。由于电力线上连接着各种各样的用电设备， 某些大功率用电设备的频繁开闭，会在电力线上产生各种噪声干扰，而且噪声幅度较大。 ( 3 ) 低压电网拓扑结构复杂，分支多，衰减大，导致多径反射，引起信号的选择 性衰减和码间干扰。由于电力线信道呈无法预知的多径传输和反射特征，致使信道特征 表现为一个时变的频率选择性衰减通道，因此信道容量和误码率特性会受到多径衰落的 影响而恶化。 总之，在高速数据传输时，电力线信道呈现出频率选择特性，阻抗剧烈变化，较大 噪声干扰及高衰减等特性，使电力线成为一个并不理想的通信媒介【2 】。 1 2 2p l c 网络的电磁骚扰机理及特性 由于是直接利用现有低压配电网作为p l c 信号的传输网络，因此p l c 网络工作 时，相线、。中线以及p l c 设备的保护地与大地之间的寄生杂散电容引起的共模电流 将在周围空间产生电磁辐射。通过研究，p l c 的电磁辐射应该把p l c 整个系统作为一 个干扰源，而不应该仅局限于p l c 孤立的设备。实际应用中针对辐射骚扰来说，电力线 的长度与p l c 载波的波长相当，可以看作发射天线，因此被注入载波信号的电力线比 p l c 设备的辐射能力要强，所以，应该把p l c 系统作为一个干扰源进行研究。 由p l c 技术构成的接入单元是一个总线型的局域网，在该局域网上的用户端设备共 享同一条电力线，因而存在介质争用现象，为了保证正常的通信，在同一个局域网上某 一时刻只能有一个终端发出高频信号。由于分时进行信号发送，所以，在同一个p l c 局 域网中是不会发生电磁辐射的叠加现象的，但不同的p l c 局域网之间可能产生电磁辐射 的叠加【2 1 。 p l c 作为干扰源应归类为人为干扰源，我们所讨论的p l c 系统所产生的干扰是指在 p l c 系统正常工作时其载波信号所造成的电磁干扰，因此，这个干扰源可以视为有意发 射干扰源。美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a lc o 姗u n i c a t i o nc o 姗i s s i o n ) 在其电磁 干扰标准p a r t l 5 中将载波设备归为有意发射于扰源。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3 制定p l c 网络电磁辐射标准的原因及意义 电磁辐射的频率决定于p l c 网络的传输速率，p l c 网络使用的频率范围一般在 1 m h z 一3 0 m h z 之间，即短波频段。目前，在这个频率范围内还没有空闲频率分配给 p l c 网络专用。因此，如果注入到p l c 网络的信号功率过高，其产生的电磁辐射有 可能超过该频段其他通信服务和广播接收设备的电磁抗扰度限值，造成对这些通信 服务和广播接收设备的电磁干扰。我国信息设备无线电干扰限值的国家标准g b 9 2 5 4 主要是依据国际无线电干扰特别委员会标准c i s p r 2 2 制定的，该标准为基础标准， 为很多产品标准或系统标准引用。而c i s p r 2 2 在3 0 洲z 以下只规定了传导骚扰限值， 未规定辐射骚扰限值。这可能主要是考虑到以下两点原因【8 】： ( 1 ) 一般的信息设备尺寸与频率在3 0 m h z 以下的电磁波波长相比要小的多，根据 电磁辐射理论，这些设备在3 0 m h z 以下的频带内辐射非常小。所以在3 0 m h z 以下， 传导骚扰是设备的主要骚扰源，在该频带下对传导骚扰的限值进行规定以后就可以 有效的保障其他设备和无线电服务的正常运行。 ( 2 ) 在3 0 m h z 以下有很多实际困难而难以测到真实的电场强度，例如，测量距离 的限制问题。这也是p l c 网络辐射测量中的关键问题。 由于p l c 网络不能忽视其辐射骚扰，所以只有传导骚扰的限值已不能对p l c 网 络进行很好的规范，有必要制定p l c 网络的辐射骚扰限值。目前我国尚没有p l c 网 络电磁辐射测量方法和场强限值的标准，显然这不利于我国p l c 技术的发展和应用。从 我国无线电管理局颁发的中华人民共和国无线电频率划分规定来看，1 3 0 姗z 频 带范围内的频率已经分配完毕，因此只能考虑在这个频带内对p l c 系统的辐射进行限 制，以保护在这个频段内的无线电业务。 1 2 4 国外p l c 网络的电磁干扰标准简介 目前针对1 姗z 一3 0 删z 频率范围内通信网络电磁辐射的场强限值和测量方法的标准 有德国的n b 3 0 、英国的m p t l 5 7 0 、美国的f c cp a r t l 5 、国际电信联盟的i t u tk 6 0 和 e t s it r1 0 2 3 2 4 等【9 1 7 】 ( 1 ) n b 3 0 德国经济部下属的电信与邮政法规管理局( r e g t p ) 于1 9 9 9 年颁布了名为n b 3 0 的电磁兼容标准。该标准给出了在测量距离为3 m 下，频率范围在9 k h z 一3 g h z 内电信 服务( 包括c a t v 、x d s l 和p l c ) 沿信号传输线的电磁辐射限值。其中在1 m h z 一3 0 m h z 频段内，采用准峰值检波时的辐射骚扰场强限值为4 0 8 8 l o g 厂( 膨眈) d b p v m 。 ( 2 ) m p t l 5 7 0 英国无线通信管理局( r a ) 于2 0 0 0 年2 月颁布了电磁兼容标准m p t l 5 7 0 ，规定了 4 华北电力大学硕士学位论文 9 k h z 一3 0 0m h z 频段内的辐射骚扰场强限值，其中测量距离为3 m ，1 6 m h z 一3 0 m h z 频 段内，采用峰值检波时的限值为2 0 一7 7 l o g 厂( 朋勉) d b p v m 。 ( 3 ) f c cp a r t l 5 2 0 0 5 年9 月1 9 日美国联邦通信委员会颁布了最新的电磁兼容标准第1 5 部分 ( f c cp a r t l 5 ) 给出的1 m h z 一3 0 m h z 的辐射骚扰场强限值如表卜1 所示。 场强限值测量距离场强限值 频率( m h z ) 蝌| 吣( m )( d b ，m ) 1 1 7 0 51 5 ( 峰值)3 0 m4 3 5 。1 7 0 5 1 01 0 0 ( 峰值)3 0 m6 0 1 0 一1 3 1 1 03 0 ( 峰值)3 0 m4 9 5 1 3 1 l o 1 3 4 1 01 0 6 ( 峰值)3 0 m6 0 5 1 3 4 l o 1 3 5 5 33 3 4 ( 峰值)3 0 m7 0 5 1 3 5 5 3 一1 3 5 6 71 5 8 4 8 ( 峰值)3 0 m1 0 4 1 3 5 6 7 一1 3 7 l o3 3 4 ( 峰值)3 0 m7 0 5 1 3 7 1 0 1 4 0 1 01 0 6 ( 峰值)3 0 m6 0 5 1 4 0 1 0 2 6 9 63 0 ( 峰值)3 0 m4 9 5 2 6 9 6 2 7 2 81 0 0 0 0 ( 平均值) 3 m8 0 2 7 2 8 3 03 0 ( 峰值)3 0 m4 9 5 表1 1f c cp a r t l 5 规定的1 姗z 一3 0 姗z 内的辐射骚扰限值 ( 4 ) i t u tk 6 0 国际电信联盟( i t u ) 的建议k 6 0 规定了9 k h z 一3 g h z 内电信网络的无意辐射骚 扰强度的测量方法和电场强度辐射限值，其中1 删z 一3 0 m h z 内的骚扰限值为在3 m 测量距离下，峰值检波时为5 2 8 8 l o g 厂( 脱眈) d b “v m ，准峰值检波时为 4 0 一8 8l o g ( 纰) d b p v m 。 ( 5 ) e t s it r 一1 0 2 3 2 4 欧洲电信标准化协会( e t s i ) 制定了一系列关于p l c 网络的标准，其中2 0 0 4 年5 月颁布的电力通信网络的辐射骚扰特性和测量方法( e t s it r1 0 23 2 4 ) 提出的 p l c 系统辐射骚扰磁场强度限值。该标准规定在1 6 0 5 m h z 一3 0 m h z 频段内，测量距离 为3 m 、准峰值检波的情况下，1 0 0 的p l c 辐射骚扰测量的样本值都要低于1 4 d b 舭m ， 折合到电场强度为6 5 5 d b p v m ；8 0 的测量样本值要低于4 d b 舭m ，折合到电场强 度为5 5 5 d b 肛v m 。 以上所有标准中，只有m p t l 5 7 0 和n b 3 0 是专门针对高速p l c 通信而制定的法 规【1 8 1 。但是这两个标准却过于严格，德国多特蒙德大学的试验表明，在6 4 台计算 s 华北电力大学硕士学位论文 机同时使用五类双绞线上网时产生的电磁辐射就已经超过了n b 3 0 标准的限值【1 们。 1 3 本文的主要工作 对于1 m h z 一3 0 删z 频率范围内的p l c 电磁辐射测量方法而言，目前已经有很多标 准规定了测量方法和设备。但是，这些测量方法均是以满足电磁辐射的远场条件为 前提的，p l c 测量不满足远场条件。因此，直接套用基于远场理论设计的电场天线 测量p l c 网络周围空间的场强，或者间接通过磁场天线测量的磁场强度乘以空气波 阻抗3 7 7 q 后获得电场的方法都存在一定的误差。所以，如何更合理地制定p l c 网络 电磁辐射的测量方法成为p l c 技术领域关心的一个重要问题。 本文结合国家自然科学基金项目“低压配电网p l c 网络电磁辐射测量方法与场强 的研究 ，在矩量法的基础上，主要通过仿真计算，寻求p l c 网络周围空间电场分量 和磁场分量的相互关系，并对现有的c i s p r l 6 规定的接收天线鞭天线和环天线 应用于p l c 近场测量时的适用性进行了分析，其结论对p l c 网络电磁辐射的测量方 法和制定我国的相关标准具有一定的参考意义。本文共分六章，各章具体内容如下： 第一章：首先介绍了p l c 技术的一般概况及其所带来的电磁兼容问题，并对国 外p l c 辐射场强限值的主要标准进行了介绍。 第二章：介绍了矩量法的基本原理，并将之应用于细线导体上电流分布的计算。 第三章：结合近场和课题的具体情况，由适当的近似得出细直导线的近场场强 近似表达式。并通过仿真计算，分析了p l c 近场电场，磁场之间的相互关系，找出 了近场中各场量的主要影响因素。得出了p l c 近场中电场和磁场之间不存在可以解 析表达的定量关系的结论，从而证明在p l c 近场由磁场转电场的方法存在不妥。 第四章：结合天线原理，主要应用天线测量的理论，详细分析了c i s p r l 6 规定 的鞭天线和环天线应用于p l c 近场测量时的适用性。得出不宜采用鞭天线测电场而 宜于采用环天线测磁场的结论。针对近场的非t e m 波特点，由极化分解理论给出了 相应的处理方法。最后还提出了一个可以忽略天线间耦合的标准。 第五章：由电波传播和噪声的知识，结合p l c 电磁辐射能量小、衰减快的特点， 给出确定测量距离的建议。 第六章：对全篇进行了总结。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章p l c 网络周围空间电磁场的计算方法 2 1 矩量法原理 如果非齐次方程为 三( 厂) = g ( 2 1 ) 式中三是线性算子，g 为已知函数，为未知函数。令厂在三的定义域中被展开为 石，以，厶，六的组合，如 厂= 六 ( 2 2 ) 一 式中是系数，以被称为展开函数或基函数。对于精确解，式( 2 2 ) 通常是无穷项 之和，而六形成为一个函数的完备集。对于近似解，式( 2 2 ) 通常是有限项之和。将 式( 2 2 ) 代入式( 2 一1 ) ，再应用算子三的线性便可以得到 口。三( 无) = g ( 2 3 ) 对此问题若已经规定了一个适当的内积( 厂，g ) ，那么，在三的值域内定义一个权函数或 检验函数万。，万2 ，吼，吼的集合，并对每个取式( 2 3 ) 的内积，则 ( ，玩) = ( 万m ，g ) ( 2 4 ) 式中朋= l ，2 ，3 。此方程组可以写成如下的矩阵形式 阢。】宰k 。】= k 。】 ( 2 5 ) 式中 【，删】= 慨，玩) 瓴，阢) 概，奶) ( 万：，硕) ( 疗：，阢) ( 万：，玩) 亿，顽) ( 刃，玩) 瓴，玩) k 。】= 口l 口2 口3 ： k 肼】= ( q ，g ) ( 万：，g ) ( 矾，g ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 如果矩阵k 】是非奇异性的，其逆矩阵p 舢r 1 存在，则口。便有下式给出 k 】= k r l 【g 朋】 ( 2 8 ) 厂的解由式( 2 2 ) 得出，为了简明地表示此结果，规定函数的矩阵为 7 华北电力大学硕士学位论文 阮】= 阮厶六】 ( 2 9 ) 于是，可将厂写成 = 阮】k 。】_ 阮】【。r l k 。】 ( 2 1 0 ) 此解是精确的还是近似的，要取决于五和吼的选择。当选择吼= 六这种特殊情况时， 通常称为伽略金法。 如果矩阵k 】是无限阶的，那么它只在特殊情况下才能求逆，譬如矩阵k 】是对角 阵的时候。如果以和的集合是有限的，那么矩阵】就是有限阶的，因而就可以用 一般的方法求逆。 在任何一个特定的问题中，主要任务就是选择厶和，无必须是线性无关的，并 且使得它们的某种线性组合能够很好地逼近厂，也应该是线性无关的。影响选择六和 万。的一些其它因素是：( 1 ) 所要求的精度；( 2 ) 计算矩阵的难易；( 3 ) 能够求逆的矩 阵的大小；( 4 ) 良态矩阵k 。】的可实现性。 在实际问题中，式( 2 6 ) 的乙= ( 珂。，玩) 中的积分计算是很困难的，求近似解 的一个简单方法就是在所关心的区域内，要求在一些离散点上满足方程式( 2 3 ) ，这 种方法称为点选配。就矩量法而言，这相当于用狄拉克( d i r a c ) 万函数作为检验函数。 另一种实用的近似方法是分域基法，它采用的各个基函数正只是在厂定义的各个分域上 才存在，于是，展开式( 2 2 ) 的每个口。只是在我们所关心的区域的各个分域基上才 影响的近似。这种方法通常可以简化计算，以及简化形成的矩阵k 】。有时，更为方 便的是将点选配法与这种分域基法结合起来使用f 2 0 】。 2 2 细导线电流分布的计算 本小节利用以上所介绍的矩量法，具体介绍一个细导线在一定电压激励下的电 流分布，当求得导线上的电流分布以后，就可以由导线电流求解所欲求的空间场。 为了简明的介绍矩量法在细导线电流分布求解中的应用，所采用的积分方程为波克 林顿积分方程，展开函数为脉冲函数，检验函数为6 函数，当检验函数取为6 函数 时就成为点选配法。 2 2 1 波克林顿积分方程的推导 波克林顿在1 8 9 7 年导出了处理线天线的一个很普遍的积分方程。为了导出该方程， 8 华北电力大学硕士学位论文 图2 一l 半径为a 的圆柱导体载有表面 电流密度为k 的表面电流 z 轴号 图2 2 导体由距离z 轴为a 的电流丝 i = 2 a k ( a ) 所代替 考虑如图2 1 所示电导率为盯的导线，其周围是自由空间( 风，氏) ，假定导线的电导 率很高，由高频时的集肤效应，电流将大部分被限于导线的表面。则导体上点处截面 周界的总电流为 ，( z ) = k ( z ) 2 万幸口 其中，k ( z ) 为在z 处的表面电流密度( 彳肌) 。 ( 2 1 1 ) 既然所有电流都与导线的轴线相距为口，就可以认为电流是在自由空间中沿着平行 于z 轴而相距为口的无穷细丝上流动，如图2 2 所示。 由电荷与电流产生的场可写成 e = 一刁o 彳一v y ( 2 1 2 ) 彳为矢量位 。 y 为标量位 对于仅沿z 方向的电流，式( 2 一1 2 ) 变成 e ：一_ ，掣。彳：一学 院 另由关系式 娑：一矿 o z 它对z 的导数为 a 2 彳， a 矿 才一j 册。瓦 将式( 2 一1 5 ) 代入式( 2 一1 3 ) ，可有 9 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 e ：士警一掣。以 1 仍q 貔 = 志( 等耐俐：) = 志c 等 对于一段出的电流元，其矢量位 幽：型! ! ：竺垒 4 其中。p 一胗，为自由空间的格林函数 ，：、厄= 事孑 z ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 图2 3 电流丝上的源点在z 轴上距离为r 的观测点处产生的场d e z 为观测点位置 z 为源点位置，见图2 3 。 因此，由该电流元产生的场可以写成 幔：善生( 罢兰+ ：兰) 出 ( 2 _ 2 1 ) 2 磁h 4 死、a z l r 1 r 。 对于长度为l 的载流导体，总场是按式( 2 2 1 ) 进行的积分，由此可导出众所周知的 波克林顿方程( p o c l 【l i n 群o n ) 1 2 1 】 e = 南童专孚争矽 ( 2 屹) 其中，e ：是由场源e ：所致电流( z ) 辐射而产生的场，源场则来自于施加在天线馈 i o 华北电力大学硕士学位论文 端上的电压或入射平面波( 散射时的情况) 。在导体上或内部这些电场之和，即总 场必须趋于零( 因为电导率为无穷大) ，故 e ：= 一e ( 2 2 3 ) 在结束本小节之前，对推导过程中的重要近似做一个总结，这些近似都是基于半径a 远 远小于波长入的假设。 ( 1 ) 忽略了导线上的周向电流。认为导线上只有沿导线的纵向电流。 ( 2 ) 在导线表面电磁场边界条件实际上是作用在导线轴线上，并且将电流等效为电流 细丝。并根据互易定理。进一步处理为电流细丝位于导线轴线上，而观察点被置 于离电流细丝距离为a 的位置。 2 2 2 源的建模 在矩量法中通常使用的激励源模型有三种。对于发射天线的情况，6 间隙源和流环 发生器( 衔l ls o u r c e ) 产生所需要的入射场。而对于接收天线或散射器，入射场通常是 平面波。本小节只介绍使用最多的6 间隙源模型，它常被称为片状发生器( s l i c e g e n e r a t o r ) 。6 间隙源出自如下假设：一电压作用于某间隙，引起完全局限于该间隙的外 加电场e = 矿万。跨在间隙两边的电压由间隙中电场的线积分确定，其结果是 矿= + e 占。外加电压y 不能与广义电压矩阵i 圪l 中的元圪混淆。当检验函数为6 函数， 即采用所谓的点选配法时，对于6 间隙源模型有圪= e 。= y 6 田j 。 2 2 3 积分方程的求解 为了方便，将式( 2 2 2 ) 写成如下形式 工，2 一p ( ( z ，z ) 龙- e ( z ) ( 2 2 4 ) 一工，2 求解式( 2 2 4 ) 的第一步是将未知电流用一组已知线性无关的基函数e 来近似 心) = l e ( z ) ( 2 2 5 ) 刀i l 式中厶是复展开系数，它们是未知的。现取展开函数为一组正交脉冲函数，既 m = 0 嚣汁 ( 2 嗡) 用脉冲函数展开是对导线上电流分布的一种阶梯近似，导线在此被分成长度为碱的n 段。 将式( 2 2 5 ) 代入到( 2 2 4 ) ，得到 华北电力大学硕士学位论文 工，2 一，l e ( z ) k ( 乙，z ) 出e r ( z 脚) ( 2 2 7 ) 该式中下标m 表示积分方程加在第m 段上，方程的左边只是近似等于右边，因为我们 用近似电流分布代替实际电流分布。在式( 2 2 7 ) 中应用式( 2 2 6 ) 的表示，可写出 一l 肛( 乙