第六章电缆设计第七讲PPT课件

1、2021-11-171一、教学内容及时间安排一、教学内容及时间安排6 61 1 传导耦合传导耦合6 61 1 电容性耦合电容性耦合6 61 1 电感性耦合电感性耦合6. 1 6. 1 电容性耦合与电感性耦合的综合考虑电容性耦合与电感性耦合的综合考虑6 62 2 高频耦合高频耦合6 62 2 分布参数电路的基本理论分布参数电路的基本理论6 62 2 高频线间的耦合高频线间的耦合6. 2 6. 2 低频情况的耦合低频情况的耦合6 63 3 辐射耦合辐射耦合6 63. 3. 基本振子的电磁场分布基本振子的电磁场分布6 63 3辐射耦合辐射耦合6 64 4 处在电磁场中的传输线和电缆处在电磁场中的传输

2、线和电缆6 64 4 场到线的共模耦合与异模耦合场到线的共模耦合与异模耦合二、教学目的及要求二、教学目的及要求 通过这部分内容的教学，使学员理解传导干通过这部分内容的教学，使学员理解传导干扰的电耦合途径，了解电路性干扰的抑制方法，扰的电耦合途径，了解电路性干扰的抑制方法，电容性干扰的抑制方法，抑制磁耦合干扰的措施。电容性干扰的抑制方法，抑制磁耦合干扰的措施。 第六章电缆设计和辐射干扰第1页/共58页2021-11-172三、本次课重点与难点三、本次课重点与难点1 1掌握传导干扰的一般性质，了解传导干扰传输线路的性质。掌握传导干扰的一般性质，了解传导干扰传输线路的性质。2 2掌握传导干扰电耦合途

3、径，电路性干扰的抑制方法，磁耦掌握传导干扰电耦合途径，电路性干扰的抑制方法，磁耦合干扰，抑制磁耦合干扰的措施，电路性干扰的实例和计算。合干扰，抑制磁耦合干扰的措施，电路性干扰的实例和计算。 四、教学方法与手段四、教学方法与手段 采用课堂多媒体教学手段进行理论教学。采用课堂多媒体教学手段进行理论教学。 第六章电缆设计和辐射干扰第2页/共58页2021-11-173五、能力与素质培养五、能力与素质培养 通过这部分内容的教学，使学员了解辐射干扰及其危通过这部分内容的教学，使学员了解辐射干扰及其危害熟悉电磁辐射对电路产生的干扰害熟悉电磁辐射对电路产生的干扰, ,外导线及地回路产生的外导线及地回路产生的

4、干扰，减少辐射干扰的措施，培养学员举一反三、触类旁干扰，减少辐射干扰的措施，培养学员举一反三、触类旁通的能力。通的能力。六、具体教学内容六、具体教学内容1 1掌握传导干扰的一般性质，了解传导干扰传输线路的性掌握传导干扰的一般性质，了解传导干扰传输线路的性质。质。2 2掌握传导干扰电耦合途径，电路性干扰的抑制方法，磁掌握传导干扰电耦合途径，电路性干扰的抑制方法，磁耦合干扰，抑制磁耦合干扰的措施，电路性干扰的实例和耦合干扰，抑制磁耦合干扰的措施，电路性干扰的实例和计算。计算。七、本次课小结七、本次课小结1 1了解辐射干扰及其危害以及场区划分。了解辐射干扰及其危害以及场区划分。2 2了解辐射干扰的物

5、理模型，了解电磁辐射对电路产生的了解辐射干扰的物理模型，了解电磁辐射对电路产生的干扰，了解外导线及地回路产生的干扰。干扰，了解外导线及地回路产生的干扰。3 3了解电磁辐射对人体的影响及相应的保护措施。了解电磁辐射对人体的影响及相应的保护措施。第3页/共58页2021-11-174 电缆是效率很高的电磁波接收天线，空间的电磁干扰往往首先被电缆接收到，然后传到设备中，造成电路的误动作。电缆还是效率很高的电磁波辐射天线，当设备被屏蔽后，电缆是产生电磁波辐射的主要原因。当设备或系统不能满足有关电磁干扰的限制时，90是电缆的原因。 电缆中的导线都是平行的，而且平行走线距离最长，因此信号串扰是十分严重的，

6、减小电缆中导线的串扰是电磁兼容设计中十分重要的内容。另外，即使不是同一根电缆中的导线，相互串扰也往往十分严重，要通过适当的设计来减小这些串扰。要解决串扰问题，首要明确串扰的机理。 第六章电缆设计和辐射干扰第4页/共58页2021-11-175611 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。 1电容性耦合模型 图表示一对平行导线所构成两回路通过线间的电容耦合，其等效电路如图所示。假设电路1为骚扰源电路，电路2为敏感电路，c为导线1与导线2

7、间的分布电容等效电路可计算出在回路2上的感应电压为： 第六章电缆设计和辐射干扰第5页/共58页2021-11-176由等效电路可计算出在回路2上的感应电压为：22211221cRj CRUUURXj CR 电容性耦合引起的感应电压正比骚扰源的工作频率、敏感电路的对地电阻及、分布电容C、骚扰源电压U1；电容性耦合主要在射频形成骚扰，频率越高，电容性耦合越明显；抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容 第六章电缆设计和辐射干扰第6页/共58页2021-11-177导体2与地之间耦合的骚扰电压UN能够表示为： 1211211221()nGj C RUUj C RUj R CC 第六章电缆设计和辐射干扰

8、第7页/共58页2021-11-178 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C1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)。若两导体之间距离加大，Cl的实际值会减小。因此降低导体2上感应到的电压，若两平行导体间分隔距离为D，且导体直径为d，则1120/cosh (/)CD d 第六章电缆设计和辐射干扰第8页/共58页2021-11-179 第六章电缆设计和辐射干扰第9页/共58页2021-11-1710 第六章电缆设计和辐射干扰0022arclnCdlddachaada02Cdllha021 22ln/Cldrr02

9、22lnClhhrr0212124ln/22lnlnln/fdChhlfdrr传输线的类传输线的类型型图示图示 单位长度的电容单位长度的电容平行直导线平行直导线与大地平行与大地平行直导线直导线第10页/共58页2021-11-1711 第六章电缆设计和辐射干扰第11页/共58页2021-11-1712 第六章电缆设计和辐射干扰2220ln12Mlldddldll02ln1/2MldH mldl220.1 14/MhH mld0.2 12/MhH mld传输线的传输线的类型类型图示单位长度的互感公式两平行直两平行直导线导线与大地平与大地平行直导线行直导线第12页/共58页2021-11-1713

10、 第六章电缆设计和辐射干扰0ln2Mbla/H m220123/2221cos2a aMlaz/H m22222222sincos0.2lnsincossincossincosDbabMlDbabDbabDbab/H m222222220.2ln/DbadDbadMH mlDbadDbad长导线与长导线与矩形同轴矩形同轴圆线圈圆线圈两组平行两组平行传输线传输线/H m第13页/共58页2021-11-1714 第六章电缆设计和辐射干扰脉冲串扰第14页/共58页2021-11-1715脉冲串扰 第六章电缆设计和辐射干扰第15页/共58页2021-11-1716双导线间电容 第六章电缆设计和辐射干

11、扰微带线间电容第16页/共58页2021-11-1717 第六章电缆设计和辐射干扰第17页/共58页2021-11-1718增加地减小双导线间电容微带导线间电容 第六章电缆设计和辐射干扰第18页/共58页2021-11-1719 第六章电缆设计和辐射干扰第19页/共58页2021-11-1720 612 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，若另一根导线在变化的磁场中，则这根导线上会感应出电动势。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 当电流I在闭合电路中流动该电流就会产生与此电流成正比的磁通量。中的比例常数

12、称为电感L，由此我们写出：LI 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。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定义为：12121MI第20页/共58页2021-11-1721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：NsdUB dSdt 其中 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面积上是常数，B与S的夹角为 cosNUj BS612 电感性耦合B第21页/共58页2021-11-1722磁耦合612 电感性耦合第22页/共58页2021-11-1723双导线间磁耦合612 电感性耦合第

13、23页/共58页2021-11-1724互感取决于环路面积612 电感性耦合第24页/共58页2021-11-1725双导线之间的互感612 电感性耦合第25页/共58页2021-11-1726第26页/共58页2021-11-1727 为了减小骚扰电压，必须减小B、S、 。欲减少B的值，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。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。 cos612 电感性耦合第27页/共58页2021-11-1728 磁场与电场间的干扰有区别：第

14、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，磁场干扰中，电感耦合电压串联在被干扰导体中，而电场干扰中，电容耦合电流并联在导体与地之间。利用这一特点，可以分辨干扰是电感耦合还是电容耦合。 612 电感性耦合第28页/共58页2021-11-1729 613 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

15、计算，然后再找出其综合干扰效应。第29页/共58页2021-11-1730212()GCLGUIIR2(2G120010C2102G2LRRRUURRRRRRRRGUUUM电容耦合）电感耦合）j=2(2G1200102102G2L2L2G22G2LRRRU-URRRRRRRR R1 RRLCCUUUMXXRj C电容耦合）电感耦合）j=靠近负载端靠近干扰源端 第30页/共58页2021-11-1731第31页/共58页2021-11-1732第32页/共58页2021-11-1733ln/2D dln 2/D d1S m2/ln/D d/ln 2/D d1m11sRDd2sRdln/2D dl

16、n 2/D d特性参数分布参数分布电感 分布电导 分布电阻 特性阻抗 2 /ln/D d/ln 2/D d两种典型传输线特性参数第33页/共58页2021-11-1734第六章辐射耦合基本振子的电磁场分布1、电基本振子的电磁场分布磁场强度的三个分量220sin14()rjkrHHk IljHekrkr第34页/共58页2021-11-1735电场强度的三个分量电基本振子远区的电磁场,2krl rjkr0r2jkr02I lcos1E =(1+)e E =02 rjkrkI lsin11E =j1+e 4 rjkr(jkr)23111kr(kr)(kr)2jkr0jkrsinsinje42 rs

17、insinje42 rjkrjkrIlkeIlEjrIlkeIlHjr（a）电基本振子远区的电磁场波型 2*E111S= E H =eE H =e222rrrE=e E H=e H EHe第35页/共58页2021-11-1736(b)、相位特性等相位面方程 0kI LsinE (r,t)=cos( t-kr+ )4 r2= t-kr+ =C r=c2 等相位面是以电流元为中心的球面波 p1v = fk/EH3、电磁场的振幅特性m1 I rE Hf Lsin第36页/共58页2021-11-17374、能量传输特性电能密度等与磁能密度 22em0m0m11w =w =H=E22能量传播速度 e

18、p001v =v =c 2220AVr0mrmmrI111S=eH=eHEe60 () sin2222 rL2 22AVmP=Sds=40I()L辐射功率 基本振子的电磁场分布第37页/共58页2021-11-1738第38页/共58页2021-11-1739(2)磁基本振子远区的电磁场2jkr00022jkr2sinsine4sinsine4jkrjkrISkeISEHrISkeISHr 1、磁基本振子远区的电磁场也是TEM非均匀平面波2、3、电磁场与r 成反比4、与电基本振子相比只是EH的取向互换（2）近区感应场0/EH231111kr(kr)(kr)基本振子的电磁场分布第39页/共58页

19、2021-11-1740电基本振子近区感应场jkr0rr3jkr03jkr02I lcosE =-je E =H =H =02 krI lsinE =-je4 krI lsinH =e4 r磁基本振子近区感应场0233sin4sin4sin2rISkEjrISHrISHr 基本振子的电磁场分布第40页/共58页2021-11-1741632 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)。 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。 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。或者是通

20、过电缆导线感应，然后沿导线传导进入接受器；或者是通过接收机的天线感应进入接受器或者是通过接受器的连接回路感应形成骚扰；或者是通过金属机壳上的孔缝、非金属机壳耦合进入接收电路。 第41页/共58页2021-11-1742如果将最大辐射方向对准接收天线，在接收天线处入射波的功率密度为24ttG PSR2224(4)ttrretetGGGPSAPAPRR()()()() 20lg () 20lg () 32.4rttrP dBmP dBmG dBG dBR kmf MHz24erAG弗利斯传输公式第42页/共58页2021-11-1743接收天线处的功率密度 22,.,44tttttttttPPSG

21、e DRR 接收功率 rrtPA S2.trPLFe e 考虑极化失配因子后：222.,.4rrtrrtrrttrrrrtrtrPA Se PLF A Se A S e eDS e e e 考虑热损耗后：2222.,.,.44rrtrrtrrttrtrrrttttrtrPA Se PLF A Se A S e ePDe De e eR 第43页/共58页2021-11-1744接收和发射功率之比为：22,.,.4rtrrrrttttrtPee DDe ePR 222211,.,.4rtrtrrrrttttrtPeeDDe ePR 如果阻抗匹配、极化匹配 2,.,4rrrrttttPDDPR 2

22、221122,4rttrtrPPGG FFpqr 弗利斯传输公式第44页/共58页2021-11-17451.天线与天线之间的辐射耦合2( ,)(,)4RttttrrrPPGGd 发射天线的发射功率发射天线在指向接收天线方向的增益 接收天线在指向发射天线方向的增益d为两天线间的距离tP( ,)tttG (,)rrrG 弗利斯传输公式第45页/共58页2021-11-17461121/21121/2方位角 和高低角 所希望发射的方位角和高低角中心11所希望发射的方位角和高低角中心1212发射天线的方位角和高低角波束宽度 11接收机处在发射机天线有意辐射区内： 弗利斯传输公式第46页/共58页20

23、21-11-1747接收机处在发射机天线有意辐射区内： 方位角 2212/22212/22212180/22212/2和高低角 方位角 和高低角 所希望接收的方向角和高低角 由接收机到干扰发射机的方向角 接收天线的方位角和高低角波束宽度 22222121发射机到接收机的方位角 1212发射机到接收机的高低角 第47页/共58页2021-11-174864处在电磁场中的传输线和电缆641场到线的共模耦合与异模耦合第48页/共58页2021-11-17490lUEdlEl22 cossin(cos)UEj lh22 cossin(cos)ybUEj l642 场对高频传输线的耦合 当传输线的长度

24、时( 为波长)，此时沿线的电流，电压是变化的，不能用前面述的低频方法，而必须采用分布参数电路的理论。当电磁波照射到高频传输线时，将引起线分布的许多无穷小的电压源，如图632所示。 4l第49页/共58页2021-11-175065 干扰耦合的抑制措施 65.1 电容性耦合干扰抑制措施 (1)两系统的耦合部分(特别是电线、电缆)的布置应使耦合电容尽量小，使导线尽短，线间距离尽量大，并尽量避免平行走线，以减小电容性耦合。 (2)对干扰源和被干扰者进行电屏蔽，对带有屏蔽体的电容性干扰耦合的分析可知，屏蔽受干扰的传输线可使电容耦合电压受到抑制。 (3)如果干扰源和干扰对象的基准点电路上是相互独立的，则可采用平衡措施来消除电容性干扰，图634给出了平衡措施的原理图及结构图，平衡条件为：该条件可用结构性措施来实现，也