电磁兼容电磁干扰耦合与传输理论

电磁兼容电磁干扰耦合与传输理论第一页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电磁环境

电磁干扰的耦合途经

电气工程系江滨浩博士研究生学位课－电磁兼容（2）第二页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

主要内容电磁干扰现象电磁干扰三要素时域与频域电磁干扰源敏感体及其特性电磁干扰的耦合途经电磁辐射的基本理论传导耦合的基本理论电磁骚扰的抑制策略第三页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电磁干扰现象数字脉冲电路开关电源数字视频设备220AC电磁噪声（骚扰）：任何可能引起设备或系统性能下降的电磁现象——强调任何可能的电磁危害现象原因。电磁干扰：电磁噪声（骚扰）所引起的设备、传输通路或系统性能的下降电磁危害现象——强调产生的结果。雷电等第四页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电磁干扰三要素三个要素：干扰源、耦合路径和敏感源干扰兼容临界第五页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第六页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

常见干扰源无线通信电磁干扰源：5个，各源的性质不同

耦合方法：5＋2或4+1＋（1＋1）雷电等自然干扰源脉冲电路

人为干扰感性负载通断直流电机、变频调速器（敏感源）第七页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电磁骚扰源的分类非功能性干扰源其他分类：根据电磁干扰的耦合途径、性质、方式、频谱宽度、频率范围等进行分类，如：电场干扰、磁场干扰和电磁场干扰；宽带干扰和窄带干扰，传导干扰，辐射干扰等等。第八页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电磁骚扰（源）的性质频谱宽度

—按照电磁骚扰能量的频率分布特性，可以确定其频谱宽度。连续波交流声骚扰的频谱宽度最窄，单价脉冲函数的频谱诺宽度最宽。

波形幅度或电平出现率辐射骚扰的极化特性辐射骚扰的方向特性天线的有效面积

—表征敏感设备接收骚扰场强能力的参数，等于传送到匹配负载的平均功率密度与入射到天线上的电磁波平均功率密度之比。天线有效面积越大，敏感设备接收电磁骚扰的能力就越强。电磁兼容处理问题的原则是留有一定量的裕度第九页，共七十八页，编辑于2023年，星期一电磁信息发射干扰其它电子设备被别有用心的人接收，获取信息功能性发射干扰特例第十页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

产生电磁干扰的条件

突然变化的电压或电流，即dV/dt

或dI/dt

很大频谱宽度大，辐射强/传导抑制（滤波等）困难。实际问题中，遇到电压、电流的突然变化，需要考虑潜在的电磁干扰问题

辐射天线或传导导体（载体）第十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

频谱分析EMC分析更多是在频域中进行，且不考虑相位因素

所有的电场兼容标准中对发射的限制范围都是在谱域中规定的电磁兼容技术措施与频率关系密切，例如滤波器的截止频率电磁兼容分析侧重于干扰在特定频率上的能量分布，时间和相位等关注很少第十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

频域分析

时域波形频谱分量付立叶级数(周期)付立叶变换(非周期)示波器观察频谱分析仪观察第十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期一一个正弦波在5次谐波和7次谐波的影响下怎样发生畸变。（相对于基波的24%和9%）。

7thharmonic5thharmonicfundamentalharmonicsdistortedwavefundamental

基波和谐波引起的失真波形

第十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期一谱密度频率很低时频率较低时高频时简化：不考虑相位，第十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

脉冲信号的频谱d

谐波幅度（电压）trV1/tr频率（对数）两个转折点

一个转折点第十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

信号的频谱

脉冲波形有较宽的频率带宽频率幅度在低频段较高，在低频段较低，下降的速度与脉冲边沿与陡度有关，越陡，下降越慢电磁兼容的角度，希望频谱带要窄，因为，高频时串扰和辐射强，第十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期一自然环境因素一般电磁环境构成因素人为环境因素①雷电电磁辐射源。②静电电磁辐射源。③太阳系和星际电磁辐射源。④地球和大气层电磁场等。①各种电磁发射系统：电视、广播发射台，无线电台、站，导航系统，通信系统，差转台，干扰台，微波接力站等。②工频电磁辐射系统：高电压送、变电系统，大电流工频设备，轻轨和干线电气化铁道等。③工业、科学、医疗、商业领域应用的有电磁辐射的各种设备或系统。④以电火花点燃内燃机为动力的交通工具和机器设备。⑤各种家用电器、现代化办公设备、电动工具等。⑥用于军事目的的强电磁脉冲源：核电磁脉冲及非核电磁脉冲源如电磁脉冲武器、高功率微波弹和各种电子对抗辐射源等第二十页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

地表面自然磁场的分布第二十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

地表面的自然电场地球表面如果没有电磁场，也会影响各种生物的成长，既所谓的“电磁饥饿”。

地球和导体（电离层）组成球形电容器模型

其间有漂移的自由电荷（离子），离子（密度）随着高度而变化（增加），

电场力线垂直于地球表面，并且使地表面带负电

第二十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

雷电放电

雷电放电的三个阶段：先导阶段，主放电阶段，余解放电阶段第二十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期一雷电日——在一年中，能听到一声（或以上）雷声的总天数第二十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

雷电流的特性雷电放电速度很快，雷电流的幅值很大，陡度很高，且其电流的大小与土壤电阻率、雷击点的散流电阻有关。直雷电的危害直击雷—雷直接击在建筑物和设备上而发生的机械效应和热效应。感应雷——雷电流产生的电磁效应和静电效应。高电位的引入——雷电流沿电气线路和管道引入建筑物的内部。第二十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

非功能性干扰第二十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第二十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

功能性干扰源第二十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期一寄生额率第二十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电磁骚扰的耦合途径传导耦合：在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁骚扰通过连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备。辐射耦合：电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能且按电磁场的规律向周围空间发射。传导耦合(+)辐射耦合例如

传输线的辐射/辐射源的传输线响应第三十页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第三十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第三十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第三十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第三十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第三十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第三十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第三十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第三十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电磁骚扰的耦合途径分类电磁干扰耦合模型

C：电容耦合

L：电感耦合

Z：共阻抗耦合

NC：近场耦合

FR：远场辐射第三十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电磁辐射的基本理论

环天线元偶极天线元缝隙天线

电磁辐射电磁散射（二次源，敏感体）基本天线结构

（等效为磁荷源）第四十页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

辐射系统的三个区域对电流辐射系统，有三个空间尺度考虑小区域内辐射：按波长和距离，分成三个区域：，近区，，各点相位一致，电磁场结构与静电、静磁场相同（似稳场）

，感应区，过渡区

，远区，辐射区源到场点距离r电流系统尺度l空间电磁波波长

总电磁场＝源所激发的电磁场＋

电磁场相互激发的电磁场

静态电磁场特点场量与r2成反比

电磁波特点场量只能与r

成反比第四十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电偶极子－电流元

电偶极子电磁场表达式电偶极电磁场表达式第四十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期一近区场/似稳场近场区（无推迟效应）场表达式坡印亭平均值

电磁场相位差

与电偶极子的静电场和恒定电流元的磁场的表达式相同。尽管电偶极源上的电流是时变的，时变电磁场之间相互激发的波动效应比起电荷和电流直接激发的静态场要小得多。电场与磁场始终保持90度相位差，其Poynting平均值恒为零，电场能在另半周期等值地转换为磁场能没有能量向外部输运。第四十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电偶极辐射(远区）场

同相位，辐射场，TME波

波阻抗方向性－非均匀球面波辐射电场线图第四十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期一磁偶极源场表达式磁偶极电流因为电流闭合，可用闭合电流的线圈线积分计算磁偶极源

场表达式第四十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

磁偶极辐射（远区）场磁场线分布图

同相位，辐射场，TME波

波阻抗方向性－非均匀球面波电偶极子磁偶极子对偶关系第四十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

磁偶极源的近区场

“稳态场”的结构，

无能量辐射，无推迟效应电场随频率增加而增加减小

第四十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期一波阻抗

一般定义远场近场同传播方向上，相互垂直电场和磁场之比电偶极源磁偶极源第四十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

远区场和近区场的波阻抗波阻抗电场为主E1/r3

H1/r2磁场为主H1/r3E1/r2远区E1/rH1/r（电偶极源）

（磁偶极源）到观察点的距离D第四十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

小型实际电路的辐射近区

远区导出：由电偶极子电场的远区表达式近似推导出由电偶极子电场的近区表达式近似推导出由磁偶极子电场的近区表达式近似推导出第五十页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

辐射场随频率的变化曲线

l增加（回路面积大）时，场强增大阻抗小（电流大），场强增大在远区，随频率增加，场强增大第五十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

偶极天线的演变和寄生天线辐射同偶极V单极天线+-V辐射高于单极-+-----+++++++传输线辐射很小--V机箱接地线PCBVG主板电缆子板笔记本PCB电缆没接地散热片

无意电压（＝感应电流＋阻抗）所致第五十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期一第五十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

导体的天线效应

叠加(求和/积分)可得到导线的辐射电磁场分布环（回）电路情况下，需设回电流（的相位）相同。第五十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

接收天线对发射天线的功率响应－接收（发射）天线的功率－接收（发射）天线在发射（接收）天线上的增益－两天线间距离，－发射天线所对应的波长第五十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

差模电流和共模电流

同相位（方向），幅值相差很小共模电流的来源有三种（后述）

共模电流不是电路的工作电流外界因素在电缆上产生的共模电流本身并不会对电路生产窜扰影响。外界产生内部产生

相位（方向）相反，幅值相同差模电流是电路的工作电流

差模电流的来源有三种

外界因素在电缆上产生的差模电流对电路生产串扰影响。

辐射效应？第五十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

场对线的共模和差模的耦合推导：

积分回路的面积（有效面积）增大，共模/差模的电压增大外电磁波场在传输线（电缆）上同时产生共模和差模电压共模积分回路的部分支路可以是由寄生电容组成

短线/似稳场的假设,长线/高频情况如何？第五十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

场对高频传输线的耦合当传输线长度降时，沿线的电流/电压是变化的.必须采用分布参数电路或电磁场理论。当电磁波照射到高频传轴线时，将引起沿线分布的许多无穷小的电压源分析方法：

1）取一小段dz，集中参数法求解电流与激励电压的关系

2）激励电压即为外场，积分可得到线上电流与外电场的积分关系

典型结果见后第五十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期一平行端线电场在终端上的电流

高频时，较明显，更重要的是，高频的感应电流也是‘高频’的因此，要采用高频的抑制方法。高频的电流具有辐射效应。第五十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期一平行传输线电场在终端上的电流

差别更明显第六十页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电容性耦合

(近电场相互作用)

频率越高,耦合越明显

在敏感电路(导体2)与地之间并联了一个骚扰电流源(并联一个电压源).

第六十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

近地导线间的电容性耦合间距增大，耦合干扰变小，高度增大，耦合干扰偏小，但不明显第六十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

利用金屑板接地抑制干扰接地金属屏蔽体接地金屑板切断干扰途径。如不接地则可能产生更严重的干扰。无论是静电场或交变电场，屏蔽的必要条件是金属体接地。第六十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电感性耦合

(近磁场耦合)第六十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电容性与电感性耦合之间的差异

对于电容性合，在敏感电路(导体2)与地之间并联了一个骚扰电流源(并联一个电压源).

对于电感性耦合，产生一个与敏感电路(导体2串联的骚扰电压

(感应电压)

如何鉴别电容性和电感性耦合干扰？第六十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电容耦合与电感耦合的综合考虑

电感耦合干扰电压是串联于受害电路上．面电容耦合干扰电压是并联于受害电路上.在靠近干扰源的近端和远端电容耦合的电流方向相同，而电感耦台的电流方向相反。作业!第六十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

电路性耦合电路1中的骚扰通过阻抗耦合到电路2中，形成干扰第六十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期一

频域分析

时域波形频谱分量付立叶级数(周期)付立叶变换(非周期)示波器观察频谱分析仪观察第六十八页，共七十八页，编辑于202