《工程电磁兼容》课件-第3章

第3章电磁骚扰的耦合与传输理论3.1电磁骚扰的耦合途径3.2传导耦合的基本原理3.3电磁辐射的基本理论3.4近区场的阻抗3.5辐射耦合习题

3.1电磁骚扰的耦合途径

一般而言,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,即耦合途径,有两种方式:一种是传导耦合方式;另一种是辐射耦合方式。

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。

辐射耦合是指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:

(1)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。

(2)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。

(3)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－5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。有些资料认为: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)”等可见性连接。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,如图3－1(a)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”,如图3－1(b)所示。还有些资料认为:传导耦合的传输电路是由“金属导线或集总元件构成的”,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,如图3－1(c)所示。图3－1电磁骚扰耦合途径分类

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电路性耦合、电容性耦合、电感性耦合三种基本方式。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。图3－2电路性耦合的一般形式

图中Z1、U1及Z12组成电路1,Z2、Z12组成电路2,Z12为电路1与电路2的公共阻抗。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,则该电路为共电阻耦合,简称电阻性耦合。

2.电路性耦合的实例

1)直接传导耦合

由式(3－1)可知,若Z12=∞,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)共阻抗耦合

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。形成共阻抗耦合骚扰的有电源输出阻抗(包括电源内阻、电源与电路间连接的公共导线)、接地线的公共阻抗等。图3－3为地电流流经公共地线阻抗的耦合。图中地线电流1和地线电流2流经地线阻抗,电路1的地电位被电路2流经公共地线阻抗的骚扰电流所调制。因此,一些骚扰信号将由电路2经公共地线阻抗耦合至电路1。消除的方法是将地线尽量缩短并加粗,以降低公共地线阻抗。图3－3地电流流经公共地线阻抗的耦合

图3－4为地线阻抗形成的耦合骚扰。在设备的公共地线上存在各种信号电路的电流,并由地线阻抗变换成电压。当这部分电压构成低电平信号放大器输入电路的一部分时,公共地线上的耦合电压就被放大并成为干扰输出。采用一点接地就可以防止这种耦合干扰。图3－4地线阻抗形式的骚扰电压

3)电源内阻及公共线路阻抗形成的耦合

图3－5中电路2的电源电流的任何变化都会影响电路1的电源电压,这是由两个公共阻抗造成的:电源引线是一个公共阻抗,电源内阻也是一个公共阻抗。将电路2的电源引线靠近电源输出端可以降低电源引线的公共阻抗耦合。采用稳压电源可以降低电源内阻,从而降低电源内阻的耦合。图3－5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(thecapacitivecoupling)也称为电耦合,它是由两电路间的电场相互作用所引起。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。图3－6电容性耦合模型

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。根据图3－6(b)的等效电路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:

当耦合电容比较小时,即ωCR2≪1时,式(3－2)可以简化为

式(3－3)表示,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和骚扰源电压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In=jωCU1的电流源。

下面我们继续分析另一个电容性耦合模型,这一模型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,它出自于连接到导体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

作为骚扰源的导体1的骚扰源电压为U1;受害电路为电路2。任何直接跨接在骚扰两端的电容,比如图37中的C12能够被忽略,因为它不影响在导体2与地之间耦合的骚扰电压Un。根据图3－7(b)的等效电路,导体2与地之间耦合的骚扰电压Un能够表示如下:

如果R为低阻抗,且满足

那么,式(3－4)可简化为

式(3－5)表示,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In=jωC12U1

的电流源。

如果R为高阻抗,且满足

那么,式(3－4)可简化为

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。

图3－8给出了电容性耦合骚扰电压Un与的频率响应。它是式(3－4)的骚扰电压Un与频率的关系曲线图。正如前面已经分析的那样,式(3－6)给出了最大的骚扰电压Un与。图3－8也说明实际的骚扰电压Un与总是小于或等于式(3－6)给出的骚扰电压Un与。若频率满足如下关系

则公式(3－5)就给出了是实际骚扰电压Un

(式(3－4)的值)的2倍的骚扰电压Un

值。在几乎所有的实际情况中,频率总是小于式(3－7)表示的频率,式(3－6)表示的骚扰电压Un

总是适合的。图3－8电容性耦合骚扰电压与频率的关系

2.屏蔽体对电容性耦合的作用

在前面分析电容性耦合的基础上,现在进一步考虑导体2有一管状屏蔽体时的电容性耦合,如图3－9所示。其中C12表示导体2延伸到屏蔽体外的那一部分与导体1之间的电容,C2G表示导体2延伸到屏蔽体外的那一部分与地之间的电容。C1S表示导体1与导体2的屏蔽体之间的电容,C2S表示导体2与其屏蔽体之间的电容,CSG表示导体2的屏蔽体与地之间的电容。图3－9导体2具有屏蔽体时两导线间电容性耦合模型

最后我们考虑导体2的对地电阻为有限值的情况。比较图3－7(b)和图3－9(c),根据图3－9(c)的简化等效电路知,导体2上耦合的骚扰电压为

当

时,式(3－11)可简化为

式(3－12)和式(3－5)的形式完全一样,但是由于导体2此时被屏蔽体屏蔽,C12的值取决于导体2延伸到屏蔽体外的那一部分的长度,因此C12大大减小,从而降低了Un。

3.2.3电感性耦合

1.电感性耦合模型

电感性耦合(inductivecoupling)也称为磁耦合,它是由两电路间的磁场相互作用所引起的。当电流I在闭合电路中流动时,该电流就会产生与其大小成正比的磁通量Φ。比例常数称为电感L,因此我们能够写出

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。图3－10感应电压取决于骚扰电路围成的面积S

因为BScosθ表示耦合到敏感电路的总磁通量,所以能够把式(3－14)和式(3－16)结合起来,用两电路之间的互感表示感应电压:

或者感应电压瞬时值

表达式(3－16)和式(3－17)是描述两电路之间电感性耦合的基本方程。图3－11表示由式(3－17)描述的两电路之间的电感性耦合。I1是干扰电路中的电流,M是两电路之间的互感。式(3－16)和式(3－17)中出现的角频率为ω(弧度/秒)表明耦合与频率成正比。为了减小骚扰电压,必须减小B、S、cosθ。采用两电路的物理分隔或者双绞线(假定电流在双绞线中流动且没有流过接地面),可以减小B;把导体靠近接地面放置(如果回路电流通过接地面),或者采用两个捻在一起的导体(如果回路电流是在两导体之一,而不在接地面中流动),可以减小敏感电路的面积S;调整骚扰源电路与敏感电路的取向,可以减小cosθ。图3－11两电路之间的电感性耦合

根据图3－11可知,电路1中的干扰电流I1在电路2的负载电阻R和R2上产生的骚扰电压分别为

注意电容性耦合与电感性耦合之间的差异也许有益。对于电容性耦合,在敏感电路(导体2)与地之间并联了一个骚扰电流源,如图3－12(a)所示;对于电感性耦合,产生了一个与敏感电路(导体2)串联的骚扰电压(感应电压),如图3－12(b)所示。实际工作中,可以采用下述方法来鉴别电容性耦合和电感性耦合。当减小电缆(导体2)一端的阻抗时,可测量跨接于电缆另一端的阻抗上的骚扰电压。如果所测的骚扰电压减小,则为电容性耦合;如果所测的骚扰电压增加,则为电感性耦合。图3－12电容性与电感性耦合的骚扰等效电路

2.屏蔽体对电感性耦合的作用

如果现在在导体2周围放置一没有接地的非磁性屏蔽体,那么电路就成为图3－13所示的耦合电路。图中M1S是导体1与屏蔽体之间的互感。由于屏蔽体对电路1与电路2之间的媒质磁特性和几何结构没有影响,故屏蔽体对进入导体2的感应电压没有影响。然而,屏蔽体确实拾取了导体1中的电流所感应的电压US:图3－13导体2带有屏蔽体的电感性耦合

但是,如果非磁性屏蔽体两端接地,那么由于M1S所引起的进入屏蔽体的感应电压将使屏蔽体电流(shieldcurrent)流动。屏蔽体电流将感应第二个骚扰电压进入导体2,必须考虑这一感应电压。在计算这一电压之前,必须确定屏蔽体与其中心导体之间存在的耦合。为此需要计算空心导体管与放置在该导体管内部的任何导体之间的磁性耦合。这一概念是讨论磁屏蔽的基础。

下面通过一个典型的例子来说明屏蔽体与其内导体之间的磁性耦合(magneticcoupling)。

首先考虑携带均匀轴向电流的管状导体产生的磁场。如果管状导体内的空腔和管状导体的外部同心,那么这一空腔中就不存在磁场,全部磁场在管状导体外部。现在让我们将一导体放置在管状导体内部形成同轴线,这样作为屏蔽体的管状导体上的电流IS所产生的全部磁通量Φ将环绕内导体,屏蔽体的电感为

屏蔽体与内导体之间的互感为

因为屏蔽体电流所产生的全部磁通量环绕中心导体,所以式(3－19)和式(3－20)中的磁通量是相同的。因此,屏蔽体与中心导体之间的互感等于屏蔽体自身的电感,即

式(3－21)是一个非常重要的结论,我们经常会参考它。根据互感的互易性可知,内导体与屏蔽体间的互感也等于屏蔽体的自感。式(3－21)的合理性只取决于事实:在管状屏蔽体内部不存在屏蔽体电流产生的磁场。这就要求管状屏蔽体是圆柱形的且电流密度沿管状屏蔽体的周长均匀分布。但是并不要求屏蔽体与其内导体同轴。

现在计算屏蔽体中的电流IS所产生的感应进入中心导体的电压Un。假定出自其他电路的感应进入屏蔽体的电压为US,如图3－14所示。图中LS和RS是屏蔽体自身的电感和电阻。图3－14屏蔽导体的等效电路

中心导体上的感应电压为

由图3－14可见,感应进入中心导体的骚扰电压在直流时是零,在频率为5RS/LSrad/s时增加到几乎US。因此,如果允许屏蔽体电流流动,则感应进入中心导体的骚扰电压的频率在大于5倍的屏蔽体截止频率时,骚扰电压值几乎等于屏蔽体电压US。这是屏蔽体内部导体的一个非常重要的特性。对于大多数电缆,5倍的屏蔽体截止频率几乎是音频波段的高端。与其他电缆比较,铝薄膜屏蔽电缆具有更高的屏蔽体截止频率,约为7kHz。

下面讨论导体2周围放置两端接地的非磁性屏蔽体时的磁性耦合。由于屏蔽体两端接地,屏蔽体电流流动且产生一个骚扰电压进入导体2,因此,感应进入导体2的骚扰电压有两部分:导体1的直接感应骚扰电压U2和感应的屏蔽体电流产生的骚扰电压Uc。注意这两个感应电压具有相反的极性。因此,感应进入导体2的骚扰电压可以表示为

如果我们使用式(3－21),且注意到导体1与屏蔽体间的互感M1S等于导体1与导体2间的互感M12(相对于导体1,屏蔽体和导体2放置于空间的相同位置),式(3－27)变成为

如果式(3－28)中角频率比较小,以至于括号中的项等于1,那么骚扰电压和非屏蔽电缆的骚扰电压相同。如果角频率较大,那么式(3－28)可以简化为

因此,在低频屏蔽电缆中的骚扰电压与非屏蔽电缆中的骚扰电压相同;然而,在大于5倍的屏蔽体截止频率时,屏蔽电缆中的骚扰电压停止增加并且保持常数。

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)传导耦合传输到接收器。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(theshortoscillatingelectricdipole,短线天线)和表示在图3－16中的半径为a的磁基本振子(thesmallloopantenna,小圆环天线)。“短”和“小”是相对于其辐射的电磁波的波长λ而言的,即l≪λ,a≪λ。基本振子也称为偶极子。图3－15电基本振子图3－16磁基本振子

3.3.1电磁辐射的物理概念

人们已经知道,随时间变化的电磁扰动是以有限速度传播的,这称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。也就是说,某一时间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。

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。而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,而这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,短是指其长度l远小于所辐射的电磁波的工作波长λ(l≪λ),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做常数,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a(a≪λ)的细导线小圆环,载有高频时谐电流i=Imcos(ωt+ϕ),其复振幅为I=Imejϕ

,如图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。现在采用与求解电偶极子场相类似的方法来求解磁偶极子的电磁场。

由以上诸式可见,磁基本阵子的电场强度矢量与磁场强度矢量互相垂直,这一点和电基本振子的电磁场相同;但是,E在与赤道面平行的平面内,而H则在子午面内,这与电基本振子的电磁场取向正好相反。

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kr≫1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kr≪1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:kr≫1的远区,kr≪1的近区和kr≈1的中间区。远区场和近区场比较简单,也比较重要,下面分别予以讨论。

1.远区场———辐射场

当kr≫1或r≫λ/2π时,场点P与源点的距离r远大于波长λ,与这些点相应的区域称为远区。远区中

从式(3－41)中可得出电基本振子的远区场有以下特点:

(1)场矢量的方向。电场只有Eθ分量,磁场只有Hϕ分量,其复坡印廷矢量为

可见,E、H互相垂直,并都与传播方向ar相垂直。因此电基本振子的远区场是横电磁波(TEM波)。

(2)场的相位。无论Eθ还是Hϕ,其空间相位因子中都有e-jkr,即其空间相位随离源点的距离r的增大而滞后,等相位面是以r为常数的球面,所以远区辐射场是球面波。由于等相位面上不同点的E、H振幅并非一定相同,所以又是非均匀球面波。Eθ/Hϕ=η是一常数,等于媒质的波阻抗。

(3)场的振幅。远区场的振幅与r成反比,与I、l/λ成正比。值得注意的是,场的振幅与电长度l/λ有关,而不是仅与几何尺寸l有关。

(4)场的方向性。远区场的振幅还正比于sinθ,在垂直于天线轴的方向(θ=90°)上,辐射场振幅最大;沿着天线轴的方向(θ=0°),辐射场振幅为零。这说明电基本振子的辐射具有方向性。这种方向性也是天线的一个主要特性。

同样的,在远区(kr≫1),只保留E、H表达式中含1/(kr)的项,可由式(3－39)和式(3－40)得到磁基本振子的远区辐射场

由式(3－42)可以看出,磁基本阵子的远区辐射场具有以下特点:

(1)磁基本阵子的辐射场也是TEM非均匀球面波。

(2)Eϕ/(-Hθ)=η。

(3)电磁场与1/r成正比。

(4)与电基本振子的远区场比较,只是E、H的取向互换,远区场的性质相同。

2.近区场———感应场

当kr≪1或r≪λ/(2π)时,场点P与源点的距离r远小于波长λ,与这些点相应的区域称为近区。近区中

故在式(3－34)和式(3－35)中,起主要作用的是1/(kr)的高次幂项,因而可只保留这一高次幂项而忽略其他项,则有

式中,p=Ql是电偶极矩的复振幅。因为已经把载流短导线看成一个振荡电偶极子,所以其上下两端的电荷与电流的关系是I=jωQ。

从以上结果可以看出,近区中,电基本振子(时变电偶极子)的电场复振幅与静态场的“静”电偶极子的电场表达式相同;磁场表达式则与静磁场中用毕奥—沙伐定律计算的长为l、载电流为I的一段线电流产生的磁场的表达式相同。因此电基本振子的近区场与静态场有相同的性质,因此称为似稳场(准静态场)。

此外,近区中电场与磁场有π/2的相位差,因此平均坡印廷矢量为零。也就是说,电基本振子的近区场没有电磁能量向外辐射,电磁能量被束缚在电基本振子附近,故近区场又称为束缚场或感应场。应该指出的是,这些结论是在满足kr≪1的条件下忽略了等低次幂项后得出的,是一个近似的结果。

实际上,正是那些被忽略了的低次幂项形成了远区场中的电磁波。

同样的,磁基本振子的近区场可以表示为

3.3.4近区与远区之间的转换区

上面按距离场源的远近来区分近区和远区,现在定量地说明工程上如何划分这两个区域。为此将包含在式(3－35b)中的三项1/(kr),1/(kr)2,1/(kr)3随距场源的距离kr的变化规律表示在图3－17中。图3－17电基本振子产生的辐射场的一般表示式中各项对电场大小的贡献

3.3.5高阻抗场和低阻抗场

除了近区和远区的特性不同外,电基本振子和磁基本振子的近区特性也是完全不同的。从麦克斯韦方程可知,交变电场的源除随时间变化的电荷外,沿线流动的交变电流产生的交变磁场也是电场的源。同样,交变磁场的源除电流外,随时间变化的电场也是磁场的源。因此,在基本振子周围的电场和磁场是由两种不同的机理产生的。

在电基本振子中,电流为

因为在电基本振子两端电流不连续,所以两端聚集有电荷,设分别为±Q。电荷是电流对时间的积分,所以

由于在电基本振子中电流不能形成回路,从物理概念上可以想象在其上难于形成大电流,因此从式(3－43)可以看出,在电基本振子的近区中,磁场相对于电场而言是很弱的,近区中主要的场将是电偶极矩pm=Qml产生的电场,即近区中电场与磁场的比值|E|/|H|(具有阻抗的量纲)大,这种近区场称为高阻抗场。

在磁基本振子中,因为电流有回路,容易形成较大的电流,但是在回路上电流处处连续,很难形成正负电荷的聚集,所以在磁基本振子的近区场中,磁场比电场占优势,|E|/|H|小,这种场称为低阻抗场。

引入高阻抗场和低阻抗场的概念,并弄清楚它们之间的区别,对研究屏蔽问题有益。

3.4近区场的阻抗

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ZW=|ZW|ejϕ。在3.3.3节中已经求出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得多,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。

3.4.1电基本振子近区场的波阻抗

电基本振子的波阻抗定义为

将Eθ和Hϕ的表示式(3－35b)和式(3－34c)代入上式,化简后求得:

所以波阻抗ZEW的模为

3.4.2磁基本振子近区场的波阻抗

在自由空间,磁基本振子的近区场波阻抗还可以简化如下:

因为

所以

现在将式(3－46)和式(3－52)表示的波阻抗对远区波阻抗归一化,即|ZEW|/ZW、|ZHW|/ZW。然后绘制归一化波阻抗与距离kr的关系图,如图3－18所示。从图中可以看出,在远区,电、磁基本振子的波阻抗均趋于媒质的波阻抗ZW。在近区,电基本振子的波阻抗ZEW大于媒质的波阻抗ZW,它产生的近区场中的电场占优势,因此在电磁兼容工程中,简单地称电基本振子的骚扰源模型为电场骚扰源;磁基本振子的波阻抗ZHW小于媒质的波阻抗ZW,它产生的近区场中的磁场占优势,因此电磁兼容性工程中简单地将其称为磁场骚扰源。

在近区场(thenearfield)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(近区场波阻抗小于媒质波阻抗)的特性,那么近区场中占优势的场是磁场。相反地,如果源具有低电流、高电压(近区场波阻抗大于媒质波阻抗)的特性,那么近区场中占优势的场是电场。

在近区场中,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,在远区场(thefarfield)中,电场和磁场结合起来形成了平面电磁波(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、磁场处于远区场;当分开讨论电场、磁场时,就认为电场、磁场处于近区场。

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收器(骚扰对象)的,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区场耦合模式,而相距较远的系统间的耦合一般是远区场耦合模式。辐射耦合除了从骚扰源有意辐射之外,还有无意辐射。

3.5.1导体的天线效应

众所周知,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。金属导体在辐射电磁场中产生的感应电动势正比于电场强度E(单位为V/m)。对中波无线电广播所发射的垂直极化波,此比例常数称为天线的有效高度he(单位为m),则其感应电压Ur为

虽然在3.3节中已经导出了电基本振子(电流源,短线天线)和磁基本振子(磁流元,小圆环天线,小电流环)产生的电磁场的表达式,但是这些表达式的限定条件(场源的尺寸足够小(l≪λ,a≪λ),场源上的高频电流均匀一致)与实际情况往往不符。例如要求一根长为l的导线上的电流均匀一致是不切实际的,因为导线的末端电流必须为零。在这种情况下,可以把导线分成若干小段,使每一小段中的电流近似均匀一致,长度Δli≪λ。如图3－19所示,长为l的导线的辐射场中P点的场强就等于每一小段直线Δli在该点产生的场强的叠加(要考虑每一小段对应的角度变