第8章+無(wú)線信道、+電磁干擾與電磁兼容.ppt

第8章無(wú)線信道 電磁干擾與電磁兼容 8 1電磁波譜8 2無(wú)線信道特性8 3無(wú)線電視距中繼8 4短波電離層反射信道8 5地表面波傳播8 6不均勻媒質(zhì)散射信道8 7電磁干擾的特性8 8電磁兼容習(xí)題 8 1電磁波譜 8 1電磁波譜 按頻率高低排列的電磁波稱為電磁波譜 它可分為無(wú)線電波 紅外線 可見光 紫外線 X射線和 射線等 電磁波譜的劃分及各頻段的應(yīng)用領(lǐng)域如表8 1所示 表8 1電磁波譜的劃分 電離層反射信道通常只用于短波波段 當(dāng)頻率高于40MHz時(shí) 由于其波長(zhǎng)只有幾米或更短 因此可以通過(guò)把高增益的天線 陣 安裝在較高的塔上來(lái)實(shí)現(xiàn)通信 在這種情況下 是采用視距傳播方式進(jìn)行通信的 如電視廣播 電話業(yè)務(wù)的微波視距線路等 無(wú)線電波的劃分及各頻段的主要應(yīng)用如表8 2所示 表8 2無(wú)線電波頻段的劃分及主要應(yīng)用 8 2無(wú)線信道特性 8 2 1無(wú)線電波在自由空間信道的傳播將收 發(fā)天線置于自由空間中 假設(shè)發(fā)射天線的增益為Gt 資用功率為Pin 接收天線的增益系數(shù)為Gr 并假設(shè)饋線與天線良好匹配 且兩天線的最大輻射方向相對(duì) 極化最佳匹配 如圖8 1所示 則根據(jù)公式 7 4 24 在距離發(fā)射天線r處的接收天線所接收的功率為 8 2 1 圖8 1發(fā)射和接收示意圖 將輸入功率與接收功率之比定義為自由空間信道的基本傳輸損耗 8 2 2 將上式取對(duì)數(shù)得 32 45 20lgf MHz 20lgr km Gt dB Gr dB 8 2 3 例8 1 某衛(wèi)星通信信道 發(fā)射天線的增益為22dB 接收天線的增益為18dB 收發(fā)距離為14500km 載波中心頻率為5 904GHz 1 該信道的基本傳輸損耗為多少 2 若發(fā)射機(jī)發(fā)射功率為25W 輸入到接收機(jī)的功率為多少 8 2 2無(wú)線信道特性反映無(wú)線信道特性的有信道損耗 衰落 失真及容許帶寬等 1 信道損耗電波在實(shí)際的信道中傳播時(shí)除傳輸損耗外還有能量的損耗 這種能量損耗可能是由于大氣對(duì)電波的吸收或散射引起的 也可能是由于電波繞過(guò)球形地面或障礙物時(shí)而引起的 在傳播距離 工作頻率 發(fā)射天線 輸入功率和接收天線都相同的情況下 設(shè)接收點(diǎn)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)為E 功率為P r 而自由空間的場(chǎng)強(qiáng)為E0 功率為Pr 定義信道的衰減因子A 8 2 4 因此 信道損耗 ChannelLoss Lb為 8 2 5 若不考慮天線的影響 即令Gt Gr 1 則實(shí)際的信道損耗為L(zhǎng)b 32 45 20lgf MHz 20lgr km A dB 8 2 6 式中 前三項(xiàng)為自由空間損耗Lbf A為實(shí)際信道的損耗 不同的傳播方式 傳播媒質(zhì) 信道的傳輸損耗是不同的 2 衰落現(xiàn)象衰落 ading 一般是指信號(hào)電平隨時(shí)間的隨機(jī)起伏 根據(jù)引起衰落的原因分類 大致可分為吸收型衰落和干涉型衰落 吸收型衰落 主要是由于傳輸信道電參數(shù)的變化 使得信號(hào)在信道中的衰減發(fā)生相應(yīng)的變化而引起的 如大氣中的氧 水汽以及由后者凝聚而成的云 霧 雨雪等都對(duì)電波有吸收作用 由于氣象的隨機(jī)性 這種吸收的強(qiáng)弱也有起伏 因此形成信號(hào)的衰落 由這種機(jī)理引起的信號(hào)電平的變化較慢 所以稱為慢衰落 SlowFading 如圖8 2 a 所示 它通常是指信號(hào)電平的中值 五分鐘中值 小時(shí)中值 月中值等 在較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)的起伏變化 圖8 2信號(hào)的衰落 a 慢衰落 b 快衰落 干涉型衰落 主要是由隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的 在某些傳輸方式中 由于收 發(fā)兩點(diǎn)間存在若干條傳播路徑 典型的如短波電離層反射信道 不均勻媒質(zhì)散射信道等 且在這些傳播方式中 傳輸媒質(zhì)具有隨機(jī)性 因此使到達(dá)接收點(diǎn)的各路徑信號(hào)的時(shí)延隨機(jī)變化 致使合成信號(hào)幅度和相位都發(fā)生隨機(jī)起伏 這種起伏的周期很短 信號(hào)電平變化很快 故稱為快衰落 FastFading 如圖8 2 b 所示 快衰落疊加在慢衰落之上 在較短的時(shí)間內(nèi)觀察時(shí) 前者表現(xiàn)明顯 后者不易被察覺(jué) 3 失真與容許帶寬無(wú)線電波通過(guò)信道除產(chǎn)生傳輸損耗外 還會(huì)產(chǎn)生失真 Distortion 包括振幅失真和相位失真 產(chǎn)生失真的原因有兩個(gè) 一是信道的色散效應(yīng) 二是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng) 色散效應(yīng)是由于不同頻率的無(wú)線電波在信道中的傳播速度有差別而引起的信號(hào)失真 載有信號(hào)的無(wú)線電波都占據(jù)一定的頻帶 當(dāng)電波通過(guò)信道傳播到達(dá)接收點(diǎn)時(shí) 由于各頻率成分傳播速度不同 因而不能保持原來(lái)信號(hào)中的相位關(guān)系 引起波形失真 至于色散效應(yīng)引起信號(hào)畸變的程度 則要結(jié)合具體信道的傳輸情況而定 多徑傳輸也會(huì)引起信號(hào)畸變 這是因?yàn)闊o(wú)線電波在傳播時(shí)通過(guò)兩個(gè)以上不同長(zhǎng)度的路徑到達(dá)接收點(diǎn) 如圖8 3 a 所示 接收天線檢拾的信號(hào)是幾個(gè)不同路徑傳來(lái)的電場(chǎng)強(qiáng)度之和 圖8 3多徑傳輸效應(yīng) 設(shè)接收點(diǎn)的場(chǎng)是兩條路徑傳來(lái)的相位差為 的兩個(gè)電場(chǎng)的矢量和 最大的傳輸時(shí)延與最小的傳輸時(shí)延的差值定義為多徑時(shí)延 對(duì)所傳輸信號(hào)中的每個(gè)頻率成分 相同的 值卻引起了不同的相差 例如對(duì)f1 若 1 1 則因二矢量反相抵消 此分量的合成場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)最小值 而對(duì)f2 若 2 2 2 則因二矢量同相相加 此分量的合成場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn) 最大值 如圖8 3 b 所示 其余各成分依次類推 顯然 若信號(hào)帶寬過(guò)大 就會(huì)引起 較明顯的失真 所以 一般情況下 信號(hào)帶寬不能超過(guò)1 稱為容許帶寬 AllowableBandwidth 即 8 2 7 4 電波傳播方向的變化當(dāng)電波在無(wú)限大均勻 線性信道內(nèi)傳播時(shí) 射線是沿直線傳播的 然而電波傳播實(shí)際所經(jīng)歷的空間場(chǎng)所是復(fù)雜多樣的 不同媒質(zhì)分界處將使電波折射 反射 媒質(zhì)中的不均勻體 如對(duì)流層中的湍流團(tuán)將使電波產(chǎn)生散射 球形地面和障礙物將使電波產(chǎn)生繞射 特別是某些傳輸信道的時(shí)變性 使射線軌跡隨機(jī)變化 從而 到達(dá)接收天線處的射線入射角隨機(jī)起伏 使接收信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的衰落 8 3無(wú)線電視距中繼 8 3 1視線距離設(shè)發(fā)射天線高度為h1 接收天線高度為h2 圖8 4 由于地球曲率的影響 當(dāng)兩天線間距離r rv時(shí) 兩天線互相 看得見 反之 當(dāng)r rv時(shí) 兩天線互相 看不見 距離rv為收 發(fā)天線高度分別為h2和h1時(shí)相互能看見的距離 簡(jiǎn)稱視距 圖8 4中 AB與地球表面相切 a為地球半徑 由圖可得到以下關(guān)系式 圖8 4視線距離 將地球半徑a 6370 103m代入上式 即有 8 3 1 8 3 2 式中h1和h2的單位都是m 圖8 5大氣層對(duì)電波的折射 當(dāng)考慮大氣的不均勻性對(duì)電波傳播軌跡的影響時(shí) 視距公式應(yīng)修正為 8 3 3 8 3 2大氣對(duì)電波的衰減大氣對(duì)電波的衰減主要來(lái)自兩個(gè)方面 一是云 霧 雨等小水滴對(duì)電波的熱吸收及水分子 氧分子對(duì)電波的諧振吸收 熱吸收與小水滴的濃度有關(guān) 諧振吸收與工作波長(zhǎng)有關(guān) 二是云 霧 雨等小水滴對(duì)電波的散射 散射衰減與小水滴半徑的6次方成正比 與波長(zhǎng)的4次方成反比 當(dāng)工作波長(zhǎng)短于5cm時(shí) 就應(yīng)該計(jì)及大氣層對(duì)電波的衰減 尤其當(dāng)工作波長(zhǎng)短于3cm時(shí) 大氣層對(duì)電波的衰減將趨于嚴(yán)重 就云 霧 雨 雪對(duì)微波傳播的影響來(lái)說(shuō) 其中降雨引起的衰減是最為嚴(yán)重的 對(duì)10GHz以上的頻率 由降雨引起的電波衰減在一年中相當(dāng)多的時(shí)間內(nèi)是可觀的 因此在地面和衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì)中需要考慮由降雨引起的衰減 8 3 3場(chǎng)分析在視距信道中 除了自發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的直射波外 還存在從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達(dá)接收天線的反射波 如圖8 6所示 因此接收天線處的場(chǎng)是直射波與反射波的疊加 圖8 6直射波與反射波 設(shè)h1為發(fā)射天線高度 h2為接收天線高度 d為收 發(fā)天線間距 E為接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng) E 1為直射波 E 2為反射波 接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為 E E 1 E 2 8 3 4 其中 8 3 5 通常兩天線間距離d h1 h2 則有 8 3 6 式中 F稱為路徑因子 PathFactor F 1 R e j k r r 8 3 7 而 8 3 8 將其代入式 8 3 7 得 8 3 9 當(dāng)?shù)孛骐妼?dǎo)率為有限值時(shí) 若射線仰角很小 則有 RH RV 1 8 3 10 式中 RH為水平極化波的反射系數(shù) RV為垂直極化波的反射系數(shù) 對(duì)于視距通信信道來(lái)說(shuō) 電波的射線仰角是很小的 通常小于1 此時(shí)路徑因子為 8 3 11 當(dāng)收 發(fā)射天線的高度均為40 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨收 發(fā)天線間距的變化曲線如圖8 7所示 當(dāng)收 發(fā)天線的間距為4km時(shí) 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨收 發(fā)天線架設(shè)高度的關(guān)系如圖8 8所示 由圖可見 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨收 發(fā)天線的間距d和天線的架設(shè)高度作起伏變化 這是直射波與反射波相干涉的結(jié)果 圖8 7接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與收 發(fā)天線間距的關(guān)系 圖8 8接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與收 發(fā)天線架設(shè)高度的關(guān)系 8 4短波電離層反射信道 8 4 1電離層概況電離層 Ionosphere 是地球高空大氣層的一部分 從離地面60km的高度一直延伸到1000km的高空 由于電離層電子密度非均勻分布 因此 按電子密度隨高度的變化 相應(yīng)地分為D E F1 F2四層 每一個(gè)層都有一個(gè)電子濃度的最大值 如圖8 9所示 圖8 9電離層電子濃度的高度分布 8 4 2無(wú)線電波在電離層信道中的傳播仿照電波在視距信道中的討論方法 將電離層信道分成許多薄片層 每一薄片層的電子密度是均勻的 但彼此是不等的 自由電子密度為Ne的各向同性均勻信道的相對(duì)介電常數(shù)為 8 4 1 折射率為 8 4 2 其中f為電波的頻率 當(dāng)電波入射到空氣 電離層界面時(shí) 由于電離層折射率小于空氣折射率 折射角大于入射角 射線要向下偏折 當(dāng)電波進(jìn)入電離層后 由于電子密度隨高度的增加而逐漸減小 因此各薄片層的折射率依次變小 電波將連續(xù)下折 直至到達(dá)某一高度處電波開始折回地面 可見 電離層對(duì)電波的 反射 實(shí)質(zhì)上是電波在電離層中連續(xù)折射的結(jié)果 參看圖8 10 在各薄片層間的界面上連續(xù)應(yīng)用折射定律可得 n0sin 0 n1sin 1 nisin i 8 4 3 式中 n0為空氣折射率 n0 1 0為電波進(jìn)入電離層時(shí)的入射角 圖8 10電離層對(duì)電波的連續(xù)折射 設(shè)電波在第i層處到達(dá)最高點(diǎn) 然后即開始折回地面 則將 i 90 代入上式得 8 4 4 或 8 4 5 1 最高可用頻率由式 8 4 5 可求得當(dāng)電波以 0角度入射時(shí) 電離層能把電波信號(hào) 反射 回來(lái)的最高可用頻率為 8 4 6 式中 Nmax為電離層的最大電子密度 圖8 11 0一定 頻率不同時(shí)的射線 2 天波靜區(qū)由式 8 4 4 可得電離層能把頻率為f的電波 反射 回來(lái)的最小入射角 0min為 8 4 7 圖8 12頻率一定 通信距離與入射角的關(guān)系 3 多徑效應(yīng)由于天線射向電離層的是一束電波射線 各根射線的入射角稍有不同 它們將在不同的高度上被 反射 回來(lái) 因而有多條路徑到達(dá)接收點(diǎn) 見圖8 13 這種現(xiàn)象稱為多徑傳輸 圖8 13多徑效應(yīng) 4 最佳工作頻率fopt電離層中自由電子的運(yùn)動(dòng)將耗散電波的能量 使電波發(fā)生衰減 但電離層對(duì)電波的吸收主要是D層和E層 因此為了減小電離層對(duì)電波的吸收 天波傳播應(yīng)盡可能采用較高的工作頻率 然而當(dāng)工作頻率過(guò)高時(shí) 電波需到達(dá)電子密度很大的地方才能被 反射 回來(lái) 這就大大增長(zhǎng)了電波在電離層中的傳播距離 隨之也增大了電離層對(duì)電波的衰減 為此 通常取最佳工作頻率fopt為 fopt 0 85fmax 8 4 8 還需要注意的是 電離層的D層對(duì)電波的吸收是很嚴(yán)重的 晚上 D層消失 致使天波信號(hào)增強(qiáng) 這正是晚上能接收到更多短波電臺(tái)的原因 總之 電離層反射信道具有以下特點(diǎn) 1 傳輸信號(hào)的頻率是個(gè)很重要的問(wèn)題 頻率太高 電波穿透電離層射向太空 頻率太低 電離層吸收太大 以致不能保證必需的信噪比 因此信號(hào)頻率必須選擇在最佳頻率附近 2 電離層反射信道隨機(jī)多徑效應(yīng)嚴(yán)重 多徑時(shí)延較大 信道帶寬較窄 3 不太穩(wěn)定 衰落嚴(yán)重 在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須考慮衰落影響 使電路設(shè)計(jì)留有足夠的電平余量 4 電離層所能反射的頻率范圍是有限的 即帶寬有限 一般是短波范圍 5 由于高空電離層信道不易受到人為的破壞 在軍事通信上有重要意義 6 短波電離層反射信道 是遠(yuǎn)距離通信的重要信道之一 8 5地表面波傳播 設(shè)有一直立天線架設(shè)于地面之上 其輻射的垂直極化波沿地面?zhèn)鞑?若大地是理想導(dǎo)體 則接收天線接收到的仍是垂直極化波 如圖8 14 實(shí)際上 大地并非理想導(dǎo)電信道 垂直極化波的電場(chǎng)沿地面?zhèn)鞑r(shí) 就在地面感應(yīng)出與其一起移動(dòng)的正電荷 進(jìn)而形成電流 從而產(chǎn)生歐姆損耗 造成大地對(duì)電波的吸收 于是沿地表面形成較小的電場(chǎng)水平分量 致使波前傾斜 使垂直極化波變?yōu)闄E圓極化波 如圖8 15所示 圖8 14理想導(dǎo)電地面的場(chǎng)結(jié)構(gòu) 圖8 15非理想導(dǎo)電地面的場(chǎng)結(jié)構(gòu) 設(shè)發(fā)射天線的輻射功率為 D為考慮地面影響后發(fā)射天線的方向系數(shù) A為地面波信道的衰減因子 若不考慮地球曲率半徑的影響 則在距發(fā)射天線r處的接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為 8 5 1 其中 8 5 2 8 5 3 從以上討論可以得到地面波傳播信道有如下特點(diǎn) 1 信道的損耗與地面的電導(dǎo)率有關(guān) 2 信號(hào)頻率越高信道損耗越大 3 地面波傳播信道的信號(hào)比較穩(wěn)定 8 6不均勻媒質(zhì)散射信道 對(duì)流層散射信道具有下列特點(diǎn) 1 由于散射波相當(dāng)微弱 即信道的傳輸損耗很大 包括自由空間傳輸損耗 散射損耗 大氣吸收損耗及來(lái)自天線方面的損耗 一般超過(guò)200dB 因此對(duì)流層散射通信要采用大功率發(fā)射機(jī) 高靈敏度接收機(jī)和高增益天線 2 隨機(jī)性嚴(yán)重 由于湍流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) 散射體是隨機(jī)變化的 它們之間在電性能上是相互獨(dú)立的 因而它們對(duì)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)貢獻(xiàn)是隨機(jī)的 這種隨機(jī)多徑傳播現(xiàn)象 使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的快衰落 這種快衰落一般通過(guò)采用分集接收技術(shù)來(lái)克服 3 這種散射信道的優(yōu)點(diǎn)是 容量較大 可靠性高 保密性好 單跳跨距達(dá) 300 800 km 4 對(duì)于無(wú)法建立微波中繼站的地區(qū) 如海島之間或跨越湖泊 沙漠 雪山等地區(qū) 可以采用對(duì)流層散射信道進(jìn)行通信 圖8 16不均勻媒質(zhì)傳播 8 7電磁干擾的特性 8 7 1電磁干擾的分類無(wú)線電接收的好壞不僅取決于信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值 更主要的取決于信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值 即信號(hào)噪聲比 簡(jiǎn)稱為信噪比SNR SignalNoiseRatio 若按噪聲源對(duì)系統(tǒng)的作用情況來(lái)分類 通常將噪聲分為內(nèi)部噪聲和外部干擾兩大類 8 7 2自然噪聲自然噪聲包括天電噪聲 宇宙噪聲及其他自然噪聲 天電噪聲又稱為大氣噪聲 它主要來(lái)自雷電的輻射 雷電是一種大功率 寬頻帶的無(wú)線電脈沖的輻射源 宇宙噪聲是指宇宙空間的射電源 如太陽(yáng) 月亮等 輻射的電磁波到達(dá)地面而形成的噪聲 8 7 3人為干擾人為干擾可能是有意干擾源或無(wú)意干擾源 按干擾的性質(zhì)一般可分為寬帶和窄帶兩大類 從作用的時(shí)間看 長(zhǎng)期作用的為連續(xù)干擾源 短期間歇作用的為間歇干擾源 偶然瞬間作用的則為瞬間干擾源 人為干擾源很多 現(xiàn)僅介紹幾種典型的人為干擾源 1 其他電臺(tái)其他發(fā)射機(jī) 特別是大功率發(fā)射機(jī)將對(duì)本系統(tǒng)構(gòu)成干擾 這種干擾可能是同頻干擾 鄰道干擾 諧波干擾或寄生干擾 2 工業(yè) 科研和醫(yī)療設(shè)備科研和醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生的射頻干擾能量并不低于通信系統(tǒng)本身的能量 這些設(shè)備一般產(chǎn)生正弦波信號(hào) 如塑料焊機(jī)和預(yù)熱器等 頻率為30MHz至1GHz 在距這些設(shè)備300m處 測(cè)得的電平約 0 60 dBm 3 本機(jī)振蕩器超外差接收機(jī)的本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)及數(shù)字計(jì)算機(jī)中時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的同步重復(fù)脈沖 均可以經(jīng)電源線傳導(dǎo)或經(jīng)機(jī)殼直接輻射 這些干擾均可能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)界限值 4 轉(zhuǎn)換開關(guān)電源突然與負(fù)載接通或斷開 或調(diào)整電壓均造成電流的瞬間變化 5 電機(jī)帶整流子的直流電機(jī) 其電刷與整流子接觸時(shí)將產(chǎn)生接觸噪聲干擾 而電刷離開一個(gè)整流子時(shí) 換向 將產(chǎn)生換向火花干擾 6 其他凡能引起電火花或電弧的一切設(shè)備都是電磁干擾源 如火花式高頻電焊機(jī) 汽車 摩托車的點(diǎn)火系統(tǒng) 氣體放電管 高壓傳輸線的電暈放電 機(jī)器絕緣體或其他附件兩端的局部靜電放電和核爆炸產(chǎn)生的核電磁脈沖等 表8 3列出了幾種分布于無(wú)線電波頻段內(nèi)的典型輻射源 表8 3幾種典型輻射源 8 7 4干擾的傳播途徑電磁干擾的傳播途徑有三種 輻射 感應(yīng)和傳導(dǎo) 若干擾是由干擾源輻射的電磁波傳播到達(dá)被干擾部件地區(qū)所造成的 稱為遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾 本系統(tǒng)以外的廣播電臺(tái) 無(wú)線電通信臺(tái) 雷達(dá)等都屬于強(qiáng)輻射源 此外 發(fā)射機(jī)通過(guò)機(jī)柜 電源線 信號(hào)線泄漏的輻射波 則為弱輻射源 這種干擾一般是通過(guò)天線進(jìn)入被干擾的接收系統(tǒng)的 當(dāng)干擾源與被干擾部件之間距離較小時(shí) 如接觸開關(guān) 繼電器等產(chǎn)生的電場(chǎng)或磁場(chǎng) 通過(guò)空間的電磁耦合引入被干擾部件 這種傳遞方式稱為近場(chǎng)感應(yīng) 磁場(chǎng)通過(guò)電感性耦合 電場(chǎng)通過(guò)電容性耦合而進(jìn)入到電路中 干擾通過(guò)干擾源和被干擾電路之間的公共阻抗而引入被干擾電路的傳遞方式稱為傳導(dǎo) 這種方式是通過(guò)公共電源內(nèi)阻或公共接地電阻而引入干擾信號(hào)的 總之 干擾的構(gòu)成主要有三個(gè)因素 即干擾源 合適的干擾途徑及接收者 現(xiàn)代接收系統(tǒng)都具有相當(dāng)?shù)倪x擇性或抗干擾能力 要造成電磁干擾至少一方面頻率要合適 另一方面干擾信號(hào)要有一定的強(qiáng)度 要完全抑制干擾是很困難的 但可以采取一定的技術(shù)措施來(lái)保證電子系統(tǒng)可靠的工作 8 8電磁兼容 電磁兼容 EMC 包括兩個(gè)方面的含義 第一 指電子系統(tǒng)與周圍其他電子系統(tǒng)之間 在規(guī)定的電磁環(huán)境中互相兼容的能力 換句話說(shuō) 任一電子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中必須考慮當(dāng)它正常工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾不影響其他電子系統(tǒng)的正常工作 同樣 其他電子系統(tǒng)的干擾也不致影響到本系統(tǒng)的正常工作 第二 是指電子系統(tǒng)在自然界的電磁環(huán)境中按照設(shè)計(jì)要求工作的能力 8 8 1電磁兼容設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中首先要考慮合理地利用無(wú)線電頻譜 所謂頻譜利用問(wèn)題包含兩個(gè)方面的意思 第一是頻譜的分配 由于無(wú)線電是一有限資源 為了合理使用無(wú)線電資源 消除電磁輻射對(duì)各種武器 設(shè)備 人員的危害 預(yù)防系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的相互干擾 國(guó)際上成立了EMC組織進(jìn)行協(xié)調(diào) 各國(guó)均成立了專門機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行管理 并制定了相應(yīng)的規(guī)范 一切電子設(shè)備必須經(jīng)過(guò)這些專門機(jī)構(gòu)的鑒定和批準(zhǔn)才能進(jìn)入市場(chǎng) 在國(guó)際上 頻率是由國(guó)際電信聯(lián)盟分配的 進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)重要參數(shù) 1 敏感門限電平使系統(tǒng)或設(shè)備不能正常工作的干擾臨界電平稱為敏感的門限電平 2 電磁兼容性安全系數(shù)電磁兼容性安全系數(shù)m dB 定義為 m Ps Pl 8 8 1 8 8 2屏蔽屏蔽就是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥珊袪罨蚓W(wǎng)板而將電場(chǎng)或磁場(chǎng)的影響限制在某空間區(qū)域 即在某給定空間防止來(lái)自外部的電磁干擾或防止自內(nèi)向外的電磁干擾 也就是說(shuō)用銅或鋁等低阻材料或磁導(dǎo)率高的磁性材料制成所需形狀的容器 將需要隔離的空間包圍起來(lái) 這種防止電磁波干擾所采取的方法稱之為屏蔽 Shield 屏蔽可分為三種 即電屏蔽 磁屏蔽和電磁屏蔽 1 電屏蔽電屏蔽 ElectricalShield 又稱為靜電屏蔽 它的作用是防止靜電場(chǎng)的影響 消除兩個(gè)設(shè)備或兩個(gè)電路之間由于分布電容耦合所產(chǎn)生的影響 如圖8 17所示 有一帶正電荷Q的導(dǎo)體A置于金屬盒B中 由高斯定理不難證明 金屬盒的內(nèi)表面感應(yīng)產(chǎn)生 Q電荷 在金屬盒的外表面集結(jié) Q電荷 由外表面電荷所建立的電場(chǎng)將干擾其他設(shè)備 如果將金屬盒接地 金屬盒與地等電位 盒外的 Q流入大地 盒內(nèi)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)將不影響其他設(shè)備的工作 也就是說(shuō)金屬盒使盒內(nèi)電荷產(chǎn)生的電力線不能達(dá)到盒外部 從而達(dá)到屏蔽的目的 從圖8 18更易于看出屏蔽接地的效果 圖8 18表示了導(dǎo)體A與A 間的聯(lián)系 在金屬盒不接地時(shí) 其等效電路如圖8 19 a 所示 當(dāng)金屬盒接地后 其等效電路由圖 8 19 b 示出 由該圖可知 接地金屬殼消除了A與A 間的電容耦合 即構(gòu)成了盒體內(nèi)部與盒體外部設(shè)備間的靜電屏蔽 因此 稱為對(duì)外靜電屏蔽或有源靜電屏蔽 圖8 17靜電屏蔽 圖8 18屏蔽盒不接地 圖8 19等效電路 a 屏蔽盒不接地的等效電路 b 屏蔽盒接地的等效電路 若被屏蔽的源是交流源 則在地線上由于正負(fù)電荷的交變流動(dòng)將存在一與源頻率相同的交變電流 當(dāng)頻率很低時(shí) 此地線為一短線 盒仍起屏蔽作用 但若頻率較高時(shí) 接地線為一長(zhǎng)線 它將產(chǎn)生輻射 因此對(duì)有源體的靜電屏蔽不適用于高頻 即使在低頻時(shí)也不能達(dá)到完全屏蔽 一般說(shuō)頻率在10kHz以下時(shí)采用靜電屏蔽 若將一空心金屬盒放在靜電場(chǎng)中 如圖8 20所示 在金屬盒的兩側(cè)將感應(yīng)產(chǎn)生相反性質(zhì)的電荷 外部的電場(chǎng)對(duì)盒體內(nèi)部不產(chǎn)生作用 稱為對(duì)內(nèi)靜電屏蔽或無(wú)源屏蔽 無(wú)源屏蔽可以不接地 但由于屏蔽盒的存在 一方面將引起電力線的畸變 另一方面將造成鄰近電路或設(shè)備之間靜電耦合的增大 如圖8 20 b 所示 若將屏蔽殼接地 就可以消除A和B之間靜電耦合的增大部分 因此對(duì)無(wú)源靜電屏蔽也需接地 圖8 20無(wú)源靜電屏蔽 a 金屬盒不接地 b 金屬盒接地 靜電屏蔽最常用的材料為導(dǎo)電良好的銅或鋁 要求不高時(shí)也采用薄鋼板 對(duì)于有源靜電屏蔽 其屏蔽效果主要取決于金屬殼體的接地質(zhì)量 屏蔽體與地間的阻抗越小 屏蔽效果越好 屏蔽的效果一般用屏蔽前后同一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的比值來(lái)表征 在線性電路中 由于干擾電壓與干擾場(chǎng)強(qiáng)成正比 所以將電屏蔽等效為電路進(jìn)行分析時(shí) 屏蔽效果又可定義為屏蔽前后同一元件上干擾電壓之比 即 8 8 2 如果將上式用分貝表示 則 8 8 3 2 磁屏蔽磁屏蔽 MagneticShield 是利用高導(dǎo)磁率材料將磁場(chǎng)封閉在它的厚壁之內(nèi) 一般用于10kHz以下的低頻 如果將磁干擾源屏蔽于高磁導(dǎo)率材料制成的殼中 稱為對(duì)外磁屏蔽或有源磁屏蔽 此時(shí) 其產(chǎn)生的磁力線的絕大部分將集中于磁阻很低的殼體內(nèi) 只有極少的磁力線從殼體內(nèi)泄漏到殼體外部 泄漏的磁通稱為漏磁通 漏磁的多少取決于殼體材料的磁導(dǎo)率與殼體的厚度 多層磁屏蔽可以減少漏磁 3 電磁屏蔽在第4章中我們分析了平面電磁波入射到兩種不同介質(zhì)的分界面上時(shí)將產(chǎn)生反射和折射 一部分能量反射回第一種媒質(zhì) 另一部分能量透入到第二種媒質(zhì) 若第二種媒質(zhì)為一良導(dǎo)體 則平面波在其中傳播時(shí)的衰減常數(shù) 可近似為 8 8 4 式中 和 分別為良導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率 因此 電磁能量在電導(dǎo)率較大的良導(dǎo)體中衰減很快 或者說(shuō)電磁能量只能進(jìn)入良導(dǎo)體表面的很小距離 我們用趨膚深度 SinkDepth 來(lái)描述 其表達(dá)式為 8 8 5 顯然 頻率越高 趨膚深度越小 8 8 3接地為電源和信號(hào)提供回路和基準(zhǔn)電位稱為接地 Ground 接地的主要目的是防止電磁干擾 消除公共阻抗的耦合 同時(shí) 也是為了人身和設(shè)備的安全 接地與屏蔽結(jié)合起來(lái)可解決干擾的大部分問(wèn)題 為了減小干擾 需合理設(shè)計(jì)接地線 常用的有 單點(diǎn)接地系統(tǒng) 多點(diǎn)接地系統(tǒng)和混合接地系統(tǒng) 在單點(diǎn)接地系統(tǒng)中 將整個(gè)電路系統(tǒng)中某一點(diǎn)看作接地參考點(diǎn) 所有對(duì)地的連接都接到這一點(diǎn)上 如圖8 21所示 它要求各接地連線的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) 圖8 21單點(diǎn)接地系統(tǒng) 在這種接地方法中 各支路電位僅與本身電流 地線電阻有關(guān) 各支路在自己的地線上產(chǎn)生的干擾電勢(shì)不會(huì)干擾其他支路 但這種體系不能用于高頻 因?yàn)榈鼐€的感抗隨頻率升高而增大 同時(shí)各地線間電感耦合和電容耦合也增大 因此產(chǎn)生相互干擾 這種接地方法 地線連接線多而長(zhǎng) 結(jié)構(gòu)龐雜 使用不便 為了降低地線阻抗 在高頻時(shí)多采用多點(diǎn)接地系統(tǒng) 在電路系統(tǒng)中每一級(jí)或每一裝置都各自用接地線分別就近接地 如圖8 22所示 圖8 22多點(diǎn)接地系統(tǒng) 在電路系統(tǒng)中每一級(jí)或每一裝置都各自用接地線分別就近接地 如圖8 22所示 這樣每個(gè)支路的干擾電流僅能在本支路中循環(huán) 對(duì)其他支路的影響較小 在多點(diǎn)串聯(lián)接地系統(tǒng)中 如圖8 23所示 地線中各段 OA AB BC段等 存在電阻和電感 從而造成各支路之間的干擾 圖8 23多點(diǎn)串聯(lián)接地系統(tǒng) 8 8 4濾波濾波是抑制干擾的重要手段之一 濾波技術(shù)比屏蔽技術(shù)的成本低 產(chǎn)品體積小 重量輕 電磁干擾濾波器的特點(diǎn)是