電磁兼容-電磁干擾耦合與傳輸理論課件

1、 電磁環(huán)境 電磁干擾的耦合途經(jīng)研究生學(xué)位課電磁兼容（2） 主 要 內(nèi) 容電磁干擾現(xiàn)象電磁干擾三要素時(shí)域與頻域電磁干擾源 敏感體及其特性電磁干擾的耦合途經(jīng)電磁輻射的基本理論傳導(dǎo)耦合的基本理論電磁騷擾的抑制策略 電磁干擾現(xiàn)象數(shù)字脈沖電路開關(guān)電源數(shù)字視頻設(shè)備220AC電磁噪聲（騷擾） ：任何可能引起設(shè)備或系統(tǒng)性能下降的電磁現(xiàn)象強(qiáng)調(diào)任何可能的電磁危害現(xiàn)象原因。電磁干擾 ： 電磁噪聲（騷擾）所引起的設(shè)備、傳輸通路或系統(tǒng)性能的下降電磁危害現(xiàn)象 強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生的結(jié)果。雷電等 電磁干擾三要素三個(gè)要素：干擾源、耦合路徑和敏感源干擾兼容臨界 常見干擾源無線通信電磁干擾源：5個(gè) ，各源的性質(zhì)不同 耦合方法：52 或 4+

2、1（11）雷電等自然干擾源脈沖電路 人為干擾感性負(fù)載通斷直流電機(jī)、變頻調(diào)速器（敏感源） 電磁騷擾源的分類非功能性 干擾源其他分類：根據(jù)電磁干擾的耦合途徑、性質(zhì)、方式、頻譜寬度、頻率范圍等進(jìn)行分類，如：電場干擾、磁場干擾和電磁場干擾；寬帶干擾和窄帶干擾，傳導(dǎo)干擾，輻射干擾等等。 電磁騷擾（源）的性質(zhì)頻譜寬度 按照電磁騷擾能量的頻率分布特性，可以確定其頻譜寬度。連續(xù)波 交流聲騷擾的頻譜寬度最窄，單價(jià)脈沖函數(shù)的頻譜諾寬度最寬。 波形幅度或電平出現(xiàn)率輻射騷擾的極化特性輻射騷擾的方向特性天線的有效面積 表征敏感設(shè)備接收騷擾場強(qiáng)能力的參數(shù)，等于傳送到匹配負(fù)載的平 均功率密度與入射到天線上的電磁波平均功率密

3、度之比。天線有效 面積越大，敏感設(shè)備接收電磁騷擾的能力就越強(qiáng)。電磁兼容處理問題的原則是留有一定 量的裕度電磁信息發(fā)射干擾其它電子設(shè)備被別有用心的人接收，獲取信息功能性發(fā)射干擾特例 產(chǎn)生電磁干擾的條件 突然變化的電壓或電流， 即 dV/dt 或dI/dt 很大頻譜寬度大，輻射強(qiáng)/傳導(dǎo)抑制（濾波等） 困難。實(shí)際問題中，遇到電壓、電流的突然變化，需要考 慮潛在的電磁干擾問題 輻射天線或傳導(dǎo)導(dǎo)體（載體） 頻 譜 分 析EMC分析更多是在頻域中進(jìn)行，且不考慮相位因素 所有的電場兼容標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)發(fā)射的限制范圍都是在譜域中 規(guī)定的 電磁兼容技術(shù)措施與頻率關(guān)系密切，例如濾波器的截 止頻率 電磁兼容分析側(cè)重于干擾在

4、特定頻率上的能量分布， 時(shí)間和相位等關(guān)注很少 頻域分析 時(shí)域波形頻譜分量付立葉級(jí)數(shù)(周期)付立葉變換(非周期)示波器觀察頻譜分析儀觀察一個(gè)正弦波在5次諧波和7次諧波的影響下怎樣發(fā)生畸變。（相對(duì)于基波的24%和9%）。 7th harmonic5th harmonicfundamentalharmonicsdistorted wavefundamental 基波和諧波 引起的失真波形 譜密度頻率很低時(shí)頻率較低時(shí) 高頻時(shí)簡化：不考慮相位， 脈沖信號(hào)的頻譜d 諧波幅度（電壓）trV1/tr頻率（對(duì)數(shù)）兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 信號(hào)的頻譜 脈沖波形有較寬的頻率帶寬 頻率幅度在低頻段較高，在低頻段較低，下

5、降的速度與脈沖邊沿與陡度 有關(guān)，越陡，下降越慢 電磁兼容的角度，希望頻譜帶要窄，因?yàn)椋哳l時(shí) 串?dāng)_和輻射強(qiáng)，自然環(huán)境因素一般電磁環(huán)境構(gòu)成因素人為環(huán)境因素 雷電電磁輻射源。 靜電電磁輻射源。 太陽系和星際電磁輻射源。 地球和大氣層電磁場等。 各種電磁發(fā)射系統(tǒng)：電視、廣播發(fā)射臺(tái)，無線電臺(tái)、站，導(dǎo)航系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，差轉(zhuǎn)臺(tái)，干擾臺(tái)，微波接力站等。 工頻電磁輻射系統(tǒng)： 高電壓送、變電系統(tǒng)，大電流工頻設(shè)備，輕軌和干線電氣化鐵道等。 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療、商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的有電磁輻射的各種設(shè)備或系統(tǒng)。 以電火花點(diǎn)燃內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的交通工具和機(jī)器設(shè)備。 各種家用電器、現(xiàn)代化辦公設(shè)備、電動(dòng)工具等。 用于軍事目的的強(qiáng)電磁脈

6、沖源： 核電磁脈沖及非核電磁脈沖源如電磁脈沖武器、高功率微波彈和各種電子對(duì)抗輻射源等 地表面自然磁場的分布 地表面的自然電場地球表面如果沒有電磁場，也會(huì)影響各種生物的成長，既所謂的“電磁饑餓”。 地球和導(dǎo)體（電離層）組成球形電容器模型 其間有漂移的自由電荷（離子），離子（密度）隨著高度而變化（增加）， 電場力線垂直于地球表面，并且使地表面帶負(fù)電 雷電放電 雷電放電的三個(gè)階段：先導(dǎo)階段，主放電階段，余解放電階段雷電日在一年中，能聽到一聲（或以上）雷聲的總天數(shù) 雷電流的特性 雷電放電速度很快，雷電流的幅值很大，陡度很高，且其電流的大小與土壤電阻率、雷擊點(diǎn)的散流電阻有關(guān)。 直雷電的危害 直擊雷雷直接

7、擊在建筑物和 設(shè)備上而發(fā)生的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。 感應(yīng)雷雷電流產(chǎn)生的電磁效應(yīng) 和靜電效應(yīng)。 高電位的引入雷電流沿 電氣線 路和管道引入建筑物的內(nèi)部。 非功能性干擾 功能性干擾源寄生額率 電磁騷擾的耦合途徑傳導(dǎo)耦合：在騷擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接，電磁騷擾通過連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設(shè)備。輻射耦合：電磁騷擾通過其周圍的媒介以電磁波的形式向外傳播，騷擾電磁能且按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。傳導(dǎo)耦合(+) 輻射耦合 例如 傳輸線的輻射/輻射源的傳輸線響應(yīng) 電磁騷擾的耦合途徑分類電磁干擾耦合模型 C： 電容耦合 L： 電感耦合 Z： 共阻抗耦合 NC：近場耦合 FR：遠(yuǎn)場輻射 電磁

8、輻射的基本理論 環(huán)天線元 偶極天線元 縫隙天線 電磁輻射 電磁散射（二次源，敏感體） 基本天線結(jié)構(gòu) （等效為磁荷源） 輻射系統(tǒng)的三個(gè)區(qū)域?qū)﹄娏鬏椛湎到y(tǒng)，有三個(gè)空間尺度考慮小區(qū)域內(nèi)輻射：按波長和距離，分成三個(gè)區(qū)域： ，近區(qū)， ，各點(diǎn)相位一致，電磁場結(jié)構(gòu)與靜電、靜磁場相同（似穩(wěn)場） ，感應(yīng)區(qū)，過渡區(qū) ，遠(yuǎn)區(qū)，輻射區(qū)源到場點(diǎn)距離 r電流系統(tǒng)尺度 l空間電磁波波長 總電 磁場源所激發(fā)的電磁場 電磁場相互激發(fā)的電磁場 靜態(tài)電磁場特點(diǎn)場量與 r 2 成反比 電磁波特點(diǎn) 場量只能與 r 成反比 電偶極子電流元 電偶極子電磁場表達(dá)式電偶極電磁場表達(dá)式近區(qū)場/ 似穩(wěn)場近場區(qū) （無推遲效應(yīng)）場表達(dá)式 坡印亭平均值

9、 電磁場 相位差 與電偶極子的靜電場和恒定電流元的磁場的表達(dá)式相同。盡管電偶極源上的電流是時(shí)變的，時(shí)變電磁場之間相互激發(fā)的波動(dòng)效應(yīng)比起電荷和電流直接激發(fā)的靜態(tài)場要小得多。 電場與磁場始終保持 90 度相位差，其 Poynting 平均值恒為零，電場能在另半周期等值地轉(zhuǎn)換為磁場能沒有能量向外部輸運(yùn)。 電偶極輻射(遠(yuǎn)區(qū)）場 同相位， 輻射場，TME 波 波阻抗 方向性非均勻球面波輻射電場線圖磁偶極源場表達(dá)式磁偶極電流因?yàn)殡娏?閉合，可用閉合電流的線圈線積分計(jì)算磁偶極源 場表達(dá)式 磁偶極輻射（遠(yuǎn)區(qū)）場磁場線分布圖 同相位， 輻射場，TME 波 波阻抗 方向性非均勻球面波電偶極子磁偶極子對(duì)偶關(guān)系 磁偶

10、極源的近區(qū)場 “ 穩(wěn)態(tài)場 ” 的結(jié)構(gòu)， 無能量輻射，無推遲效應(yīng) 電場隨頻率增加而增加減小 波 阻 抗 一般定義遠(yuǎn)場近場同傳播方向上，相互垂直電場和磁場之比電偶極源磁偶極源 遠(yuǎn)區(qū)場和近區(qū)場的波阻抗波阻抗電場為主 E 1/ r3 H 1 / r2磁場為主 H 1/ r3 E 1/ r2遠(yuǎn)區(qū) E 1/ r H 1/ r（電偶極源） （磁偶極源）到觀察點(diǎn)的距離 D 源的波阻抗 小型實(shí)際電路的輻射近區(qū) 遠(yuǎn)區(qū)導(dǎo)出：由電偶極子電場的遠(yuǎn)區(qū)表達(dá)式近似推導(dǎo)出由電偶極子電場的近區(qū)表達(dá)式近似推導(dǎo)出由磁偶極子電場的近區(qū)表達(dá)式近似推導(dǎo)出 輻射場隨頻率的變化曲線 l 增加（回路面積大）時(shí)，場強(qiáng)增大 阻抗?。娏鞔螅瑘鰪?qiáng)增

11、大 在遠(yuǎn)區(qū)，隨頻率增加，場強(qiáng)增大 偶極天線的演變和寄生天線輻射同偶極V單極天線+-V輻射高于單極-+-+傳輸線輻射很小-V機(jī)箱接地線PCBVG主板電纜子板筆記本PCB電纜沒接地散熱片 無意電壓（感應(yīng)電流阻抗）所致 導(dǎo)體的天線效應(yīng) 疊加(求和/積分)可得到導(dǎo)線的輻射電磁場分布 環(huán)（回）電路情況下，需設(shè)回電流（的相位）相同。 接收天線對(duì)發(fā)射天線的功率響應(yīng)接收（發(fā)射）天線的功率接收（發(fā)射）天線在發(fā)射 （接收）天線上的增益兩天線間距離，發(fā)射天線所對(duì)應(yīng)的波長 差模電流和共模電流 同相位（方向），幅值相差很小 共模電流的來源有三種（后述） 共模電流不是電路的工作電流 外界因素在電纜上產(chǎn)生的共模電 流本身并

12、不會(huì)對(duì)電路生產(chǎn)竄擾影 響。外界產(chǎn)生內(nèi)部產(chǎn)生 相位（方向）相反，幅值相同 差模電流是電路的工作電流 差模電流的來源有三種 外界因素在電纜上產(chǎn)生的差模 電流對(duì)電路生產(chǎn)串?dāng)_影響。 輻射效應(yīng)？ 場對(duì)線的共模和差模的耦合推導(dǎo)： 積分回路的面積（有效面積）增大，共模/差模的電壓增大 外電磁波場在傳輸線（電纜）上同時(shí)產(chǎn)生共模和差模電壓 共模積分回路的部分支路可以是由寄生電容組成 短線/似穩(wěn)場的假設(shè),長線/高頻情況如何？ 場對(duì)高頻傳輸線的耦合當(dāng)傳輸線長度降 時(shí)，沿線的電流/電壓是變化的. 必須采用分布參數(shù)電路或電磁場理論。當(dāng)電磁波照射到高頻傳軸線時(shí)，將引起沿線分布的許多無窮小的電壓源分析方法： 1）取一小段d

13、z，集中參數(shù)法求解電流與激勵(lì)電壓的關(guān)系 2）激勵(lì)電壓即為外場，積分可得到線上電流與外電場的積分關(guān)系 典型結(jié)果見后平行端線電場在終端上的電流 高頻時(shí)，較明顯，更重要的是，高頻的感應(yīng)電流也是高頻的 因此，要采用高頻的抑制方法。高頻的電流具有輻射效應(yīng)。平行傳輸線電場在終端上的電流 差別更明顯， 為什么？ 電容性耦合 (近電場相互作用) 頻率越高, 耦合越明顯 在敏感電路( 導(dǎo)體2 ) 與地之間并聯(lián)了一個(gè)騷擾電流源(并聯(lián)一個(gè)電壓源). 近地導(dǎo)線間的電容性耦合間距增大，耦合干擾變小，高度增大， 耦合干擾偏小， 但不明顯 電感性耦合 (近磁場耦合) 電容性與電感性耦合之間的差異 對(duì)于電容性合，在敏感電路(

14、導(dǎo)體2) 與地之間并聯(lián)了一個(gè)騷 擾電流源(并聯(lián)一個(gè)電壓源). 對(duì)于電感性耦合，產(chǎn)生一個(gè)與敏感電路(導(dǎo)體2串聯(lián)的騷擾電壓 (感應(yīng)電壓) 如何鑒別電容性和電感性耦合干擾？ 電容耦合與電感耦合的綜合考慮電感耦合干擾電壓是串聯(lián)于受害電路上而電容耦 合干擾電壓 是并聯(lián)于受害電路上.在靠近干擾源的近端和遠(yuǎn)端電容耦合的電流方向相同，而電感耦臺(tái)的電流方向相反。作業(yè) ! 遠(yuǎn)端的干擾電壓 近端的干擾電壓 電路性耦合電路1中的騷擾 通過阻抗耦合到電路2中，形成干擾 電路耦合的實(shí)例 地線阻抗形成的耦合 公共電源內(nèi)阻及公共線路阻抗形成的耦合 多回路電路性傳導(dǎo)耦合 傳輸線的短線處理根據(jù)傳輸線長度與傳輸信號(hào)頻率的關(guān)系可把傳輸線分為 長線和短線，長線和短線應(yīng)采取不同的方法處理。傳輸線長度小于等于120 的信號(hào)波長，傳輸延遲時(shí)間小于等于14的數(shù)字信號(hào)脈種上升時(shí)向時(shí)傳纏線畝祝為短線，即 是輻射耦合，還是 路耦合？！ 轉(zhuǎn)移阻抗耦合 頻域分析 時(shí)域波形頻譜分量付立葉級(jí)數(shù)(周期)付立葉變換(非周期)示波器觀察頻譜分析儀觀察譜密度頻率很低時(shí)頻率較低時(shí) 高頻時(shí)簡化：不考慮相位， 脈沖信號(hào)的頻譜d 諧波幅度（電壓）trV1/tr頻率（對(duì)數(shù)）兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 信號(hào)的頻譜 脈沖波形有較寬的頻率帶寬 頻率幅度在低頻段較高，在低頻段較低，下降的速度與脈沖邊沿與陡度 有關(guān)，越陡，下降越慢 電磁兼容