電磁兼容原理第2章(NEW)

1、第2章 電磁兼容理論基礎(chǔ)2.1各種信號的頻譜分析 2.1.1 信號的分類信號分類多種多樣，從信號函數(shù)自變量和幅度的取值形式出發(fā)，基本上可以分為連續(xù)信號和離散信號兩大類。連續(xù)時間信號如果信號隨時間連續(xù)變化，也就是在觀測過程的連續(xù)時間范圍內(nèi)信號函數(shù)有定義，則稱連續(xù)時間信號，用 表示，如圖所示：離散時間信號若信號函數(shù)僅在規(guī)定的離散時刻定義，則稱離散時間信號，用 表示， 是某特定時刻，右圖表示每相鄰兩個時刻的時間間隔相等的離散時間信號，離散信號的時間間隔也可以不相等。 工程中遇見的信號就其變化規(guī)律的特性來劃分，可粗略歸結(jié)為確定信號和隨機信號兩類，這是根據(jù)信號能否用明確的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系描述進行分類的。 確

2、 定 信 號如果信號的未來值可以用某個函數(shù)準(zhǔn)確地描述，則這類時間信號稱為確定信號，如正弦信號，它可以用正弦函數(shù)描述，給定的某一時刻就可確定相應(yīng)的函數(shù)值，所以在相同條件下能夠準(zhǔn)確地重現(xiàn)。 隨 機 信 號如果給定任一時刻，信號的值是隨機的，換句話說信號的未來值不能用精確的時間函數(shù)來描述，無法準(zhǔn)確地預(yù)測，在相同條件下也不能準(zhǔn)確地重現(xiàn)，則稱該信號為不確定信號或隨機信號。隨機信號幅度的取值在任一時刻是隨機的，所發(fā)生的物理過程是個隨機過程，人們可以用實函數(shù)表示其樣本函數(shù)的集合， 如圖所示：隨 機 信 號綜 述常見信號的分類可歸納如下： 信 號 確 定 信 號隨 機 信 號周 期 信 號 非周期信號平穩(wěn)隨機

3、信號非平穩(wěn)隨機信號簡諧周期信號復(fù)雜周期信號準(zhǔn)周期信號瞬變信號各態(tài)歷經(jīng)過程非各態(tài)歷經(jīng)過程一般非平穩(wěn)隨機過程瞬變隨機過程2.2 電路與磁路2.2.1 電路電路是由若干電氣器件或設(shè)備，按一定的方式和規(guī)律組成的總體，它構(gòu)成電流的通路。隨著電流的流通，電路實現(xiàn)了電能的傳輸、分配和轉(zhuǎn)換；或者實現(xiàn)各種電信號的傳遞、處理和測量。電路的基本組成為4部分：電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線和開關(guān)。 在對電路進行分析時，往往在一定條件下，對實際電氣器件加以理想化，略去其次要性質(zhì)，用一個足以表征實際器件主要性質(zhì)的理想元件來表示。理想元件就是可精確定義并能表征實際器件的主要電磁性質(zhì)的一種理想化元件。 理 想 電 源 實際電路中，電源

4、向各種用電設(shè)備提供能量。實際電源種類繁多，但在一定條件下構(gòu)成電路模型時，電源通常有理想電壓源和理想電流源兩種，它們均屬有源二端理想元件。 理 想 電 壓 源理想電壓源無論外部電壓如何，其端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)。理想電壓源的端電壓與通過它自身的電流大小無關(guān)，其電壓總保持定值或為某給定的時間的函數(shù)。理 想 電 壓 源 理 想 電 流 源理想電流源無論外部電路如何，其輸出電流總保持定值或一定的時間函數(shù)。理想電流源的輸出電流與其兩端電壓大小無關(guān)，其電流總保持定值或為某給定的時間函數(shù)。理 想 電 流 源電 阻 元 件 電阻元件是從對電流呈現(xiàn)阻力而且消耗電能的實際電氣器件中抽象出來的理想化元件

5、。任何兩端元件，如果在任何時刻，其兩端電壓和通過元件的電流之間的關(guān)系可以在伏安特性平面上用曲線表示，則稱為電阻元件。電 感 元 件 電感元件是實際電感器的理想化元件，它體現(xiàn)了元件儲存磁場能量的性質(zhì)。任意兩端元件，如果在任意時刻，其電流和由它產(chǎn)生的磁鏈 之間的關(guān)系可以在 平面上用曲線來表示，則稱其為電感元件。電 感 元 件 其值為自感磁鏈 與電流 之比，即 電感元件上任意時刻的電壓與電流有下列關(guān)系： 這就是電感元件的特性方程。電 容 元 件 電容元件是實際電容器的理想化元件，它體現(xiàn)了元件儲存電場能量的性質(zhì)。任意兩端元件，如果在任意時刻，其極板上的電荷和元件兩端的電壓之間的關(guān)系可以在 平面上用曲線

6、來表示，則稱其為電容元件。電 容 元 件 對于線性電容元件，其電容值C為一正實常數(shù)。其值為電容任一極板上積累的電荷量 與其上的電壓 的比值，即 。電容元件的特性方程為 從特性方程可知，在某一時刻電容器的電流取決該時刻電容器兩端電壓的變化率。 2.2.2 磁路 磁通(磁力線)所通過的閉合路徑稱為磁路。線圈中通以電流就會產(chǎn)生磁場，磁力線將分布在線圈周圍的整個空間。如下圖： 如果我們把線圈繞在鐵芯上如下圖所示，則由于鐵磁物質(zhì)的優(yōu)良導(dǎo)磁性能，電流所產(chǎn)生的磁力線基本上都局限在鐵芯內(nèi)。不僅如此，在同樣大小的電流作用下，有鐵芯時磁通將大大增加。也就是說，用較小的電流可以產(chǎn)生較大的磁通。這就是在電磁器件中采用

7、鐵芯的原因。磁路中的基本單位 在磁場中畫一些曲線，使這些曲線上任何一點的切線都在該點的磁場方向上，這些曲線就稱為磁通。磁場的強弱和方向可用灑鐵屑的方法以磁力線的形式表示出來。磁通(磁力線) 的單位在國際單位制中為韋伯，簡稱韋，單位符號Wb。 除了用磁通外，我們還要用到磁通密度 這一物理量，它是在與磁場相垂直的單位面積內(nèi)的磁通，在均勻磁場中 式中 就是與磁場相垂直的面積S中所有的磁通。磁通密度是表示磁路中某一點的磁場性質(zhì)的。在國際單位制中，磁通密度B的單位為特斯拉(Tesla)，簡稱特，單位符號T。特斯拉即韋/米2。 磁通密度 磁場是由電流產(chǎn)生的。在磁路中，電流越大，線圈匝數(shù)越多，產(chǎn)生的磁場強度

8、越強。即取決于電流與線圈匝數(shù)的乘積 。這一乘積叫做磁動勢(magneto motive force)或磁通勢。以F表示，即 磁動勢是磁路中產(chǎn)生磁通的“推動力”。磁動勢的國際制單位為安(A)。 磁動勢 磁場的強弱用磁場強度H表示。對于粗細(xì)均勻的磁路來說，若磁路的平均長度(即磁路中心線的長度)為l，則 即，磁場強度是磁力線路徑每單位長度的磁動勢。在國際單位制中H的單位是安/米( ) 磁場強度 磁導(dǎo)率與磁場強度的乘積稱為磁感應(yīng)強度B，即 在相同的磁場強度的情況下，物質(zhì)的磁導(dǎo)率越高，整體的磁場效應(yīng)將越強，由前述可知，磁場強度H是正比于電流I的，因此，磁感應(yīng)強度(磁通密度)B既體現(xiàn)勵磁電流大小，又體現(xiàn)磁

9、性材料性質(zhì)的一個反映整體磁場強弱的物理量。 磁感應(yīng)強度磁路的基本定律 (1) 磁路的歐姆定律 磁動勢是磁路中產(chǎn)生磁通的根源。當(dāng)磁路中有磁 動勢存在時，便有磁通通過，其大小為 當(dāng)磁通通過由某種磁性材料組成的磁路時，將受到該材料對磁通的阻礙作用。如用磁阻 來表示這一阻礙，上式可以寫成 安培環(huán)路定律 如圖：磁路里的磁通經(jīng)過變換可以寫成 稱為安培環(huán)路定理。式中H1l1 ，H2l 2和H3l3稱為磁路各段的磁壓降。上式說明，磁路中任一個閉合路徑上的磁壓降的代數(shù)和等于總磁動勢。此式與電路中的基爾霍夫電壓定律相似，故又稱為磁路的基爾霍夫定律。2.3 電磁場原理 當(dāng)電荷和電流隨時間變化時，在周圍空間會發(fā)現(xiàn)變化

10、的電場和磁場，并且電場和磁場間存在著不可分割的聯(lián)系，形成統(tǒng)一的電磁場。在靜電場中，電場是由電荷引起的，這個電場是符合守恒性的。但是，在時變場中，當(dāng)場量隨時間變化時，不僅電荷產(chǎn)生電場，而且磁場的變化也會產(chǎn)生電場。后者便是普通物理學(xué)中已經(jīng)討論過的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 按照法拉第電磁感應(yīng)定律，設(shè)有導(dǎo)線構(gòu)成的閉合回路l，當(dāng)穿過以這個回路為周界的曲面的磁通 隨時間變化時，在回路中將引起感應(yīng)電動勢 如圖所示： 當(dāng)回路運動時，還應(yīng)加上回路切割磁場產(chǎn)生的電動勢 則回路中的總感應(yīng)電動勢為 通過上式可見，出現(xiàn)感應(yīng)電動勢 是時變電磁場本身屬性的一種表現(xiàn)，它的大小與回路l 的導(dǎo)電性能無關(guān)。又因?qū)﹂]合回路而言，其感應(yīng)電動勢等

11、于感應(yīng)電場沿回路的線積分。 故得 上式說明，時變電磁場的電場強度不符合守恒性，因為除了電荷引起的電場外還有電磁感應(yīng)引起的電場，而后者是不符合守恒性的?？梢姡瑫r變電磁場的電場是和其磁場的變化密切聯(lián)系的。 在時變場情況下的電流連續(xù)性原理，要由更為普遍的規(guī)律電荷守恒定律導(dǎo)出。 這里 表示電流密度， 項具有電流密度的量綱，并和 處于相同的地位，稱為位移電流密度。以 表之，則 稱為全電流密度。上式表示由任何閉合曲面流出的全電流恒等于零，也叫全電流連續(xù)性原理。將恒定磁場中安培環(huán)路定律表達(dá)式的右方換成全電流。 該式稱為時變電磁場的安培環(huán)路定律，又叫全電流定律。它說明不但傳導(dǎo)電流引起磁場，位移電流(即電場的變

12、化)也引起磁場。時變電磁場的磁場，是與電場的變化密切聯(lián)系的。 麥克斯韋通過時變電磁場的基本方程，即 安培環(huán)路定律： 法拉第定律： 高斯定律： 高斯定律： 將它們化為對應(yīng)的微分形式，并加上考慮媒介電磁性能的方程，便得到 全電流定律： 電磁感應(yīng)定律： 電通量定律： 磁通量定律： 7個公式，全面表達(dá)了時變電磁場的基本規(guī)律，稱為電磁場的完整方程組，也叫麥克斯韋方程組。 2.4 電磁兼容的單位及換算 2.4.1 電磁干擾場強的基本單位 高頻、微波電磁干擾場強有3種基本單位：電場強度V/m、磁場強度 和功率通量密度 。 在一般情況下，V/m、A/m和mV/cm之間不能相互換算。只有在被測場為平面波情況下，

13、三者間才能相互換算。否則，只能“等效換算”。 場強儀測得的功率通量密度值是矢量模的時間平均值，即代表電磁場的強度。它的單位W/m2和電場強度單位V/m、磁場強度單位A/m同為電磁干擾場強的基本單位。它們的地位是等同的。 2.4.2 電磁干擾場強的分貝制單位 在電磁干擾場強的測試中，往往會遇到量值相差非常懸殊(甚至達(dá)千百萬倍的信號)。為了便于表達(dá)、敘述和運算(變乘除為加減)，常采用對數(shù)單位分貝(dB) 。分貝表示兩個參量的倍率關(guān)系，通常用來表示變化范圍很大的數(shù)值關(guān)系。 兩個功率電平比值的分貝(dB)為： 其中， 為某一功率電平； 為比較的基準(zhǔn)功率電平。 上式中以 P2=1w作為參考基準(zhǔn)功率， 的

14、分貝值就用 表示，稱為微瓦分貝。 、 、 和W的換算關(guān)系表示為 還可以nW和pW作為參考基準(zhǔn)功率，分別用dBn(納瓦分貝)和dBp(皮瓦分貝)表示。 下表說明這些單位的定義分貝制單位在電磁干擾場強計量測試中的用法有如下3種： (1)表示信號傳輸系統(tǒng)中任意兩點間功率(或電壓)的相對大小，或空間某兩點電磁干擾場強的相對大小。 (2)在指定參考電平(電壓或電場強度)時，可用分貝表示電壓或電場強度的絕對值。此參考電平通稱為零電平。 (3)用分貝表示電壓或場強的誤差大小。2.4.3 分貝單位在實際工程中的應(yīng)用假設(shè)一個設(shè)備在進行輻射發(fā)射試驗時發(fā)現(xiàn)在某個頻率上有超標(biāo)發(fā)射。經(jīng)過分析，認(rèn)為有5個地方可能是泄漏源。假設(shè)5個可能的泄漏源的泄漏強度是相同的。則將15個泄漏源去掉后，輻射改善為：去掉1個泄漏源：輻射改善=20lg1/(4/5)=1.9dB去掉2個泄漏源：輻射改善=20lg1/(3/5)=4.4dB去掉3個泄漏源：輻射改善=20lg1/(2/5)=7.9dB去掉4個泄漏源：輻射改善=20lg1/(1/5)=13.9dB去掉5個泄漏源：輻射改善=20lg1/(0/5)=dB 當(dāng)然，去掉5個干擾源時，輻