第3章干扰耦合机理.

第3章干扰耦合机理第3章干扰耦合机理3.1传导耦合3.2高频耦合3.3辐射耦合习题第3章干扰耦合机理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3章干扰耦合机理电磁骚扰的耦合途径分类公共地阻抗耦合电阻性耦合公共电源内阻耦合传导耦合电容性耦合电感性耦合干扰信号导线对导线辐射耦合天线对天线场对导线电磁干扰耦合模型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导线对导线，天线对天线，场对导线电容性耦合，电感性耦合第3章干扰耦合机理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3章干扰耦合机理3.1传导耦合传导耦合是干扰源与敏感设备之间的主要骚扰耦合途径之一。传导骚扰可以通过电源线、信号线、互连线、接地导体等进行耦合。传导耦合包括通过导体间的电容及互感而形成的干扰耦合。第3章干扰耦合机理3.1.1电容性耦合由于电容实际是由两个导体构成的,因此两根导线就构成了一个电容,我们称这个电容是导线之间的寄生电容。由于这个电容的存在,一个导线中的能量能够耦合到另一个导线上。这种耦合称为电容耦合或电场耦合。图3-1电容性耦合模型第3章干扰耦合机理2221122jc1jRCRUUURXCR1.电容性耦合模型图3-1(a)表示一对平行导线所构成两回路通过线间的电容耦合,其等效电路如图3-1(b)所示。假设电路1为骚扰源电路,电路2为敏感电路,C为导线1与导线2间的分布电容,由等效电路可计算出在回路2上的感应电压为(3-1)第3章干扰耦合机理式中,当耦合电容比较小时,即ωCR21时,(3-1)式可以简化为U2=jωCR2U1(3-2)G2L22CG2L21,jRRRXRRC(3-2)相关参量：工作频率ω、敏感电路对地的电阻R2(一般情况下为阻抗)、分布电容C、骚扰源电压U1。第3章干扰耦合机理另一个电容性耦合模型。该模型是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3-2所示。图3-2地面上两导线间电容性耦合模型第3章干扰耦合机理在图3-2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。导体1是骚扰源，其骚扰源电压为u1,受害电路为电路2。任何直接跨接在骚扰两端的电容,如图3-2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3-2(b)的等效电路,导体2与地之间耦合的骚扰电压UN能够表示为(3-3)12N1122Gj1jCRUURCC第3章干扰耦合机理如果R为低阻抗,即满足:那么,(3-3)式可化简为122G1jRCC(3-4)N121jUCRU第3章干扰耦合机理(3-4)式表明,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。(3-4)式是描述两导体之间电容性耦合的最重要的公式,它清楚地表明了拾取(耦合)的电压依赖于相关参数。假定骚扰源的电压U1和工作频率f不能改变,这样只留下两个减小电容性耦合的参数C12和R。减小耦合电容的方法是屏蔽导体、分隔导体(增加导体间的距离)。若两导体之间距离加大,C12的实际值会减少,因此降低导体2上感应到的电压,若两平行导体间分隔距离为D,且导体直径为d,则(3-5(a))0121πFcosh/mCDd　　　　第3章干扰耦合机理当D/d＞3时,C12可简化为其中,ε0＝8.85×10－12F／m。导体间的距离与电容性干扰之间的关系如图3-3所示。0dB的参考点是取自导体间的距离为导体直径的3倍,而由图中可看出相隔距离超过40倍的导体直径,再增加隔开的距离也无法得到显著的衰减量。(3-5(b))012πFln2/mCDd第3章干扰耦合机理图3-3导体间的间隔对电容性干扰耦合的影响第3章干扰耦合机理如果R为高阻抗,即满足:那么,(3-3)式可简化为(3-6)式表明,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(3-4)式表示的骚扰电压。122G1jRCC(3-6)12N1122GCUUCC第3章干扰耦合机理图3-4给出了电容性耦合骚扰电压UN的频率响应。它是(3-6)式的骚扰电压UN与频率的关系曲线图。正如前面已经分析的那样,(3-6)式给出了最大的骚扰电压UN。图3-4也说明,实际的骚扰电压UN总是小于或等于(3-4)式给出的骚扰电压UN。当频率满足以下关系时:(3-4)式就给出了是实际骚扰电压UN((3-3)式的值)的倍的骚扰电压值。在几乎所有的实际情况中,频率总是小于(3-7)式所表示的频率,(3-4)式表示的骚扰电压UN总是适合的。(3-7)122G1()RCC2第3章干扰耦合机理图3-4电容性骚扰耦合与频率的关系第3章干扰耦合机理表3-1几种典型传输线电容计算公式第3章干扰耦合机理第3章干扰耦合机理表3-2几种导线及传输线间的互感公式第3章干扰耦合机理第3章干扰耦合机理2.屏蔽体对电容性耦合的作用现在考虑导体2有一管状屏蔽体时的电容性耦合,如图3-5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。第3章干扰耦合机理图3-5导体2具有屏蔽体时两导线间电容性耦合模型第3章干扰耦合机理首先考虑导体2对地电阻为无限大的值,导体2完全屏蔽,此时C12、C2G均为零。由图3-5(b)可知,屏蔽体耦合到的骚扰电压US为由于没有耦合电流通过C2S,因此完全屏蔽的导体2所耦合的骚扰电压为UN=US(3-9)(3-8)1SS11SSCCUUCC第3章干扰耦合机理如果屏蔽体接地,那么电压US＝0,从而UN＝0。导体2完全屏蔽,即导体2不延伸到屏蔽体外的情况是理想情况。实际上,导体2通常确实延伸到屏蔽体外,如图3-5(a)所示。此时,C12、C2G均需要考虑。屏蔽体接地,且导体2对地电阻为无限大的值时,导体2上耦合的骚扰电压为(3-10)12S2G1212NUCCCCU第3章干扰耦合机理C12的值取决于导体2延伸到屏蔽体外的那一部分的长度。良好的电场屏蔽必须使导体2延伸到屏蔽体外的那一部分的长度最小,必须提供屏蔽体的良好接地。假定电缆的长度小于一个波长,单点接地就可以实现良好的屏蔽体接地。对于长电缆,多点接地是必须的。最后,我们考虑导体2对地电阻为有限值的情况。根据图3-5(c)的简化等效电路知,导体2上耦合的骚扰电压为(3-11)12N1122G2Sj1jCRUURCCC第3章干扰耦合机理时,(3-11)式可简化为:(3-12)式和(3-4)式的形式完全一样,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。122G2S1j()RCCC(3-12)N121jURCU第3章干扰耦合机理3.1.2电感性耦合当一根导线上的电流发生变化,而引起周围的磁场发生变化时,恰好另一根导线在这个变化的磁场中,则这根导线上就会感应出电动势。于是,一根导线上的信号就耦合进了另一根导线。这种耦合称为电感性耦合或磁耦合。第3章干扰耦合机理1.电感性耦合模型电感性耦合也称为磁耦合,它是由磁场的作用所引起的。当电流I在闭合电路中流动时,该电流就会产生与此电流成正比的磁通量Ф。I与Ф的比例常数称为电感L,由此我们能够写出:Φ=LI(3-13)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。第3章干扰耦合机理当一个电路中的电流在另一个电路中产生磁通时,这两个电路之间就存在互感M12,其定义为(3-14)Φ12表示电路1中的电流I1在电路2产生的磁通量。由法拉第定律可知,磁通密度为B的磁场在面积为S的闭合回路中感应的电压为11212IM(3-15)NdddSUtBS第3章干扰耦合机理其中,B与S是向量,如果闭合回路是静止的,磁通密度随时间作正弦变化且在闭合回路面积上是常数,B与S的夹角为θ,那么(3-15)式可简化为如图3-6所示,S是闭合回路的面积,B是角频率为ω(rad／s)的正弦变化磁通密度的有效值,UN是感应电压的有效值。(3-16)NjcosUBS第3章干扰耦合机理图3-6感应电压取决于回路包围的面积S第3章干扰耦合机理因为BScosθ表示耦合到敏感电路的总磁通量,所以能够把(3-14)式和(3-16)式结合起来,用两电路之间的互感M来表示感应电压UN,即(3-16)式和(3-17)式是描述两电路之间电感性耦合的基本方程。(3-17)1N1djdiUMIMt第3章干扰耦合机理图3-7表示了由(3-17)式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。(3-16)式和(3-17)式中出现的角频率为(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。欲减少B值,可利用加大电路间的距离或将导线绞绕,使绞线产生的磁通密度B能互相抵消掉。至于受干扰电路的面积S,可将导线尽量置于接地面上,使其减至最小;或利用绞线的其中一条为地电流回路,使地电流不经接地平面,以减少回路所围的面积。cosθ的减小则可利用重新安排干扰源与受干扰者的位置来实现。第3章干扰耦合机理图3-7两电路间的电感性耦合第3章干扰耦合机理磁场与电场间的干扰有区别:第一,减小受干扰电路的负载阻抗未必能使磁场干扰的情况改善;而对于电场干扰的情况,减小受干扰电路的负载阻抗可以改善干扰的情况。第二,在磁场干扰中,电感耦合电压串联在被干扰导体中,而在电场干扰中,电容耦合电流并联在导体与地之间。利用这一特点,可以分辨出干扰是电感耦合还是电容耦合。在被干扰导体的一端测量干扰电压,在另一端减小端接阻抗。如果测量的电压减小,则干扰是通过电容耦合的;如果测量的电压增加,则干扰是通过电感耦合的(如图3-8所示)。第3章干扰耦合机理图3-8电容耦合与电感耦合的判别第3章干扰耦合机理2.带有屏蔽体的电感性耦合(1)如果在图3-7的导体2外放置一管状屏蔽体时,如图3-9所示。考察一个屏蔽体是否对电感耦合起作用,只要看屏蔽体的引入是否改变了原来的磁场分布。设屏蔽体是非磁性材料构成的,且只有单点接地或没有接地。由于屏蔽是非磁性材料的,因此它的存在对导体周围的磁通密度没有影响,导体1与导体2的互感M12没有变化。所以导体1在导体2上感应的电压与没有屏蔽时是相同的。第3章干扰耦合机理图3-9导体2带有屏蔽体的电感耦合第3章干扰耦合机理在磁场的作用下,屏蔽体上也会感应出电压,设导体1与屏蔽体间的互感为M1S,则导体1上的电流I1在屏蔽体上感应US=jωM1SI1(3-18)但由于屏蔽体只单点接地或没有接地,因此屏蔽体上没有电流,所以不会产生额外的磁场,因此这个屏蔽层对磁场耦合没有任何影响。如果屏蔽体的两端接地,屏蔽层上会有电流流过,这个电流会产生一个附加的磁场。引起导体2周围磁场的变化,因此对电感耦合有一定影响。第3章干扰耦合机理为了分析这种情况,首先研究屏蔽层与内导体之间的耦合。当一个空心管上有均匀电流IS时,所有的磁场在管子外部,在管子的内部没有磁场。因此,当管子内部有一个导体时,管子上流过的电流产生的磁场同时包围管子和内导体(如图3-10所示)。管子的电感(自感)为