电磁兼容第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3.1传导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。在音频和低频时,由于电源线、接地导体、电缆的屏蔽层等呈现低阻抗,故电流注入这些导体时易于传播。当噪声传导到其他敏感电路时,就可能产生骚扰作用。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。在近区的感应场区，即：电磁干扰主要是通过传导耦合的途径发生作用的。2r8310cff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。第3章干扰耦合机理2221122jc1jRCRUUURXCR1.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(3-1)第3章干扰耦合机理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)所示受扰电路负载阻抗受扰电路源阻抗干扰源由等效电路可计算出在回路2上的感应电压为2221122jc1jRCRUUURXCRG2L22CG2L21,jRRRXRRC其中：当耦合电容比较小时,即ωCR21时,(3-1)式可以简化为U2=jωCR2U1(3-2)第3章干扰耦合机理从(3-2)式可以看出,电容性耦合引起的感应电压正比于骚扰源的工作频率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。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。U2=jωCR2U1(3-2)22UnIR并联第3章干扰耦合机理一般情况下,骚扰源的工作频率ω、敏感电路对地的电阻R2(一般情况下为阻抗)、骚扰电压U1是预先给定的,所以,抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容C。下面我们继续分析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。第3章干扰耦合机理图3-2地面上两导线间电容性耦合模型原RL1与U1并联，省掉之；原RG2//RL2这里用R代之骚扰源电压(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)122G1jRCC(3-4)N121jUCRUU2=jωCR2U1(3-2)12N1122Gj1jCRUURCC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,(3-5(a))0121πFcosh/mCDd　　　　第3章干扰耦合机理当D/d＞3时,C12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显著衰减区第3章干扰耦合机理如果R为高阻抗,即满足:那么,(3-3)(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(R为低阻抗时)的骚扰电压。122G1jRCC(3-6)12N1122GCUUCCN121jUCRU1221GRCC12N1122Gj1jCRUURCC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2N121jUCRU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2121121122GCUCRUCC区第3章干扰耦合机理表3-1列出了几种典型传输线电容的计算公式。表3-2列出了几种导线及传输线间的互感公式。第3章干扰耦合机理表3-1一个电容板中充入介电常数为ε的物质后电容变大ε倍。介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米。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端头裸露段端头裸露段屏蔽体接地被屏蔽层接地第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(但屏蔽体不接地)，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2UN=US(3-9)(3-8)1SS11SSGCUUCCSCSGC2SC1S12U1UNC1G第3章干扰耦合机理如果屏蔽体接地,且无裸露，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(3-10)12S2G1212NUCCCCU2C2GC121U1UNC1GC2S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(3-11)12N1122G2Sj1jCRUURCCC2C2GC121U1RC1GC2SUN第3章干扰耦合机理当时,(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12N1122G2Sj1jCRUURCCC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。lSNRNRNiiNiNiLmm22线性磁路这里N=1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,(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BSdtdNdtdeSdSB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(匝数N=1)面积上是常数,B与S的夹角为θ,那么(3-15)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BStmsincossin(90)mmdNttdt或理解成U=(jωL)*i=jωΦ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SU2U1屏蔽接地等效电路C2S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,(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NjcosUBS11212IM()NddMiUdtdtΦ1sinmiIt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。第3章干扰耦合机理欲减少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。双绞线表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。双绞线第3章干扰耦合机理图3-7两电路间的电感性耦合图3-7表示了由(3-17)式描述的两电路之间的电感性耦合。1N1djdiUMIMt第3章干扰耦合机理磁场与电场间的干扰有区别: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。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)。N121jURCUNjcosjdiUMIMdtBS