第3章干扰耦合机理nppt

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传导耦合•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。•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。第3章干扰耦合机理1.电容性耦合模型图3-1电容性耦合模型第3章干扰耦合机理2221122jc1jRCRUUURXCR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U2式中,当耦合电容比较小时,即ωCR21时,(3-1)式可以简U2=jωCR2U1(3-2)G2L22CG2L21,jRRRXRRC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。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。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(3-3)12N1122Gj1jCRUURCC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第3章干扰耦合机理①如果R为低阻抗,即满足:那么,(3-3)122G1jRCC(3-4)N121jUCRU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C12的方法是屏蔽导体或增加导体间的距离)。若两导体之间距离加大,C12的实际值会减少,从而降低导体2上感应到的电压UN,第3章干扰耦合机理②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)式表示的骚扰电压。122G1jRCC(3-6)12N1122GCUUCC第3章干扰耦合机理2.屏蔽体对电容性耦合的作用图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①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2UN=US(3-9)(3-8)1SS11SSCCUUCC第3章干扰耦合机理实际上,屏蔽体接地,那么电压US＝0,从而UN＝0，导体2通常部分延伸到屏蔽体外,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。②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(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章干扰耦合机理图3-7两电路间的电感性耦合第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,(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S11212IM(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)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,(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(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干扰的区别方法: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。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。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)如果屏蔽体只单点接地或没有接地,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,因此这个屏蔽层对磁场耦合有一定影响。第3章干扰耦合机理3.1.3前面研究电容性耦合及电感性耦合的模型及计算,是假定只有单一类型的干扰耦合,而没有其他类型耦合的情况,但事实上各种耦合途径是同时存在的。当耦合程度较小且只考虑线性电路分量时,电容性耦合(电耦合)和电感性耦合(磁耦合)的电压可以分开计算,然后再找出其综合干扰效应。由前面的分析可知,电容性耦合与电感性耦合的干扰有两点差别:首先,电感性耦合干扰电压是串联于受害电路上,而电容性耦合干扰电压是并联于受害电路上;其次,对于电感性耦合干扰,可用降低受害电路的负载阻抗来改善干扰情况,而对于电容性耦合,其干扰情况与电路负载无关。第3章干扰耦合机理根据第一点差别不难看出,在靠近干扰源的近端和远端,电容耦合的电流方向相同,而电感耦合的电流方向相反。图3-16(a)给出电容耦合和电感耦合同时存在的示意图,设在R2G及R2L上的电容耦合电流分别为IC1及IC2,而电感耦合电流分别为IL1及IL2,显然IL1=－IL2=IL,在靠近干扰源近端R2GU2G=(IC1+IL)R2G(3-30)远端负载R2L上的耦合干扰电压为U2L=(IC2－IL)R2L(3-31)第3章干扰耦合机理由(3-30)和(3-31)式可知,：对于靠近干扰源端(近端)电容性耦合电压与电感性耦合电压相叠加,；对于靠近负载端,或者说远离干扰源端,总干扰电压等于电容性耦合电压减去电感性耦合电压,在进行相减计算时,是以复数形式进行的。第3章干扰耦合机理图3-16电容性耦合与电感性耦合的综合影响第3章干扰耦合机理3.3辐射电磁场是骚扰耦合的另一种方式,除了从骚扰源有意辐射之外,还有无意辐射,例如,有短(小于λ／4)单极天线作用的线路和电缆,或者起小环天线作用的线路和电缆,都可能辐射电场或磁场。辐射耦合的途径主要有:天线―天线,天线―电缆,天线―机壳,电缆—机壳,机壳―机壳,电缆―对于辐射耦合,电磁场理论中近场与远场的概念是十分重要的。第3章干扰耦合机理3.3.1当场源的电流或电荷随时间变化时,就有一部分电磁能量进入周围空间,这种现象称为电磁能量的辐射。研究电磁辐射,最简单的是电偶极子和磁偶极子的辐射。实际天线可近似为许多偶极子的组合,天线所产生的电磁波也就是这些偶极子所产生的电磁波的合成。第3章干扰耦合机理1.电偶极子的电磁辐射电偶极子是指一根载流导线,它的长度Δl与横向尺寸都比电磁波长小得多。图3-22电偶极子辐射源第3章干扰耦合机理由麦克斯韦方程组解得电偶极子周围的电磁场为：(3-46)rθ223r233θ230011sin()cos()sin4π()11cos()sin()cos2π()()111sin()cos()sin()sin4π()()0mmmHHIlHktkrtkrkrkrIlEktkrtkrkrkrIlEktkrtkrtkrkrkrkrE第3章干扰耦合机理式中:ImΔl———电偶极子的电矩(A·m);r———从坐标中心到观察点的距离(m);k———波数,电磁波传播单位长度所引起的相位变化,λ———电磁波的波长,则有k=2π/λ(rad/m)下面按照观察点到电偶极子的距离远近来讨论电偶极子周围电磁场各分量的表达式。第3章干扰耦合机理1)近场区(即在rλ/(2π)的区域内,kr1)由(3-46)式可见,电偶极子产生的场分量主要取决于1/(kr)的高次项,(3-47)rθ2r3θ300sincos4πcossin2πsinsin4π0mmmHHIIHtrIlEtrIlEtrE