第2,3章 电磁干扰源及耦合分析

第2、3章电磁干扰分析2.1电磁干扰源及其特性分析2.3电路性干扰2.4电容性耦合2.5电感性耦合2.6辐射干扰2.7敏感设备及其特性分析2.2电磁干扰的传播及其特性分析第2、3章电磁干扰分析2.1电磁干扰源及其特性分析大气干扰无线电广播无线通信电视雷达点火系统导航输电线电气化铁路工业、医疗设备开关系统家用电器办公设备非功能性功能性人为干扰源雷电干扰宇宙干扰热噪声自然干扰源电磁干扰源电磁干扰源的分类第2、3章电磁干扰分析常见干扰源的频谱范围源频谱源频谱雷电放电几赫兹～几百兆赫兹电视30MHz～3GHz移动通信30MHz～3GHz微波炉300MHz～3GHz电动机10KHz～400KHz荧光灯0.1MHz～3MHz海上导航10KHz～10GHz广播150KHz～100MHz电晕放电0.1MHz～10MHz无线电定位1GHz～100GHz直流电源开关电路100KHz～30MHz空间导航卫星1GHz～300GHz电源开关设备100KHz～300MHz工、科、医用高频设备30MHz～300MHz第2、3章电磁干扰分析•频谱宽度•幅度•波形•出现率•方向性•极化特性电磁干扰源的特性分析第2、3章电磁干扰分析电磁干扰能量的频率分布特性频谱宽度•窄带干扰:是指主要能量频谱落在测量接收机的通带之内。频谱没有覆盖2个以上的10倍频程,带宽一般只有几十赫兹，最宽只有几十万赫兹。•宽带干扰:是指能量频谱相当宽，频谱覆盖2个以上的10倍频程,带宽为几十兆赫兹至几百兆赫兹，甚至更宽。根据干扰的频谱宽度，可分为：如调幅（AM）、调频（FM）、基本电源输出及谐波等。一般由上升时间和下降时间很短的窄脉冲形成第2、3章电磁干扰分析脉冲频谱包络脉冲幅度脉冲周期脉冲宽度时间频率雷达脉冲及频谱（a）时域表示（b）频域表示载波频率第2、3章电磁干扰分析各频段内的干扰功率（或场强）随时间的分布•确定分布：如基波、谐波•随机分布：如冲击噪声、热噪声幅度或电平第2、3章电磁干扰分析决定电磁干扰频谱宽度的一个重要因素波形第2、3章电磁干扰分析电磁干扰随时间出现的规律•周期性：在指定时间内按一定的周期重复出现•非周期性：出现时间是确定的、可预测的，但不具有周期性•随机性：表现特性没有规律，不能预测出现率第2、3章电磁干扰分析取决于天线的极化方式。水平极化、垂直极化、圆极化等取决于天线的方向图。主瓣宽度、副瓣电平、前后比、增益等1.0半功率点主瓣轴0.50.5频率频率副瓣典型的功率方向图0.52方向性极化特性第2、3章电磁干扰分析b、辐射耦合a、传导耦合2.2电磁干扰的传播及其特性分析电磁干扰的传播途径第2、3章电磁干扰分析b、辐射耦合a、传导耦合a2、电容性耦合a3、电感性耦合a1、电阻性耦合b1、近场感应耦合b2、远场辐射耦合b12、磁感应b11、电感应电磁干扰的传播途径第2、3章电磁干扰分析通过导体传输的电磁干扰，主要通过传输线路的电流和电压起作用，传导干扰频谱可延伸到1GHz以上。在不同的频率下，传输线路呈现不同的特性，应采用不同的电路模型和分析方法。根据工作频率与线长的关系划分为：l•低频传输线路模型•高频传输线路模型传导耦合的传输线路性质•传导耦合•传输线路的等效电路模型第2、3章电磁干扰分析低频电路的等效模型——集总参数电路模型低频电路条件模拟电路：l数字电路：，——传输速度——脉冲宽度lvtvtUS—信号源电压ZS—信号源内阻Rl—导线阻抗ZL—负载阻抗Cl—导线寄生电容Rl/2ZSRl/2Rl/2ClZLUS~Rl/2信号源传输线路负载低频传输线路模型——集总参数电路模型第2、3章电磁干扰分析R0—分布电阻L0—分布电感G0—分布电导C0—分布电容分布参数：特性参数：传播常数—特性阻抗—0000()()RjLGjCj0000cRjLZGjCG0dxxC0dxudxL0dxR0dxi高频电路（l～）的等效模型——分布参数电路模型第2、3章电磁干扰分析同轴线平行线分布电容C分布电感L分布电导G分布电阻R传输线形式分布参数)/ln(2dDdDln2)/2ln(dDdD2lndRs2)11(dDRs)/2ln(dD)/ln(2dD同轴线：D－外导体直径，d－内导体直径平行线：D－两导体间距，d－导体直径两种典型传输线的分布参数第2、3章电磁干扰分析120ln276logcddZrr60ln138logcRRZrr2260ln138logchhZrr同轴线Rr平行双线传输线rd地面上的单导线rh几种典型传输线的特性阻抗•平行双导线•同轴线•地平面上方的导线第2、3章电磁干扰分析•共模干扰（common-modeinterference）两导线上的干扰电流振幅相差很小，且相位相同。•差模干扰（differential-modeinterference）两导线上的干扰电流振幅相等，但相位相反。#2I1UcI2~#1I1I2=I1Ud~共模干扰与差模干扰第2、3章电磁干扰分析#2U1U1U2~~#1~UC：由地回路引起的共模干扰电压Ud：由线间回路受干扰引起的差模干扰电压U1：原对地电压U2：原信号电压•对地电压：UL=U1+Uc•线间电压：UM=U2+Ud•对地电压与线间电压共模干扰与差模干扰通常线路上两种干扰分量同时存在。干扰在线路上经过长距离传输后，差模分量衰减要比共模分量大，且共模分量传输时会向周围空间辐射，差模分量不会辐射。因此，大部分电源干扰均由共模分量引起。第2、3章电磁干扰分析2.3电阻性干扰•电阻性干扰：两个回路经公共阻抗而形成的干扰。I1+I2公共电源电路1USRSZlZl电路2公共线路阻抗I1I2公共电源内阻及线路阻抗耦合I1+I2电路1U1Zg公共地线阻抗I1I2公共地线路阻抗耦合电路2U2电阻性干扰模型第2、3章电磁干扰分析A设备1共用接地阻抗产生的电磁干扰机壳Ig~UiRX机壳设备2BCDEFGHIJ连接电缆Ui共用接地阻抗上的地电流形成一共模噪声电压Ui，使回路ABCDEFGHA和回路ABCIJFGHA上流动者噪声电流，此噪声电流会在放大器或逻辑电路输入端产生一电位差，而差电位差即为电磁干扰的来源。电阻性干扰实例第2、3章电磁干扰分析U01Z11ZkI1I2~Z21U02~U02在耦合阻抗Zk产生的干扰电压降1111110202211111112111/()/()()kkkSkkkkkZZZZZZUUUZZZZZZZZZZ流经Zk的干扰电流1102112111()SkSkkkkUZIUZZZZZZU01——回路1的电源U02——回路2的电源Z11——回路1的阻抗Z21——回路2的阻抗Zk——回路1与2的公共耦合阻抗电阻性干扰的等效电路第2、3章电磁干扰分析U01Z11ZkI1I2~Z21U02~讨论：两个回路一点接触，彼此不再互相干扰。流经回路1中Z11的干扰电流10211112111()SkkSkkUZIUZZZZZZU01Z11I1I2~Z21U02~（直接耦合）kZ(1)0kZ(2)0SkI11021121,SkZUUZZ0211121SUIZZ0221,SkUIZ10SI0,SkU第2、3章电磁干扰分析电路性干扰的计算实例：50Hz、115V交流电源的中性地线与负载地线都接于1mm厚钢板上，试计算其接地阻抗上的电流及共模干扰电压。负载的消耗功率为1kW，电源的第10次谐波约为基频的2％。解：负载阻抗Ω2.131000)115(22llPVZ1mm钢板的接地面阻抗Zc:在50Hz时，约为108μΩ，在500Hz时，约为300μΩ忽略导线阻抗和电源内阻，且lcZZA7.82.13115lgZVI接地阻抗上的电流50Hz时18.7108940μVigcVIZ10次谐波，500Hz时28.70.0230052μVigcVIZ第2、3章电磁干扰分析•电阻LjXjL•感抗：frlrRfRrRDCDCACπ22π2内自感：nH,50π80llLiDCfrlLrLiDCiAC1ππ42——导线长度r——导线半径——电导率——磁导率l——趋肤深度]1)2[ln(π20rllLo外自感：电阻性干扰的抑制•导线的阻抗特性•阻抗：LjRZ第2、3章电磁干扰分析a、让两个电流回路或系统彼此无关。信号相互独立，避免电路的连接。b、限制耦合阻抗，越低越好。导线的电阻和电感越低越好。c、电路去耦。各个不同回路之间仅在惟一的一点作电连接，达到电流回路间电路去耦的目的。•强弱电隔离•继电器•变压器•光电耦合d、电气隔离。实现一点接触3241•电阻性干扰的抑制方法第2、3章电磁干扰分析2.4电容性耦合电容性耦合的干扰电压122211221()NGjCRUUjRCC干扰电压：C12U1R22C1GC2G~UN电容性耦合等效电路~R22C2GC1GC12U1UN电容性耦合模型第2、3章电磁干扰分析低阻（或低频）221221/[()]GCRC12221NUjCRU221221/[()]GRCC121122NGCUUCC高阻（或高频）耦合电压公式的简化122211221()NGjCRUUjRCC第2、3章电磁干扰分析NU112RUCUN121122()NGCUUCC1221()GRCC电容性耦合的频率特性第2、3章电磁干扰分析【解】012π10pFln()lCdr022π20pFln(2)GlChr72π2π10f471212211110Ω()2π10(1020)106πCGXCC【例】已知：U1＝10V、f＝10MHz、导线半径r＝1mm、线间距d＝20mm、导线离地高度h＝10mm、线长l＝1m。(1)R＝50Ω；(2)R＝1MΩ。分别求导线2上的干扰电压。121(1)500.314mVCNRXUjCRUj612112210(2)10V3CNGCCRXUUC120log(/)NUU耦合系数：,则：（1）－90dB；（2）－9.5dB。第2、3章电磁干扰分析•干扰源系统的电气参数应使电压变化幅度和变化率尽可能地小；•被干扰系统应尽可能地设计成低阻及高信噪比系统；•系统的结构应尽可能紧凑，且彼此空间上相互隔离。•两个系统的耦合部分的布置应使耦合电容尽量小；例如：增大间距、减少导线长度、避免平行走线等。•采用平衡措施消除电容性干扰；•对干扰源和被干扰对象进行电气屏蔽。电容性耦合的抑制针对干扰源和被干扰对象针对减小耦合电容第2、3章电磁干扰分析平衡措施24142313::CCCC平衡条件：1342实例：U1Z1Z2~屏蔽措施C132C23C24C14Z2143原理：Z1~第2、3章电磁干扰分析C1S：导体1与屏蔽体之间的电容C12：导体1与导体2（未屏蔽部分）之间的电容C2G：导体2（未屏蔽部分）的对地电容C2S：导体2与屏蔽体之间的电容CSG：屏蔽体之间的对地电容2SRC2GUNCSGC2SUSC1GC12U1~C1S1U1RC2GUN~CSGC2SC12C1S12USC1GS屏蔽对电容性耦合的影响第2、3章电磁干扰分析结论：屏蔽体必须接地。111SNSSSGCUUUCC故若屏蔽体接地，则0NSUU1220,0,GNSCCUU则——屏蔽体为等位体。U1US~C1GC1S1CSGS121212UCCUGNC比较U1RUN~CSGC1S1USC1GC2S2S导体2完全屏蔽第2、3章电磁干扰分析考虑屏蔽体已接地，即CSG=0，则12112221()NSGjRCUUjRCCC结论：导体2上的干扰电压取决于外露部分的长度，越短越好！1220,0GCC则U1RUN~C2SC121C1G2C2GU1RC2GUN~C2SC12C1S12USC1GS导体2部分屏蔽第2、3章电磁干扰分析2.5电