第7章 电磁骚扰耦合

第7章电磁骚扰耦合骚扰源与敏感设备间的耦合途径外界电磁骚扰进入电子设备并干扰其中的敏感电路的途径有：(1)电子设备的接收天线，以及具有天线效应的输入、输出馈线和设备外壳（即开的孔、缝隙是天然的电磁波通道）；(2)经有输电线及其配电线进入电子设备的电源系统，并以传导耦合的方式到达敏感器；(3)上述馈线、机壳和配电线在辐射来自外界或设备本身泄漏的电磁波，并由该设备的天线所接收。第1节共模骚扰和差模骚扰电磁骚扰源对设备的干扰分为共模骚扰和差模骚扰一、共模骚扰共模骚扰表现为出现在每个信号线上的对地骚扰电压相等。共模骚扰由信号线和地线之间的共模噪声电流引起。共模电流本身不会对电路产生影响，只有当共模电流转换为差模电流，才会对电路产生影响。共模电流大小近似相等方向相同共模骚扰的产生VICMICMVICM产生共模电流的原因外界电磁场在所有信号线上感应出等幅同相的电压，该电压产生共模电流电缆两端所接的地电位不同引起地电压差，该电压产生共模电流信号线与地之间存在电位差，该电位差引起共模电流静电感应二、差模骚扰差模骚扰作用时，骚扰电压差动地出现在两个信号线之间，与所加信号相同的方式存在于信号电路中。差模电流和信号电流往返路径一致，很难消除。差模电流大小相等，方向相反产生差模电流的原因外界电磁场在信号线和信号地线之间直接感应出差模电流来自电网中其它设备的干扰电流，如感性负载的通断共模电流转换为差模电流共模和差模电流的测量21212121CCDCDCIIIIIIIIII电流钳工作原理和结构三、共模骚扰和差模骚扰的转换通常由于电路结构的不平衡，共模骚扰电流会转换为差模骚扰电流。21ZZ第2节公共阻抗耦合传导发射是指系统内部的电压或电流通过信号电缆、电源线或地线传输出去而成为其他系统或设备的骚扰源的方式称为传导发射。传导耦合是指骚扰源的电磁能量以电压或电流的形式通过金属导线耦合至敏感设备。该金属导线可以是电源线、地线或信号线。公共阻抗耦合公共阻抗耦合是由于骚扰源与受害者共用一个电路阻抗而产生的。共用电源线时称为共电源阻抗耦合，共用地线时称为共地阻抗耦合。共电源阻抗耦合为电源内阻和电源线阻抗sZRjL当两个或多个电路共用地线时，将产生共地线阻抗耦合。一个电路的电流通过公共地线阻抗在另一个电路上出现干扰电压。共地线阻抗耦合为地线阻抗gZRjL公共阻抗耦合-地线问题电路1电路2地电流1地电流2公共地阻抗V~~~改进1改进2第3节近场耦合近场和远场的分界电偶极子工程应用r3λ或10λ一般天线2D2/λ近场与远场的不同特性波阻抗与源的特性有关在近场区与距离有关，在远场区与距离无关一、近场和远场2r远、近场的波阻抗特性MCICICILILRSRLR2GR2LmVGIGVS二、感性耦合和容性耦合—导线间串扰1、容性耦合容性耦合：导体上的交流电压产生电场，这个电场与临近的导体耦合，并在其上感应出电压。感应电压为：式中，CC是分布电容，Zin是敏感电路的对地阻抗。CC的值与导体之间距离、有效面积以及有无电屏蔽材料有关。容性耦合随导体间的距离增加而减小近似公式incinsVjCZV两根平行导体之间的容性耦合及其等效电路：低频高频1212122)C(1URCjRCjUG1122RUCjU2122112212CCCmXCUUUXXCC精确公式电容性耦合的抑制措施针对干扰源和被干扰对象减小干扰源的电压变化的幅度和速率被干扰对象具有低阻抗和高信噪比两个系统的结构尽量紧凑，在空间上彼此隔开针对减小电容耦合的措施导线尽量短、间隔尽量大、避免平行走线采用电屏蔽采用对称性结构（多芯导线相互绞合），抵消耦合的干扰信号1CAPCAPSNEFEGSNEFERSGSSNEFERSGSjRCVVVjRCRRCCRCRRCC0CAPFECAPNEVV屏蔽层接地屏蔽电缆减小容性耦合对称性结构抑制容性耦合干扰2、感性耦合感性耦合：当一个回路的电流变化时会产生磁场，这个磁场将与临近的导体耦合，在其上感应出电压。感应电压的幅值与回路面积成正比。感应电压为：/NsVMdidt式中，M为互感系数，取决于骚扰源和敏感电路的环路面积、方向、距离以及两者之间有无磁屏蔽。互电感定义与计算定义：自感L＝1/I1，互感M＝12/I11是电流I1在回路1中产生的磁通，12是电流I1在回路2中产生的磁通回路1回路2abaM=（/2）ln[b2/（b2-a2）l]为两根平行导体之间的感性耦合及其等效电路VN＝d12/dt=d(MI1)/dt=MdI1/dt1MUjMI12222SLjMIIRRjL1222SLjMIIRR21MIIL低频高频感性耦合的抑制措施导线尽量短、间隔尽量大、避免平行走线、减小电流回路所围成的面积采用磁屏蔽（使用屏蔽电缆）采用结构平衡措施（双绞线，磁场去耦合）接收双绞线对磁场耦合的影响屏蔽电缆减小感性耦合SHSHSHGGRNEFEFEINDFESHSHSHGGRNEFENEINDNESHRSGSGRLjRRILjRRRVLjRRILjRRRVLLLL屏蔽电缆减小感性耦合屏蔽层两端不接地屏蔽层两端接地—ffsh屏蔽层两端接地—ffshGmILjGmVCj3、感性-容性耦合模型dtdVCGmdtdILGm时域频域感性-容性频域耦合模型计算公式总耦合电容总互电感lCClLLmm00GmFENEFENEGmFENEFEFEGmFENEFENEGmFENENENEVCjRRRRILjRRRVVCjRRRRILjRRRVSLSLGSLSGVRRRVVRR1I,LSmLFENEFENECAPLSmFENEFEINDLSmLFENEFENECAPLSmFENENEINDRRCRRRRRMRRLRRRMRRCRRRRRMRRLRRRMFEFENENE耦合系数•感性耦合和容性耦合的等效电路之间的差异决定了电路的输入阻抗的变化引起的结果是不同的。容性耦合随Zin增加而增大，而感性耦合随Zin增加而减小。•感性耦合对低阻抗电路的影响更大，而容性耦合对高阻抗电路影响更大。结论第4节辐射（远场）耦合辐射耦合：当敏感设备距离骚扰源较远时，骚扰以空间电磁波的形式耦合到敏感设备，这种传输方式称为辐射耦合。一、差模辐射电缆中两根靠近的导线传输差模(去和回)信号电流。辐射场可以耦合到这个系统，并在两根电线之间产生差模干扰；同样，差模电流自身产生辐射场。地参考面(可以是设备外部，也可以是设备的支撑结构)在耦合中不起作用。条件：14l差模电流辐射模型121212122222sin/2222()()22.120.2.sin()22120sin()120jkrjkrjkrssjkjkjkrjkrjkrIdlkEerILkILkEEEeerrILkILkeeeeerrILsEkrILsrAIr差模辐射可以用小型环状天线（周长小于λ/4）来模拟。其辐射电场的大小与环路面积A、电流I（设为正弦波）和距离r有关，其在自由空间中远场的近似预测公式为：sin1)(106.131216rAIfE22120AIEr有反射面存在时，上述预测公式为：162126310()sinEfAIr周长小于λ/4的环天线的最大辐射方向为=90º，所以：162max126310()EfAIr脉冲信号的差模辐射预测1.求脉冲信号的傅里叶级数2.n次谐波电流幅值的确定方法当信号上升沿时间tr等于下降沿时间时，d为信号的占空比，T为周期3.求脉冲信号产生的辐射TtnTtndndnIdIrrn//sinsin2脉冲信号差模辐射频谱包络差模辐射分析1.差模辐射与电流环路面积成正比；2.当信号电流不变时，差模辐射随频率以40dB/10倍频的速度增加；3.当电流改变时，如考虑电流谐波，则当频率小于1/tr时，差模辐射随频率以20dB/10倍频的速度增加，当频率超过该点时，差模辐射保持不变；4.信号上升沿时间对差模辐射的影响很大；5.差模辐射与信号电流的大小成正比。控制差模辐射的方法减小差模电流的大小；减小电流信号的频率或电流的谐波分量；减小环路面积；利用去耦电容减小环路面积对于数字信号，尽量增大信号的上升沿时间。0+10+20+30+40+50+60+70+116.936.739.336.513.435.639.337.4326.437.739.23519.436.939.336.3530.738.538.93327.337.939.234.7733.43938.430.131.238.638.832.6935.339.337.625.433.83938.329.5例：在r=3m距离处预测上升沿时间tr=4nS的一个时钟信号产生的辐射发射。时钟信号频率f=6MHz，在一个面积为A=10cm2的环路上传输，电流的幅值假设为I=35mA，求其最大辐射场强Emax？TtnTtndndnIdIrrn//sinsin2162max126310()EfAIr二、共模辐射•共模电流可以由外部电磁场耦合到由电缆、地参考面和设备与地连接的各种阻抗形成的回路中，然后引起共模辐射。•共模电流也可以由地参考点和电缆之间的噪声电压引起，然后产生辐射发射。电缆的共模辐射共模辐射可以用电短（长度小于/4）单极天线来模拟。其辐射电场的大小与单极天线长度l、共模电流I和距离r有关，其近似预测公式为：sin1)(1047rfIlE60sinCIlEr适用条件：14l脉冲信号共模辐射频谱包络差模电流与共模电流的关系fAlIIcd61048Id与Ic分别为产生相同的辐射场所需要的共模电流和差模电流。单极天线的最大辐射方向为=90º，所以：rfIlE1)(106.127max共模辐射需考虑的频率范围——取决于信号上升沿时间；共模辐射比差模辐射更难控制；共模辐射决定着产品的整体发射性能；减小共模辐射的主要方法是减小共模电流；大多数减小差模辐射的方法也适用于减小共模辐射。控制共模辐射的方法减小地电压的大小提供足够大的共模阻抗与电缆串联——共模扼流圈分流共模电流使用屏蔽电缆三、辐射功率已知的点源30rmsPEr60mPErsVLV适用条件：电小尺寸，忽略分布电感和分布电容LRSRXYZES+inlsHj0itninnclsEjIlsHjV0itclsEj辐射耦合模型+-