电磁干扰传播和耦合理论
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典型传导耦合的分析 工程上两种典型模式：公共地阻抗耦合、 工程上两种典型模式：公共地阻抗耦合、公共电源耦合 一、公共地阻抗耦合 1、公共地线包括 、 机壳接地线 机框搭接线 金属接地板 接地网络和接地母线等 2、公共地线的不等电位概念 、 地线电阻有毫欧的阻值。低频、高频时都有。 地线电阻有毫欧的阻值。低频、高频时都有。 3、公共地阻抗耦合电路分析 、
电磁干扰传播和耦合理论
结论： 结论： (1)电偶极子中 电场垂直于磁场，电场有E 电偶极子中， (1)电偶极子中，电场垂直于磁场，电场有 r、Eθ，处于子午面 内，而磁场只有Hφ，处于与赤道平面平行的平面内。 而磁场只有 处于与赤道平面平行的平面内。 (2)磁偶极子中 电场垂直于磁场，磁场有H 磁偶极子中， (2)磁偶极子中，电场垂直于磁场，磁场有 r、Hθ，电场只有 Eφ。
特性： 特性： 场矢量的方向。 ①场矢量的方向。电场只有Eθ，磁场只有Hφ分量。电场与磁场 分量。 互相垂直，远区场是TEM波。 互相垂直，远区场是 波 场的相位。 增大而相位滞后， ②场的相位。e-jkr，随r增大而相位滞后，等相位面是 为常数的 增大而相位滞后 等相位面是r为常数的 球面。远区场是球面波。 球面。远区场是球面波。 场的振幅。 成反比 成反比， 和 电长度)成正比 ③场的振幅。与r成反比，与I和Δl/λ(电长度 成正比。 电长度 成正比。 场的方向性。振幅与sinθ成正比，当θ＝900时，振幅最大， 成正比， 振幅最大， ④场的方向性。振幅与 成正比 ＝ 振幅最小。 当θ＝00时，振幅最小。 ＝ 磁偶极子
电磁干扰传播和耦合理论
电磁干扰的传播途径 一、电磁干扰传输的二种方式 1、传导方式 2、辐射方式 二、常见辐射耦合 1、天线对天线耦合 2、场对线的耦合 3、线对线感应耦合
电磁干扰传播和耦合理论
传导耦合的基本理论 三种基本的耦合性质: 电阻性耦合、 三种基本的耦合性质 电阻性耦合、电感性耦合和电容性耦合 一、电阻性耦合 这是最常见最简单的传导耦合方式。 这是最常见最简单的传导耦合方式。例如 可控硅调速装置中较严重的高频干扰通过导线传输给电动机 各种按键开关操作时因触头抖动引起的瞬态干扰 印刷电路板受潮后引起线间绝缘强度降低易发生电干扰等 典型电路图： 典型电路图：
U 0 − U1 I1
Rs =
电磁干扰传播和耦合理论
(2)交流电源内阻抗 (2)交流电源内阻抗
R1、R2为纯电阻
U s − U1 = Z s = R + jX I1 Us −U2 = Z s = R + jX I2
电磁干扰传播和耦合理论
电磁辐射的基本理论 一、电磁辐射的概念 由各种天线发送电磁波。 由各种天线发送电磁波。 1、高频电流发射的电磁波 、
A( r ) ≈ eϕ
根据
H= 1
µ I iS (1 + jkr ) sin θ e − jkr 2 4π r
1 jωε ∇× H
Er = 0, Eϕ = − j
Εθ = 0
µ
∇ × A, E =
kI i S jk 1 η sin θ ( + 2 ]e− jkr 4π r r I iS 1 jk Hr = cos θ ( 3 + 2 ]e − jkr r r 2π I iS 1 jk k 2 − jkr Hθ = sin θ ( 3 + 2 − )e r r r 4π
电偶极子
Er = − j
Hale Waihona Puke Baidu
I i∆l cos θ I i∆l sin θ I i∆l sin θ , Eθ = − j , Ηϕ = 2πωε r 3 4πωε r 3 4π r 2
磁偶极子
I i Skη I iS I iS sin θ , Ηθ = sin θ , Η r = cos θ Eϕ = − j 4π r 2 4π r 3 2π r 3
电磁干扰传播和耦合理论
3、近区场和远区场 、 (1)近区场 近区场－ (1)近区场－感应场 λ 当kr<<1时，即 r << 2π 时，距离r<<λ，称为近区。 时 距离 ，称为近区。
∵ 1 1 1 << << 即e − jkr ≈ e0 = 1 2 3 kr (kr ) (kr ) 1 1 1 ∴ 保留 ， 忽略 和 3 2 （kr） kr （kr）
RL UL = Us Rs + 2 Rt + RL
电磁干扰传播和耦合理论
讨论： 讨论： ρl (1)低频时 低频时， 其中l为导线长度 为导线长度， 为导线截面积 为导线截面积， (1)低频时， Rt = (Ω) ，其中 为导线长度，S为导线截面积，ρ S 为电阻率。 为电阻率。 d 5 1 RAC = RDC i = i µrσ r f ×10−7 (Ω) (2)高频时 高频时， (2)高频时， 4δ 6 d 二、电容性耦合 两个电路中的导体，当它们靠得比较近而且存在电位差时， 两个电路中的导体，当它们靠得比较近而且存在电位差时， 会产生电场耦合，其程度取决于两导体的分布电容C。 会产生电场耦合，其程度取决于两导体的分布电容 。 U1为干扰电压， 为干扰电压， A为干扰源电路 为干扰源电路 B为接收电路 为接收电路
电磁干扰传播和耦合理论
根据球坐标 A = er Ar + eθ Aθ + eϕ Aϕ = er Az cos θ − eθ Az sin θ 而 B = ∇× A
er reθ r sin θ eϕ 1 1 ∂ ∂ ∂ H (r ) = ∇ × A = 2 µ µ r sin θ ∂r ∂θ ∂ϕ Α z cos θ − rAz sin θ 0
∵ 1 1 1 >> >> kr (kr ) 2 (kr )3 1 1 1 ∴ 保留 和e- jkr， 忽略 和 3 kr (kr ) 2 （kr）
电偶极子
Eθ = j
I i∆l I i∆l η sin θ e − jkr , Ηϕ = j sin θ e − jkr 2λ r 2λ r
电磁干扰传播和耦合理论
π I iS I i S ik 2 − jkr η sin θ e − jkr Hθ = − 2 sin θ e , Εϕ = λ r 4π r
电磁干扰传播和耦合理论
结论:①电偶极子的近区场与静态场有相同的性质，称为似稳场 结论: 电偶极子的近区场与静态场有相同的性质， 准静态场) (准静态场)。 * S = E × H = 0 ，即近区场没 电场和磁场有π/2的相位差 的相位差， ②电场和磁场有π/2的相位差，平均 有能量向外辐射，又称束缚场。 有能量向外辐射，又称束缚场。 (2)远区场 远区场－ (2)远区场－辐射场 λ r >> kr>>1时 距离r>> r>>λ 称为远区。 当kr>>1时，即 2π 时，距离r>>λ，称为远区。
三、电感性耦合 当一个回路中流过变化电流时， 当一个回路中流过变化电流时，在它周围的空间就会产生变 化的磁场。 化的磁场。
根据电磁感应原理， 根据电磁感应原理，有：
UN = M dI1 dt
讨论： 越小， 越大，磁场越大，电感耦合越强。 讨论：若R1越小，则I1越大，磁场越大，电感耦合越强。
电磁干扰传播和耦合理论
H r = 0, Hθ = 0
所以
k 2 I i∆l isin θ j 1 Hϕ = [ + ]e − jkr 4π kr (kr ) 2 2k 3 I i∆l icos θ 1 j Er = [ − ]e − jkr 2 3 4πωε (kr ) (kr ) k 3 I i∆l isin θ j 1 j [ + − ]e − jkr Eθ = 2 3 4πωε kr (kr ) (kr )
U2 =
R2 R s R2 R s U 1s = U 1s R2 Rs + R1 R1 R2 + R1 Rs + R2 Rs
电磁干扰传播和耦合理论
b
三、地线阻抗计算和电源内阻测定 1、金属平板地线阻抗计算
2π l l Z g = RACS (1 + tg )i λ b
l
(Ω / 单位表面面积)
t
电磁干扰传播和耦合理论
电磁干扰传播和耦合理论
另一种情况： 另一种情况：
UN =
jωC12 R U1 1 + jω R(C12 + C2G )
R << 1 jω (C12 + C2G )
分析:(1)若 为低阻抗 为低阻抗， 分析:(1)若R为低阻抗，且 :(1) 则
U N ≈ jωC12 RU1 结论： 不变， 结论：若U1和f不变，则减小 和C12可以减小 N，其中C12减 不变 则减小R和 可以减小U 其中 小可采用导体合适的取向、屏蔽导体、 小可采用导体合适的取向、屏蔽导体、增加导体间的 距离等。 距离等。
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2、磁偶极子 、 即直径d远小于 远小于λ(d<<λ)的导电圆环。 即直径 远小于 的导电圆环。
矢量磁位 A(r ) =
µ 4π
Idl − jkR ' µ I ∫l R e dl = 4π
'
∫
e
l
− jk r − r ' '
r−r
dl '
利用Flourier级数展开 级数展开 利用
电磁干扰传播和耦合理论
等效电路： 等效电路：
I1
∆U
I1 =
Us Rs + Z st + RL + Z g
由于 Z st + Rs + RL >> Z g Us ∴ I1 ≈ Rs + Z st + RL
U g = I1 i Z g ≈ Zg Rs + Z st + RL Us
∴
∆U =
Rc 2 Ug Rc1 + Z ct + Rc 2
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二、共电源耦合 发生一个突变，则出现一个干扰电流Δ ， 若I1发生一个突变，则出现一个干扰电流ΔI，在Rs上产生一 上产生一 个干扰电压，导致电源电压变化，传导到电路2中。 个干扰电压，导致电源电压变化，传导到电路 中 令Us=0，等效电路为 ，
Rs Us
U1s为干扰电压，则 为干扰电压，
2、线状地线的阻抗计算 、 l RAC = 高频时， 高频时，电阻 π d δσ 电感 L = 0.2il iln( 4l ) ( µ H ) d 所以总阻抗： 所以总阻抗： Z g = RAC + jω L 3、电源内阻抗测定 计算较复杂，但可采用仪器测量。 计算较复杂，但可采用仪器测量。 (1)直流电源内阻抗 (1)直流电源内阻抗
2、电磁波的分类： 、电磁波的分类： (1)近区感应场 能量在波源和感应场之间空间交换。 近区感应场： (1)近区感应场：能量在波源和感应场之间空间交换。 (2)远区辐射场 (2)远区辐射场
电磁干扰传播和耦合理论
二、辐射场强的分析 一般采用电偶极子和磁偶极子进行近似分析。 一般采用电偶极子和磁偶极子进行近似分析。 1、电偶极子 即长度为Δ ( 即长度为Δl(Δl<<λ)的载流导线。设其横截面积为ΔS。 )的载流导线。设其横截面积为Δ 。
电磁干扰传播和耦合理论
(2)若R为高阻抗，且 (2)若 为高阻抗， 为高阻抗 则
R >> 1 jω (C12 + C2G )
C12 UN ≈ U1 C12 + C2G
结论： 无关， 为低阻抗情况的U 结论：UN与f无关，且大于 为低阻抗情况的 N。 无关 且大于R为低阻抗情况的
电磁干扰传播和耦合理论
电磁干扰传播和耦合理论
电路B中耦合的干扰电压 电路 中耦合的干扰电压U2 中耦合的干扰电压
U2 = R2 jωCR2 U1 = U1 R2 + X c 1 + jωCR2
其中
R2 =
RG 2 RL 2 1 , Xc = RG 2 + RL 2 jωC
当耦合电容较小时，即ωCR2<<1，有 当耦合电容较小时， ， U2≈j ωCR2 U1 分析: 干扰源频率越高，电容耦合越明显， 分析 干扰源频率越高，电容耦合越明显，同时接收电路的阻抗 R2越高 产生电容耦合越大。电容 越小 干扰耦合就越小。 越高,产生电容耦合越大 电容C越小 干扰耦合就越小。 产生电容耦合越大。 越小,干扰耦合就越小 应用:(1) 射频电路中，高频信号线都要加屏蔽； 射频电路中，高频信号线都要加屏蔽； 应用 (2) 射频电路中引线长度尽量缩短。 射频电路中引线长度尽量缩短。
dV = ∆l i∆S 因此 I i∆l i S ie z S = I i∆l ie z 而R = r − r ' ≈ r J (r ' )dV ' =
矢量磁位 A(r ) µ J (r ' ) − jkR ' A(r ) = e dV 4π ∫V R µ I ∆l − jkr = ez i e 4π r
电磁干扰传播和耦合理论
结论： 结论： (1)电偶极子中 电场垂直于磁场，电场有E 电偶极子中， (1)电偶极子中，电场垂直于磁场，电场有 r、Eθ，处于子午面 内，而磁场只有Hφ，处于与赤道平面平行的平面内。 而磁场只有 处于与赤道平面平行的平面内。 (2)磁偶极子中 电场垂直于磁场，磁场有H 磁偶极子中， (2)磁偶极子中，电场垂直于磁场，磁场有 r、Hθ，电场只有 Eφ。
特性： 特性： 场矢量的方向。 ①场矢量的方向。电场只有Eθ，磁场只有Hφ分量。电场与磁场 分量。 互相垂直，远区场是TEM波。 互相垂直，远区场是 波 场的相位。 增大而相位滞后， ②场的相位。e-jkr，随r增大而相位滞后，等相位面是 为常数的 增大而相位滞后 等相位面是r为常数的 球面。远区场是球面波。 球面。远区场是球面波。 场的振幅。 成反比 成反比， 和 电长度)成正比 ③场的振幅。与r成反比，与I和Δl/λ(电长度 成正比。 电长度 成正比。 场的方向性。振幅与sinθ成正比，当θ＝900时，振幅最大， 成正比， 振幅最大， ④场的方向性。振幅与 成正比 ＝ 振幅最小。 当θ＝00时，振幅最小。 ＝ 磁偶极子
电磁干扰传播和耦合理论
电磁干扰的传播途径 一、电磁干扰传输的二种方式 1、传导方式 2、辐射方式 二、常见辐射耦合 1、天线对天线耦合 2、场对线的耦合 3、线对线感应耦合
电磁干扰传播和耦合理论
传导耦合的基本理论 三种基本的耦合性质: 电阻性耦合、 三种基本的耦合性质 电阻性耦合、电感性耦合和电容性耦合 一、电阻性耦合 这是最常见最简单的传导耦合方式。 这是最常见最简单的传导耦合方式。例如 可控硅调速装置中较严重的高频干扰通过导线传输给电动机 各种按键开关操作时因触头抖动引起的瞬态干扰 印刷电路板受潮后引起线间绝缘强度降低易发生电干扰等 典型电路图： 典型电路图：
U 0 − U1 I1
Rs =
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(2)交流电源内阻抗 (2)交流电源内阻抗
R1、R2为纯电阻
U s − U1 = Z s = R + jX I1 Us −U2 = Z s = R + jX I2
电磁干扰传播和耦合理论
电磁辐射的基本理论 一、电磁辐射的概念 由各种天线发送电磁波。 由各种天线发送电磁波。 1、高频电流发射的电磁波 、
A( r ) ≈ eϕ
根据
H= 1
µ I iS (1 + jkr ) sin θ e − jkr 2 4π r
1 jωε ∇× H
Er = 0, Eϕ = − j
Εθ = 0
µ
∇ × A, E =
kI i S jk 1 η sin θ ( + 2 ]e− jkr 4π r r I iS 1 jk Hr = cos θ ( 3 + 2 ]e − jkr r r 2π I iS 1 jk k 2 − jkr Hθ = sin θ ( 3 + 2 − )e r r r 4π
电偶极子
Er = − j
Hale Waihona Puke Baidu
I i∆l cos θ I i∆l sin θ I i∆l sin θ , Eθ = − j , Ηϕ = 2πωε r 3 4πωε r 3 4π r 2
磁偶极子
I i Skη I iS I iS sin θ , Ηθ = sin θ , Η r = cos θ Eϕ = − j 4π r 2 4π r 3 2π r 3
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3、近区场和远区场 、 (1)近区场 近区场－ (1)近区场－感应场 λ 当kr<<1时，即 r << 2π 时，距离r<<λ，称为近区。 时 距离 ，称为近区。
∵ 1 1 1 << << 即e − jkr ≈ e0 = 1 2 3 kr (kr ) (kr ) 1 1 1 ∴ 保留 ， 忽略 和 3 2 （kr） kr （kr）
RL UL = Us Rs + 2 Rt + RL
电磁干扰传播和耦合理论
讨论： 讨论： ρl (1)低频时 低频时， 其中l为导线长度 为导线长度， 为导线截面积 为导线截面积， (1)低频时， Rt = (Ω) ，其中 为导线长度，S为导线截面积，ρ S 为电阻率。 为电阻率。 d 5 1 RAC = RDC i = i µrσ r f ×10−7 (Ω) (2)高频时 高频时， (2)高频时， 4δ 6 d 二、电容性耦合 两个电路中的导体，当它们靠得比较近而且存在电位差时， 两个电路中的导体，当它们靠得比较近而且存在电位差时， 会产生电场耦合，其程度取决于两导体的分布电容C。 会产生电场耦合，其程度取决于两导体的分布电容 。 U1为干扰电压， 为干扰电压， A为干扰源电路 为干扰源电路 B为接收电路 为接收电路
电磁干扰传播和耦合理论
根据球坐标 A = er Ar + eθ Aθ + eϕ Aϕ = er Az cos θ − eθ Az sin θ 而 B = ∇× A
er reθ r sin θ eϕ 1 1 ∂ ∂ ∂ H (r ) = ∇ × A = 2 µ µ r sin θ ∂r ∂θ ∂ϕ Α z cos θ − rAz sin θ 0
∵ 1 1 1 >> >> kr (kr ) 2 (kr )3 1 1 1 ∴ 保留 和e- jkr， 忽略 和 3 kr (kr ) 2 （kr）
电偶极子
Eθ = j
I i∆l I i∆l η sin θ e − jkr , Ηϕ = j sin θ e − jkr 2λ r 2λ r
电磁干扰传播和耦合理论
π I iS I i S ik 2 − jkr η sin θ e − jkr Hθ = − 2 sin θ e , Εϕ = λ r 4π r
电磁干扰传播和耦合理论
结论:①电偶极子的近区场与静态场有相同的性质，称为似稳场 结论: 电偶极子的近区场与静态场有相同的性质， 准静态场) (准静态场)。 * S = E × H = 0 ，即近区场没 电场和磁场有π/2的相位差 的相位差， ②电场和磁场有π/2的相位差，平均 有能量向外辐射，又称束缚场。 有能量向外辐射，又称束缚场。 (2)远区场 远区场－ (2)远区场－辐射场 λ r >> kr>>1时 距离r>> r>>λ 称为远区。 当kr>>1时，即 2π 时，距离r>>λ，称为远区。
三、电感性耦合 当一个回路中流过变化电流时， 当一个回路中流过变化电流时，在它周围的空间就会产生变 化的磁场。 化的磁场。
根据电磁感应原理， 根据电磁感应原理，有：
UN = M dI1 dt
讨论： 越小， 越大，磁场越大，电感耦合越强。 讨论：若R1越小，则I1越大，磁场越大，电感耦合越强。
电磁干扰传播和耦合理论
H r = 0, Hθ = 0
所以
k 2 I i∆l isin θ j 1 Hϕ = [ + ]e − jkr 4π kr (kr ) 2 2k 3 I i∆l icos θ 1 j Er = [ − ]e − jkr 2 3 4πωε (kr ) (kr ) k 3 I i∆l isin θ j 1 j [ + − ]e − jkr Eθ = 2 3 4πωε kr (kr ) (kr )
U2 =
R2 R s R2 R s U 1s = U 1s R2 Rs + R1 R1 R2 + R1 Rs + R2 Rs
电磁干扰传播和耦合理论
b
三、地线阻抗计算和电源内阻测定 1、金属平板地线阻抗计算
2π l l Z g = RACS (1 + tg )i λ b
l
(Ω / 单位表面面积)
t
电磁干扰传播和耦合理论
电磁干扰传播和耦合理论
另一种情况： 另一种情况：
UN =
jωC12 R U1 1 + jω R(C12 + C2G )
R << 1 jω (C12 + C2G )
分析:(1)若 为低阻抗 为低阻抗， 分析:(1)若R为低阻抗，且 :(1) 则
U N ≈ jωC12 RU1 结论： 不变， 结论：若U1和f不变，则减小 和C12可以减小 N，其中C12减 不变 则减小R和 可以减小U 其中 小可采用导体合适的取向、屏蔽导体、 小可采用导体合适的取向、屏蔽导体、增加导体间的 距离等。 距离等。
电磁干扰传播和耦合理论
2、磁偶极子 、 即直径d远小于 远小于λ(d<<λ)的导电圆环。 即直径 远小于 的导电圆环。
矢量磁位 A(r ) =
µ 4π
Idl − jkR ' µ I ∫l R e dl = 4π
'
∫
e
l
− jk r − r ' '
r−r
dl '
利用Flourier级数展开 级数展开 利用
电磁干扰传播和耦合理论
等效电路： 等效电路：
I1
∆U
I1 =
Us Rs + Z st + RL + Z g
由于 Z st + Rs + RL >> Z g Us ∴ I1 ≈ Rs + Z st + RL
U g = I1 i Z g ≈ Zg Rs + Z st + RL Us
∴
∆U =
Rc 2 Ug Rc1 + Z ct + Rc 2
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二、共电源耦合 发生一个突变，则出现一个干扰电流Δ ， 若I1发生一个突变，则出现一个干扰电流ΔI，在Rs上产生一 上产生一 个干扰电压，导致电源电压变化，传导到电路2中。 个干扰电压，导致电源电压变化，传导到电路 中 令Us=0，等效电路为 ，
Rs Us
U1s为干扰电压，则 为干扰电压，
2、线状地线的阻抗计算 、 l RAC = 高频时， 高频时，电阻 π d δσ 电感 L = 0.2il iln( 4l ) ( µ H ) d 所以总阻抗： 所以总阻抗： Z g = RAC + jω L 3、电源内阻抗测定 计算较复杂，但可采用仪器测量。 计算较复杂，但可采用仪器测量。 (1)直流电源内阻抗 (1)直流电源内阻抗
2、电磁波的分类： 、电磁波的分类： (1)近区感应场 能量在波源和感应场之间空间交换。 近区感应场： (1)近区感应场：能量在波源和感应场之间空间交换。 (2)远区辐射场 (2)远区辐射场
电磁干扰传播和耦合理论
二、辐射场强的分析 一般采用电偶极子和磁偶极子进行近似分析。 一般采用电偶极子和磁偶极子进行近似分析。 1、电偶极子 即长度为Δ ( 即长度为Δl(Δl<<λ)的载流导线。设其横截面积为ΔS。 )的载流导线。设其横截面积为Δ 。
电磁干扰传播和耦合理论
(2)若R为高阻抗，且 (2)若 为高阻抗， 为高阻抗 则
R >> 1 jω (C12 + C2G )
C12 UN ≈ U1 C12 + C2G
结论： 无关， 为低阻抗情况的U 结论：UN与f无关，且大于 为低阻抗情况的 N。 无关 且大于R为低阻抗情况的
电磁干扰传播和耦合理论
电磁干扰传播和耦合理论
电路B中耦合的干扰电压 电路 中耦合的干扰电压U2 中耦合的干扰电压
U2 = R2 jωCR2 U1 = U1 R2 + X c 1 + jωCR2
其中
R2 =
RG 2 RL 2 1 , Xc = RG 2 + RL 2 jωC
当耦合电容较小时，即ωCR2<<1，有 当耦合电容较小时， ， U2≈j ωCR2 U1 分析: 干扰源频率越高，电容耦合越明显， 分析 干扰源频率越高，电容耦合越明显，同时接收电路的阻抗 R2越高 产生电容耦合越大。电容 越小 干扰耦合就越小。 越高,产生电容耦合越大 电容C越小 干扰耦合就越小。 产生电容耦合越大。 越小,干扰耦合就越小 应用:(1) 射频电路中，高频信号线都要加屏蔽； 射频电路中，高频信号线都要加屏蔽； 应用 (2) 射频电路中引线长度尽量缩短。 射频电路中引线长度尽量缩短。
dV = ∆l i∆S 因此 I i∆l i S ie z S = I i∆l ie z 而R = r − r ' ≈ r J (r ' )dV ' =
矢量磁位 A(r ) µ J (r ' ) − jkR ' A(r ) = e dV 4π ∫V R µ I ∆l − jkr = ez i e 4π r