第五章 电磁耦合的工程分析方法

发射机谐波次数
低于30 MHz
30 MHz~300 MHz 大于300 MHz
2
一Biblioteka Baidul
一54
—55--
3
一53
—68
一64
4
—62
—78
—70
5
—69
—86
一75
6
—74
—92
— 79
7
—79
—97
—82
8
—83
—102
—85
9
— 87
—106
—88
10
—90
—110
—90
谐波辐射信号的功率频谱特性
5.电磁耦合的工程分析方法
5.1 天线对天线的干扰分析 5.1.1无线电发射机的辐射特性 5.1.2 无线电接收机的敏感特性 5.1.3天线的辐射特性 5.1.4 飞机机载天线相互干扰的分析
5.2 导线对导线的耦合分析 5.2.1 导线在回路中的连接形式 5.2.2 导线与导线感应耦合的一般原理 5.2.3 高频线问耦合分析 5.2.4 传输线信号反射定性分析
定向辐射天线的立体方向图
由于立体图形画起来困难，常用两个平面的图形来表征
平面方向图
• 平面方向图可以用直角坐标也可以用极坐标描绘。可以把 归一化场强值换算成分贝数，用分贝数所绘成的方向图称 为分贝方向图
• 天线的主平面方向图都是呈花瓣形状，故有时称波瓣图。 最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其余方向的波瓣称为旁瓣 或副瓣，位于主瓣正后方的波端称后瓣。
表5-3 按统计数据得到的发射机谐 波常数
基波频率
低于30 MHz 30~300 MHz 大于300 MHz 任何频率
A
一70 一80 一60 一70
B
一20 一30 一40 一30
标准偏 差δt
10 15 20 20
谐波信号的功率电平比基波功率电平依次减小，大约 按20 dB的数值递减
发射机各次谐波平均功率相对于基 波平均功率的dB值
据可以获得额定功率 • 固定发射机 :直接用它的额定功率来确定它
的基波辐射功率 • 移动式发射机 :按正态规律统计 • α为置信系数 • δt为标准偏差
统计平均基波辐射功率
• 表5—1某型三台发射 机的输出功率
基波频率 输 出 功 率
1号机
2号机
3号机
234 MHz 313 MHz 391 MHz
谐波调制包络带宽成比例变化
谐波信号调制包络特性的带宽随谐波次数成比例地 增大，即fBn=knfB1
特殊的谐波信号
在谐波辐射信号中还有一种特殊的谐波信号， 它们与发射机基波频率以外的某种频率成 整数倍的关系。这种基波以外的信号频率 如主控振荡器的频率或者时钟频率等。这 种特殊频率的谐波辐射，其功率电平比基 波谐波辐射的功率电平要小得多，因此它 们通常可以忽略不计。
同频道响应敏感度门限
Pr(fro)=FkTfBr (5．7) 式中，F为噪声系数；
T为热力学温度； k为玻尔兹曼常数k=1．38X10-23J／K； fBr为接收机带宽。 通常将式(5．7)表示为分贝值，并且指定温度为 20oC，即T=293。于是得 Pr(fro)=-174 - 10lgfBr+FdB (5．8) 其中，FdB是F的分贝值。
50 dBm 52 dBm 47 dBm
52 dBm 50 dBm 49 dBm
58 dBm 48 dBm 49 dBm
取α＝3，则P＝(50．6＋－0．42)dBm。
基带调制特性
基带调制包络函数M(△f) △f为实际频率与给定的基波频率之间的偏离
值； M(△Bi)为各频段内基带调制特性的常数 △Bi为所在频段的频率宽度； △M为所在频段调制包络函数的斜率。
发射机调 制方式 调幅通讯 和连续 波雷达
调幅话 音
调频
。 脉冲 波
分段数i 频段宽度 常数项
△Bi
M△Bi
O ‘： ． 1．
_2
O．1fB O． 500fB
1fB
O
O 一40
O
1 Hz
一28
1
10.HZ
—28
2
100 Hz O
3
1000 Hz 一1l
O
0.1，B O
1
O.5fB
O
2
fB
’O
O
1／10r O
5.1.2 无线电接收机的敏感特性
• 无线电接收机是用来接收载有特定信息的电磁波 的装置
• 通常把接收机的工作频率设计在对应的发射机的 调谐频率上，使接收机对其他频段的信号的敏感 度很低，基本上不响应。但是实际的接收机敏感 特性不是理想矩形的，因此对各种频率的信号均 有不同程度的响应。那些不希望响应的接收信号 称为无用信号，从电磁兼容的角度来看，接收机 是对发射机发射的所有信号都可能响应的接收设 备。
(c)频率调制发射机的典型特性 (d)脉冲发射机的调制包络特性
5.1.1.2谐波辐射信号功率频谱特性
• 统计方法得到的n次谐波信号的平均功率表 示为 Pt(nf1)=P1+Algn+B (5．5) 式中，P1为基波发射的平均功率； f1为基波频率； n为谐波次数； A，B为给定的常数，它由表5—3列出。
调谐频率附近的干扰信号和需要接收的信号同时被 接收和放大，即使是电平相当小的干扰信号也会 被响应。因此在同频道响应中，按最严重的情况 分析，接收机的敏感度门限值等于接收机的噪声 电平
如果持有该噪声电平的测量数据，可以按正态分布 采用概率统计方法求其平均噪声电平Pr(fro)。如 果没有测量数据，可由噪声功率公式直接计算， 并作为同频道敏感度门限值。
信号，对于其他接收机来说都是潜
工作频段
在的干扰源
无意发射信号
基波信号
谐波信号
图5—2 发射机输出频谱特性
发射机的输出作为干扰源
• 只关注它所产生的电磁能量的时间分布、 空间分布和频谱特性
• 干扰辐射能量的时间分布主要取决于发射 机的工作制式
• 干扰辐射能量的空间分布主要取决于发射 功率和发射天线的方向性
5.3 电磁场对导线耦合的干扰分析 5.3.1 场对线干扰的类型 5.3.2 场对线的感应耦合 5.3.3 高频辐射场对导线的干扰 5.3.4 孔缝泄漏场对导线的感应耦合
5．1 天线对天线的干扰分析
5．1．1无线电发射机的辐射特性
图5—1 调频广播和电视发射的频谱特性
无论发射机产生的有用信号和无用
5.1.3天线的辐射特性
• 天线的方向性函数就是描写天线的辐射作用在空间的相对分布情况的 数学表达式
• 方向图则是相应的图解表示 • 天线的辐射特性根据它的远区场确定 • 场强振幅的方向性函数是以天线为中心，以某一恒定距离为半径的球
面上各点场强振幅随方位θ，φ变化情况的描述，表示为E(θ，φ)。通 常用天线的归一化方向性函数F(θ，φ)来表示： F(θ，φ)=|E(θ,φ)|/|Emax| (5．10) 式中，E(θ，φ)为天线在任意方向上的辐射场强； Emax为天线在最大辐射方向上的辐射场强。 大多数天线的方向性函数为实数，表示为F(θ，φ)。但是，当它为复数 且需要用它来计算其他特性时，应表示为|F(θ，φ)|，以示仅取其模。 • 广义来说，天线的辐射作用分布于整个空间，因而天线的方向图是一 个三维空间的立体图形，
设在△f≤1MHz时,敏感电平S(△f)=0,常数S(△B1)=0,代入式 5.9,则有0=0+A1lg(2MHz/△B1),解得A1=0。在该段内线性化 特性为S(△f)=0。
在1MHz<△f≤2MHz内,△f=2MHz,S(△B2)=0,S(△f)=20dB,所在 频率区段带宽△B2=1MHz代入式5.9,20=0+A2lg(2MHz/1MHz) 解得A2=67。在该段内线性化特性为S(△f)=67lg(△f/△B2)。
1
1/π(τ+△τ) O
2
1/π△τ 201g(1+τ
／dτ)
Ni(dB／+ 倍频程)
O ++ 133 67 ‘
O 一28 7 60
O 333 O O、 20 40
调制包络函数
四种典型发射机基波发射功率频谱 特性曲线
(a)调幅通讯发射机和连续波雷达的典型特性 (b)调幅音频发射机的典型特
四种典型发射机基波发射功率频谱 特性曲线
在2MHz<△f≤4MHz内,△B3=2MHz,当△f3=4MHz时S(△f)=60dB △f2=2MHz时,特性常数项S(△B3)=20dB,代入式(5.9)中， 60=20+A3lg(△f/△B3)，解得A3=133。在该段内线性化特性 为S(△f)=20+133 lg(△f/△B3)。 如果△f=3MHz，代入上式得S(△f)=43dB。
5.1.2.2 邻近频道响应
邻近频道响应是指接收机在对同频道区段以外偏离 调谐频率很多的干扰信号的敏感响应
如若60dB敏感电平对应的接收机带宽为fBx，则它 与同频道带宽fBr之比fBx／fBr≥2．5倍者占90％， fBx／fBr≥4倍者占50％，fBx／fBr≥8倍者占20%
邻近频道干扰会在接收机内产生非线性效应，例如 使有用信号增益降低，发生交调和互调现象等
• 基波辐射信号是最主要的干扰源
5.1.1无线电发射机的辐射特性
5.1.1.1 基波辐射功率频谱特性 5.1.1.2 谐波辐射信号的功率频谱特性 5.1.1.3 其他干扰辐射的功率频谱特性
5.1.1.1基波辐射功率频谱特性
• 主要取决于发射机功能、型号和调制方式 • 查阅产品的技术手册、设计规范和测量数
• 在只有一个主瓣的方向图中，通常用两个主平面中的主瓣 宽度来衡量辐射功率的集中程度。主瓣宽度系指由坐标原 点向主瓣两侧某值处引两条射线的夹角大小。对于用场强 表示的方向图，以最大场强值的0．707倍作为主瓣宽度角 的两侧引线点，对于用功率密度表示的方向图，以最大功 率的一半作为主瓣宽度角的引线点。
接收机可能响应的接收方式
5.1.2.1 同频道响应 5.1.2.2 邻近频道响应 5.1.2.3 带外响应 (可忽略)
5.1.2.1 同频道响应
每台接收机都有自己的调谐频率，在选择性曲线中 心频率f0处接收机响应的信号电平大，当信号电 平下降3 dB时对应的频率宽度称为基频带宽fB1
同频道响应敏感度门限
5.1.1.3其他干扰辐射功率频谱特性
• 非谐波信号和热噪声等干扰信号 • 非谐波输出的频率很难找到与基频的规律性关系，
通常用一定频率区间可能出现的概率来描述。在 距基频f1有一定间隔△f的特定频率区间△B中， 出现非谐波辐射干扰的概率表示为 P=WB/f1 (5．6) 其中，w为随发射机种类而定的常数； B为可能存在非谐波输出的带宽范围； f1为发射机的基波频率。 ‘
邻近频道
• 邻近频道敏感特性可 由中频选择性的分段 线性化函数来近似表 示
• 如以选择性特性相差3 dB，20 dB，60 dB决 定相应的频率偏移△f， 可画出邻近频道敏感 特性
邻近频道敏感特性
式中，S(△f)为用分贝表示的敏感电平； △f为偏离中心频率fr0的区段内频率变量； △Bi为所在频率区段的频率宽度； S(△Bi)为所在频段内的敏感特性的常数； Ai为各频率区段的选择性曲线斜率。
谐波辐射信号的功率频谱特性也采用调制包 络曲来描述。
谐波信号的调制包络特性的形状与基波调制 包络特性相似，按特性形状通常可分为两 类:
1.各次谐波调制包络带宽相等 2.各次谐波调制包络带宽成比例变化
1.各次谐波调制包络带宽相等
各次谐波信号的调制边带所占的带宽都与基波调制 边带的带宽一样，即fBn=fB1，差别仅在于特性 曲线的功率电平随谐波次数增加而依次下降，带 宽不变。
邻近频道敏感特性分析举例
某飞机着陆导航系统雷达接收机调谐中心频率1250MHz,调谐带 宽△fB1=2MHz,中频敏感电平为20dB时,带宽为△fB2=4MHz,当 敏感电平为60dB时中频带宽为△fB3=8MHz,分析敏感特性曲线。
解：由题意知,同频道带宽2MHz,其频率偏移△fl=0.5△fB=1MHz, 敏感电平20dB对应带宽4MHz,其频率偏移△f2=2MHz,60dB对应 的频宽为8MHz,其频率偏移△f3=4MHz。
非谐波干扰举例
一台监视雷达发射机，调谐频率为f1=1310MHz。当发射机在1.5f1至4f1 之间的各频率范围内，常数w取6。当它在小于1.5f1的频率范围内， 常数取18.5。试分析距基频间隔△f=490MHz处，带宽△B=40MHz范 围内可能出现非谐波干扰的概率。 由于带宽为△B的频率区间在(f1+△f)处，由给定数据得 f1+△f=1310+40=l350MHz，它与1.5f1=1965MHz比较得 (f1+△f)<1.5f1，因此w=18.5。 P=WB/f1=18.5×40/1310=0.56
即非谐波干扰出现的概率为0.56。 发射机的噪声干扰一般是很小的，除非额定功率超过1000 w的大功率 发射机。需要分析噪声干扰，对于1000 w以下的发射机，其噪声干扰 可忽略不计。 当需要分析噪声干扰时，可将噪声的平均功率加到基频调制包络特性的 功率值上。对于其他各频率，噪声电平可以用与非谐波辐射相同的方 法来进行描述。