电磁干扰源及耦合分析

B 机壳 A
连接电缆
Ig
Ui
设备2
J RX
E
F 机壳 G
H
共用接地阻抗产生的电磁干扰
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。
电阻性干扰的等效电路
几种典型传输线的特性阻抗
• 平行双导线
d
d
Zc 120 ln r 276 log r
• 同轴线
R
R
Zc 60 ln r 138log r
r
d
平行双线传输线
Rr
同轴线
r h
地面上的单导线
• 地平面上方的导线
Zc
60 ln
2h r
138log
2h r
共模干扰与差模干扰
• 共模干扰（common-mode interference）
低频传输线路模型—— 集总参数电路模型
低频电路条件
模拟电路： l
数字电路： l ，—v—t传输v 速度 —— 脉冲宽度t
低频电路的等效模型—— 集总参数电路模型
ZS US ~
信号源
Rl/2
Rl/2
Cl
ZL
Rl/2
Rl/2
传输线路 负载
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
热噪声
电气化铁路
非功能性
输电线
点火系统
开关系统
工业、 医疗设备
电视 雷达 导航
办公设备 家用电器
源
雷电放电
移动通信 电动机
海上导航 电晕放电
直流电源 开关电路 电源开关
设备
常见干扰源的频谱范围
频谱
源
几赫兹～几百兆赫兹
电视
频谱
30MHz～3GHz
30MHz～3GHz 10KHz～400KHz 10KHz～10GHz 0.1MHz～10MHz 100KHz～30MHz
导体2完全屏蔽
则 C12 0, C2G 0,U N US —— 屏蔽体为等位体。
S
故
UN
US
C1S C1S CSG
U1
比较
UN
C12 C12 C2G
U1
1
2
C1S C2S
U1 ~
C1G
US
R UN CSG
若屏蔽体接地，则
UN US 0
结论：屏蔽体必须接地。
1
S
C1S
U1 ~
C1G CSG US
I1
I1 #1
两导线上的干扰电流振幅相差很小，且相位相同。 I2=I1 ~ Ud I2
• 差模干扰（differential-mode interference）
#2 ~ Uc
两导线上的干扰电流振幅相等，但相位相反。
共模干扰与差模干扰
• 对地电压与线间电压
• 对地电压：UL = U1 + Uc • 线间电压：UM = U2 + Ud
) Z
k
)
U
02
Z11Z k
Z11Z k Z 21 ( Z11
Zk
)
U 02
流经 Zk 的干扰电流
I Sk
U Sk Zk
Z11Z k
Z11 Z 21 (
Z11
Z
k
)
U
02
流经回路1中Z11 的干扰电流
IS1
U Sk Z11
Z11Z k
Zk Z 21 ( Z11
Zk
) U02
U01 ~
I1 Zk
讨论：
为几十兆赫兹至几百兆赫兹，甚至更宽。 一般由上升时间和下降时间很短的窄脉冲形成
脉冲周期 脉冲幅度
时间
脉冲频谱包络
脉冲宽度
载波频率
频率
（a）时域表示
（b）频域表示
雷达脉冲及频谱
幅度或电平
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
波形
决定电磁干扰频谱宽度的一个重要因素
• 导线的阻抗特性
• 电阻
RAC
r
2
RDC
πf
2
rRDC
l 2r
π
f
• 感抗： jX L jL
l —— 导线长度
r —— 导线半径
—— 趋肤深度 —— 电导率 —— 磁导率
内自感：
LiDC
0
8π
l
50 l
nH,
LiAC
2
r
LiDC
l 4π r
π
1 f
外自感：
Lo
0l
2π
[ln(2l ) r
C12 C12 C2G
U1
10 3
V
耦合系数： 20log(UN /U, 1 ) 则：（1）－90dB；（2）－9.5dB。
电容性耦合的抑制
针对干扰源和被干扰对象
• 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。
1
3
2
4
实现一点接触
2.4 电容性耦合
电容性耦合的干扰电压
C12 U1 ~
C1G R22 UN
C2G
C12
U1 ~
R22
C1G C2G
UN
电容性耦合模型
电容性耦合等效电路
干扰电压：
UN
1
jC12 R22 jR(C12
C2G
)
U1
耦合电压公式的简化
UN
1
jC12 R22 jR(C12
C2G
频谱宽度 电磁干扰能量的频率分布特性
根据干扰的频谱宽度，可分为：
• 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。
如调幅（AM）、调频（FM）、基本电源输出及谐波等。 • 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
)
U1
低阻（或低频）
R22 1 / [(C12 C2G )]
高阻（或高频）
R22 1 / [(C12 C2G )]
U N jC12R22U1
UN
C12 C12 C2G
U1
电容性耦合的频率特性
UN
UN
C12 (C12 C2G
)
U1
U N C12 RU1
1
R(C12 Cபைடு நூலகம்G )
【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。
【解】
C12
π 0l
ln(d r)
10pF
C2G
2π 0l
ln(2h r)
20pF
2πf 2π 107
XC
1
(C12 C2G )
1 2π 107 (10 20) 1012
1 104 Ω 6π
(1) R 50 X C U N jC12RU1 j0.314mV
(2)
R 106 XC U N
微波炉
300MHz～3GHz
荧光灯 广播
0.1MHz～3MHz 150KHz～100MHz
无线电定位
1GHz～100GHz
空间导航卫星 1GHz～300GHz
100KHz～300MHz
工、科、医用 30MHz～300MHz 高频设备
电磁干扰源的特性分析
• 频谱宽度 • 幅度 • 波形 • 出现率 • 方向性 • 极化特性
实例：
1 34
2
屏蔽对电容性耦合的影响
1 C1S S 2
C2S C12
US
R UN CSG
U1 ~ C1G
C2G
C12 S
1
2
C1S C2S
U1 ~
C1G US
R UN
CSG C2G
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
2.1 电磁干扰源及其特性分析 2.2 电磁干扰的传播及其特性分析 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
2.1 电磁干扰源及其特性分析 电磁干扰源的分类
大气干扰
雷电干扰
宇宙干扰
自然 干扰源
无线通信
无线电广播
电磁 干扰源
功能性
人为 干扰源
U01 ~
I1 Zk
Z21 I2
Z11 ~ U02
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
U02 在耦合阻抗 Zk 产生的干扰电压降
U Sk
Z
Z11Zk /(Z11 Zk 21 Z11Zk /(Z11
在500Hz时，约为300μΩ
忽略导线阻抗和电源内阻，且
Zc Zl
接地阻抗上的电流
V 115
Ig
Zl
13.2
8.7A
50Hz时
Vi1 Ig Zc 8.7 108 940 μV
10次谐波，500Hz 时 Vi2 I g Zc 8.7 0.02 300 52 μV
电阻性干扰的抑制
(1) Zk
U Sk
Z11U 02 Z11 Z21
,
I Sk
0
IS1
U 02 Z11 Z21
（直接耦合）
Z21 I2
U01 ~
I1
(2) Zk 0
USk 0,
I Sk
U02 , Z 21
IS1 0
Z21
两个回路一点接触，彼此不再互相干扰。
I2
Z11
~
U02
Z11
~
U02
电路性干扰的计算实例：
针对减小耦合电容
• 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。
平衡措施
屏蔽措施
C13
1
3
C23
原理： Z1
Z2 C14
Z1
Z2
~
C24
2
4
~
U1
平衡条件： C13 : C23 C14 : C24
0.5 副瓣
20.5
0.5
频
率 半功率点 频 率
典型的功率方向图
2.2 电磁干扰的传播及其特性分析 电磁干扰的传播途径
a、传导耦合
b、辐射耦合
电磁干扰的传播途径
a、传导耦合
a1、电阻性耦合 a2、电容性耦合 a3、电感性耦合
b、辐射耦合
b1、近场感应耦合 b2、远场辐射耦合
b11、电感应 b12、磁感应
传导耦合的传输线路性质
• 传导耦合
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。
• 传输线路的等效电路模型
根据工作频率与线长 的关系l划分为：
• 低频传输线路模型 • 高频传输线路模型
1]
• 阻抗： Z R jL
• 电阻性干扰的抑制方法
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。
d、电气隔离。
• 强弱电隔离 • 继电器 • 变压器 • 光电耦合
U1 ~
U1：原对地电压
U2：原信号电压 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
~ U2 ~ U1
#1 #2
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。
传输线形式 分布参数
分布电容C
分布电感L
分布电导G
分布电阻R
同轴线
2
ln(D / d ) ln D 2 d
2
ln(D / d )
Rs ( 1 1 )
D d
平行线
ln(2D / d ) ln 2D d
ln(2D / d )
2Rs
d
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
出现率
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
极化特性
取决于天线的极化方式。
水平极化、垂直极化、圆极化等
主瓣轴 1.0
方向性
取决于天线的方向图。
主瓣宽度、副瓣电平、前后比、增益 等
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。
电阻性干扰模型
Zl I1 + I2
I1
RS US
公共 电源
公共线 路阻抗
I2
Zl
电路1 电路2
公共电源内阻及线路阻抗耦合
电路1 I1
电路2 I2
U1
公共地
Zg 线阻抗
U2
I1 + I2
公共地线路阻抗耦合
电阻性干扰实例
设备1
I
~
D
C
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
V 2 (115)2 Zl Pl 1000 13.2Ω
1mm钢板的接地面阻抗Zc : 在50Hz时，约为108μΩ，
高频电路（l～）的等效模型—— 分布参数电路模型
i
R0dx
L0dx
x
u
G0dx
C0dx
分布参数：
R0— 分布电阻 L0— 分布电感 G0— 分布电导 C0— 分布电容
dx
特性参数：
传播常数— (R0 jL0 )(G0 jC0 ) j
特性阻抗— Zc
R0 jL0 G0 jC0
两种典型传输线的分布参数
导体2部分屏蔽
则
C12 0, C2G 0
考虑屏蔽体已接地，即CSG = 0，则
UN
1
j RC12 jR(C12 C2S
C2G ) U1
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！
C12 S
1
2
C1S C2S
U1 ~