电磁兼容-电磁干扰耦合与传输理论课件

E EMMC-2C-2 电磁环境电磁环境 电磁干扰的耦合途经电磁干扰的耦合途经研究生学位课电磁兼容研究生学位课电磁兼容（2 2）E EMMC-2C-2 主 要 内 容p电磁干扰现象电磁干扰现象p电磁干扰三要素电磁干扰三要素p时域与频域时域与频域p电磁干扰源电磁干扰源p 敏感体及其特性敏感体及其特性n电磁干扰的耦合途经电磁干扰的耦合途经u电磁辐射的基本理论电磁辐射的基本理论u传导耦合的基本理论传导耦合的基本理论n电磁骚扰的抑制策略电磁骚扰的抑制策略E EMMC-2C-2 电磁干扰现象电磁干扰现象数字脉冲电路数字脉冲电路开关电源开关电源数数字字视视频频设设备备220AC电磁噪声（骚扰）电磁噪声（骚扰）：任何：任何可能可能引起设备或系统性能下降的电磁引起设备或系统性能下降的电磁现象现象强调任何可强调任何可能的电磁危害能的电磁危害现象原因。现象原因。电磁干扰电磁干扰：电磁噪声（骚扰）所引起的设备、传输通路或系统性能的下降电磁危电磁噪声（骚扰）所引起的设备、传输通路或系统性能的下降电磁危害现象害现象 强调产生的强调产生的结果结果。雷电等雷电等E EMMC-2C-2 电磁干扰三要素电磁干扰三要素三个要素：三个要素：干扰源、干扰源、耦合路径耦合路径和和敏感源敏感源干扰干扰兼容兼容临界临界E EMMC-2C-2E EMMC-2C-2 常见干扰源常见干扰源无线通信无线通信电磁干扰源：电磁干扰源：5个个，各源的性质不同，各源的性质不同 耦合方法：52 或 4+1（1 11 1）雷电等自然干扰源雷电等自然干扰源脉冲电路脉冲电路 人为干扰人为干扰感性负载通断感性负载通断直流电机、变频调速器直流电机、变频调速器（敏感源敏感源）E EMMC-2C-2 电磁骚扰源的分类非功能性非功能性 干扰源干扰源其他分类：其他分类：根据电磁干扰的耦合途径、性质、方式、频谱宽度、频率范围等进行分类，如：电场干扰、磁场干扰和电磁场干扰；宽带干扰和窄带干扰，传导干扰，辐射干扰等等。E EMMC-2C-2 电磁骚扰（源）的性质n频谱宽度频谱宽度 按照电磁骚扰能量的频率分布特性，可以确定其频谱宽度。连续波 交流声骚扰的频谱宽度最窄，单价脉冲函数的频谱诺宽度最宽。n波形波形n幅度或电平幅度或电平n出现率n辐射骚扰的极化特性n辐射骚扰的方向特性n天线的有效面积 表征敏感设备接收骚扰场强能力的参数，等于传送到匹配负载的平 均功率密度与入射到天线上的电磁波平均功率密度之比。天线有效 面积越大，敏感设备接收电磁骚扰的能力就越强。电磁兼容处理问题电磁兼容处理问题的原则是留有一定的原则是留有一定 量的裕度量的裕度E EMMC-2C-2电磁信电磁信息发射息发射干扰其它电子设备干扰其它电子设备被别有用心的人接收，获取信息被别有用心的人接收，获取信息功能性发射干扰特例功能性发射干扰特例E EMMC-2C-2 产生电磁干扰的条件n 突然变化的电压或电流，突然变化的电压或电流，即即 dV/dt 或或dI I/dt t 很大很大频谱宽度大，辐射强频谱宽度大，辐射强/传导抑制（滤波等）传导抑制（滤波等）困难。实际问题中，遇到电压、电流的突然困难。实际问题中，遇到电压、电流的突然变化，需要考变化，需要考 虑潜在的电磁干扰问题虑潜在的电磁干扰问题u 辐射天线或传导导体（载体）辐射天线或传导导体（载体）E EMMC-2C-2 频频 谱谱 分分 析析EMC分析更多是在频域中进行，且不考虑相位因素分析更多是在频域中进行，且不考虑相位因素p 所有的电场兼容标准中对发射的限制范围都是在谱域中所有的电场兼容标准中对发射的限制范围都是在谱域中 规定的规定的p 电磁兼容技术措施与频率关系密切，例如滤波器的截电磁兼容技术措施与频率关系密切，例如滤波器的截 止频率止频率p 电磁兼容分析侧重于干扰在特定频率上的能量分布，电磁兼容分析侧重于干扰在特定频率上的能量分布，时间和相位等关注很少时间和相位等关注很少E EMMC-2C-2 频域分析频域分析 时域波形频谱分量付立叶级数(周期)付立叶变换(非周期)示波器观察频谱分析仪观察E EMMC-2C-2一个正弦波在一个正弦波在5 5次谐波和次谐波和7 7次谐波的影响下怎样发生畸变次谐波的影响下怎样发生畸变。（相对于基波的（相对于基波的24%24%和和9%9%）。）。7th harmonic5th harmonicfundamentalharmonicsdistorted wavefundamental 基波和谐波 引起的失真波形 E EMMC-2C-2E EMMC-2C-2谱密度谱密度频率很低时频率很低时频率较低时频率较低时 高频时高频时简化：不考虑相位，简化：不考虑相位，E EMMC-2C-2 脉冲信号的频谱脉冲信号的频谱d 谐波幅度（电压）trV1/tr频率（对数）频率（对数）两个转折点两个转折点 一个转折点一个转折点E EMMC-2C-2 信号的频谱信号的频谱p 脉冲波形有较宽的频率带宽脉冲波形有较宽的频率带宽p 频率幅度在低频段较高，在低频段较低，下降的速度与脉冲边沿与陡度频率幅度在低频段较高，在低频段较低，下降的速度与脉冲边沿与陡度 有关，越陡，下降越慢有关，越陡，下降越慢p 电磁兼容的角度，希望频谱带要窄，因为，高频时电磁兼容的角度，希望频谱带要窄，因为，高频时 串扰和辐射强串扰和辐射强，E EMMC-2C-2E EMMC-2C-2自自然然环环境境因因素素一一般般电电磁磁环环境境构构成成因因素素人人为为环环境境因因素素 雷电电磁辐射源雷电电磁辐射源。静电电磁辐射源。静电电磁辐射源。太阳系和星际电磁辐射源。太阳系和星际电磁辐射源。地球和大气层电磁场等。地球和大气层电磁场等。各各种种电电磁磁发发射射系系统统：电电视视、广广播播发发射射台台，无无线线电电台台、站站，导导航航系系统统，通通信信系系统统，差差转转台台，干干扰扰台台，微微波波接接力站等。力站等。工工频频电电磁磁辐辐射射系系统统：高高电电压压送送、变变电电系系统统，大大电电流流工工频设备，轻轨和干线电气化铁道等。频设备，轻轨和干线电气化铁道等。工工业业、科科学学、医医疗疗、商商业业领领域域应应用用的的有有电电磁磁辐辐射射的的各各种设备或系统种设备或系统。以电火花点燃内燃机为动力的交通工具和机器设备。以电火花点燃内燃机为动力的交通工具和机器设备。各种家用电器、现代化办公设备、电动工具等各种家用电器、现代化办公设备、电动工具等。用用于于军军事事目目的的的的强强电电磁磁脉脉冲冲源源：核核电电磁磁脉脉冲冲及及非非核核电电磁磁脉脉冲冲源源如如电电磁磁脉脉冲冲武武器器、高高功功率率微微波波弹弹和和各各种种电电子子对抗辐射源等对抗辐射源等E EMMC-2C-2 地表面自然磁场的分布E EMMC-2C-2 地表面的自然电场地球表面如果没有电磁场，也会影响各种生物的成长，既所谓的“电磁饥饿电磁饥饿”。n 地球和导体（电离层）组成球形电容器模型地球和导体（电离层）组成球形电容器模型 n 其间有漂移的自由电荷（离子），离子（密度）随着高度而变化（增加），n 电场力线垂直于地球表面，并且使地表面带负电电场力线垂直于地球表面，并且使地表面带负电 E EMMC-2C-2 雷电放电雷电放电 雷电放电的三个阶段：先导阶段，主放电阶段，余解放电阶段E EMMC-2C-2雷电日雷电日在一年中，能听到一声（或以上）雷声的总天数在一年中，能听到一声（或以上）雷声的总天数E EMMC-2C-2n 雷电流的特性雷电流的特性 雷电放电速度很快，雷电流的幅值很大，陡度很高，且其雷电放电速度很快，雷电流的幅值很大，陡度很高，且其电流的大小与土壤电阻率、雷击点的散流电阻有关。电流的大小与土壤电阻率、雷击点的散流电阻有关。n 直雷电的危害直雷电的危害p 直击雷直击雷雷直接击在建筑物和雷直接击在建筑物和 设备上而发生的机械效应和热效应。设备上而发生的机械效应和热效应。p 感应雷感应雷雷电流产生的电磁效应雷电流产生的电磁效应 和静电效应。和静电效应。p 高电位的引入高电位的引入雷电流沿雷电流沿 电气线电气线 路和管道引入建筑物的内部。路和管道引入建筑物的内部。E EMMC-2C-2 非功能性干扰E EMMC-2C-2E EMMC-2C-2 功能性干扰源E EMMC-2C-2寄生额率 E EMMC-2C-2 电磁骚扰的耦合途径电磁骚扰的耦合途径n传导耦合传导耦合：在骚扰源与敏感设备之间存在在骚扰源与敏感设备之间存在有有完整完整的电路连接，电磁骚扰通过连接电的电路连接，电磁骚扰通过连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备。路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备。n辐射耦合：辐射耦合：电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能且按电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能且按电磁场的规律向周围空间发射。电磁场的规律向周围空间发射。n传导耦合传导耦合(+)辐射耦合辐射耦合 例如例如 传输线的辐射/辐射源的传输线响应E EMMC-2C-2 电磁骚扰的耦合途径分类电磁骚扰的耦合途径分类电磁干扰耦合模型电磁干扰耦合模型 C：电容耦合电容耦合 L：电感耦合电感耦合 Z：共阻抗耦合共阻抗耦合 NC：近场耦合：近场耦合 FR：远场辐射：远场辐射E EMMC-2C-2 电磁辐射的基本理论电磁辐射的基本理论 环天线元环天线元 偶极天线元偶极天线元 缝隙天线缝隙天线 n 电磁辐射电磁辐射n 电磁散射电磁散射（二次源，敏感体）n 基本天线结构基本天线结构（等效为磁荷源）等效为磁荷源）E EMMC-2C-2 辐射系统的三个区域n对电流辐射系统，有三个空间尺度n考虑小区域内辐射：n按波长和距离，分成三个区域：v ，近区，各点相位一致，电磁场结构与静电、静磁场相同（似稳场）v ，感应区，过渡区v ，远区，辐射区v源到场点距离 rv电流系统尺度 lv空间电磁波波长 总电 磁场源所激发的电磁场 电磁场相互激发的电磁场 静态电磁场特点场量与 r 2 成反比 电磁波特点 场量只能与 r 成反比E EMMC-2C-2n 电偶极子电流元n 电偶极子电磁场表达式电偶极电磁场表达式E EMMC-2C-2近区场/似稳场n近场区 （无推迟效应）n场表达式n 坡印亭平均值 电磁场 相位差 与电偶极子的静电场和恒定电流元的磁场的表达式相同。尽管电偶极源上的电流是时变的，时变电磁场之间相互激发的波动效应比起电荷和电流直接激发的静态场要小得多。电场与磁场始终保持 90 度相位差，其 Poynting 平均值恒为零，电场能在另半周期等值地转换为磁场能没有能量向外部输运。E EMMC-2C-2 电偶极辐射(远区）场n 同相位，辐射场，TME 波n 波阻抗 n 方向性非均匀球面波辐射电场线图E EMMC-2C-2磁偶极源场表达式磁偶极电流因为电流 闭合，可用闭合电流的线圈线积分计算磁偶极源n 场表达式E EMMC-2C-2 磁偶极辐射（远区）场磁场线分布图n 同相位，辐射场，TME 波n 波阻抗 n 方向性非均匀球面波电偶极子磁偶极子对偶关系E EMMC-2C-2 磁偶极源的近区场磁偶极源的近区场n “稳态场稳态场稳态场稳态场”的结构，的结构，的结构，的结构，n 无能量辐射，无推迟效应无能量辐射，无推迟效应无能量辐射，无推迟效应无能量辐射，无推迟效应n 电场随频率增加而增加减小电场随频率增加而增加减小电场随频率增加而增加减小电场随频率增加而增加减小 E EMMC-2C-2波波 阻阻 抗抗 一般定义一般定义远场远场近场近场同传播方向上，相互垂直电场和磁场之比同传播方向上，相互垂直电场和磁场之比电偶极源电偶极源磁偶极源磁偶极源E EMMC-2C-2 远区场和近区场的波阻抗远区场和近区场的波阻抗波阻抗电场为主电场为主 E 1/r3 H 1/r2磁场为主磁场为主 H 1/r3 E 1/r2远区远区 E 1/r H 1/r（电偶极源）（电偶极源）（磁偶极源）（磁偶极源）到观察点的距离到观察点的距离 DE EMMC-2C-2 源的波阻抗源的波阻抗E EMMC-2C-2 小型实际电路的辐射实际电路的辐射n近区近区n 远区远区导出导出：由电偶极子电场的远区表达式近似推导出由电偶极子电场的远区表达式近似推导出由电偶极子电场的由电偶极子电场的近区近区表达式近似推导出表达式近似推导出由由磁磁偶极子电场的偶极子电场的近区近区表达式近似推导出表达式近似推导出E EMMC-2C-2 辐射场随频率的变化曲线辐射场随频率的变化曲线p l 增加（回路面积大）时，场强增大增加（回路面积大）时，场强增大p 阻抗小（电流大），阻抗小（电流大），场强增大场强增大p 在远区，随频率增加，场强增大在远区，随频率增加，场强增大E EMMC-2C-2 偶极天线的演变和寄生天线辐射同偶极辐射同偶极V单极天线单极天线+-V辐射高于单极辐射高于单极-+-+传输线传输线辐射很小辐射很小-V机箱机箱接地线接地线PCBVG主板主板电缆电缆子板子板笔记本笔记本PCB电缆电缆没接地散热片没接地散热片 无意电压（感应电流阻抗）所致无意电压（感应电流阻抗）所致E EMMC-2C-2E EMMC-2C-2 导体的天线效应导体的天线效应p 叠加叠加(求和求和/积分积分)可得到导线的辐射电磁场分布可得到导线的辐射电磁场分布p 环（回）电路情况下，需设环（回）电路情况下，需设回电流（的相位）相同。回电流（的相位）相同。E EMMC-2C-2 接收天线对发射天线的功率响应接收天线对发射天线的功率响应接收（发射）天线的功率接收（发射）天线的功率接收（发射）天线在发射接收（发射）天线在发射 （接收）天线上的增益（接收）天线上的增益两天线间距离，两天线间距离，发射天线所对应的波长发射天线所对应的波长E EMMC-2C-2 差模电流和共模电流差模电流和共模电流p 同相位（方向），幅值相差很小同相位（方向），幅值相差很小p 共模电流的来源有三种（后述）共模电流的来源有三种（后述）p 共模电流不是电路的工作电流共模电流不是电路的工作电流p 外界因素在电缆上产生的共模电外界因素在电缆上产生的共模电 流本身并不会对电路生产窜扰影流本身并不会对电路生产窜扰影 响。响。外界产生外界产生内部产生内部产生u 相位（方向）相反，幅值相同相位（方向）相反，幅值相同u 差模电流是电路的工作电流差模电流是电路的工作电流u 差模电流的来源有三种差模电流的来源有三种p 外界因素在电缆上产生的差模外界因素在电缆上产生的差模 电流对电路生产电流对电路生产串扰串扰影响。影响。辐射效应？辐射效应？E EMMC-2C-2 场对线的共模和差模的耦合场对线的共模和差模的耦合推导：p 积分回路的面积（有效面积）增大，共模积分回路的面积（有效面积）增大，共模/差模的电压增大差模的电压增大p 外电磁波场在传输线（电缆）上同时产生外电磁波场在传输线（电缆）上同时产生共模和差模电压共模和差模电压p 共模积分回路的部分支路可以是由寄生电容组成共模积分回路的部分支路可以是由寄生电容组成p 短线短线/似稳场的假设似稳场的假设,长线长线/高频情况如何高频情况如何？E EMMC-2C-2 场对高频传输线的耦合当传输线长度降当传输线长度降 时，沿线的电流时，沿线的电流/电压是变化的电压是变化的.必须采用分布参数电路必须采用分布参数电路或电磁场理论。当电磁波照射到高频传轴线时，将引起沿线分布的许多无穷小的电压源或电磁场理论。当电磁波照射到高频传轴线时，将引起沿线分布的许多无穷小的电压源分析方法：分析方法：1）取一小段）取一小段dz，集中参数法求解电流与激励电压的关系，集中参数法求解电流与激励电压的关系 2）激励电压即为外场，积分可得到线上电流与外电场的积分关系）激励电压即为外场，积分可得到线上电流与外电场的积分关系 典型结果见后典型结果见后E EMMC-2C-2平行端线电场在平行端线电场在终端上终端上的电流的电流p 高频时，较明显，更重要的是，高频的感应电流也是高频时，较明显，更重要的是，高频的感应电流也是高频高频的的 因此，要采用高频的抑制方法。因此，要采用高频的抑制方法。高频的电流具有辐射效应。高频的电流具有辐射效应。E EMMC-2C-2平行传输线电场在终端上的电流平行传输线电场在终端上的电流 差别更明显，差别更明显，为什么？为什么？E EMMC-2C-2 电容性耦合电容性耦合(近电场相互作用电场相互作用)p 频率越高频率越高,耦合越明显耦合越明显p 在敏感电路在敏感电路(导体导体2)与地之间并联了一个骚扰电流源与地之间并联了一个骚扰电流源(并联一个电压源并联一个电压源).p E EMMC-2C-2 近地导线间的电容性耦合间距增大，耦合干扰变小，高度增大，间距增大，耦合干扰变小，高度增大，耦合干扰偏小，耦合干扰偏小，但不明显但不明显E EMMC-2C-2 电感性耦合电感性耦合(近磁场耦合磁场耦合)E EMMC-2C-2 电容性与电感性耦合之间的差异电容性与电感性耦合之间的差异p 对于电容性合，在敏感电路对于电容性合，在敏感电路(导体导体2)2)与地之间与地之间并联并联了一个骚了一个骚 扰电流源扰电流源(并联一个电压源并联一个电压源).).p 对于电感性耦合，产生一个与敏感电路对于电感性耦合，产生一个与敏感电路(导体导体2 2串联的骚扰电压串联的骚扰电压 (感应电压感应电压)如何鉴别电容性和电感性耦合干扰？如何鉴别电容性和电感性耦合干扰？E EMMC-2C-2 电容耦合与电感耦合的综合考虑电容耦合与电感耦合的综合考虑电感耦合干扰电压是串联于受害电路上而电容耦电感耦合干扰电压是串联于受害电路上而电容耦 合干扰电压合干扰电压 是是并联并联于受害电路上于受害电路上.在靠近干扰源的近端和远端电容耦合的电在靠近干扰源的近端和远端电容耦合的电流方向相同，而流方向相同，而电感耦台的电流方向相反电感耦台的电流方向相反。作业作业!E EMMC-2C-2p 远端的干扰电压远端的干扰电压p 近端的干扰电压近端的干扰电压E EMMC-2C-2 电路性耦合电路性耦合电路电路1中的骚扰中的骚扰 通过阻抗通过阻抗耦合到电路耦合到电路2中，形成干扰中，形成干扰E EMMC-2C-2 电路耦合的实例p 地线阻抗形成的耦合地线阻抗形成的耦合p 公共电源内阻及公共线路阻抗形成的耦合公共电源内阻及公共线路阻抗形成的耦合p 多回路电路性传导耦合多回路电路性传导耦合E EMMC-2C-2 传输线的短线处理传输线的短线处理根据传输线长度与传输信号频率的关系可把传输线分为根据传输线长度与传输信号频率的关系可把传输线分为 长线和短线，长线和短线应采取不同的方法处理。长线和短线，长线和短线应采取不同的方法处理。n传输线长度小于等于120 的信号波长，n传输延迟时间小于等于14的数字信号脉种上升时向时传缠线亩祝为短线，即 是辐射耦合，还是是辐射耦合，还是 路路耦合？！耦合？！E EMMC-2C-2 转移阻抗耦合转移阻抗耦合E EMMC-2C-2 频域分析频域分析 时域波形频谱分量付立叶级数(周期)付立叶变换(非周期)示波器观察频谱分析仪观察E EMMC-2C-2E EMMC-2C-2E EMMC-2C-2E EMMC-2C-2谱密度谱密度频率很低时频率很低时频率较低时频率较低时 高频时高频时简化：不考虑相位，简化：不考虑相位，E EMMC-2C-2E EMMC-2C-2 脉冲信号的频谱脉冲信号的频谱d 谐波幅度（电压）trV1/tr频率（对数）频率（对数）两个转折点两个转折点 一个转折点一个转折点E EMMC-2C-2 信号的频谱信号的频谱p 脉冲波形有较宽的频率带宽脉冲波形有较宽的频率带宽p 频率幅度在低频段较高，在低频段较低，下降的速度与脉冲边沿与陡度频率幅度在低频段较高，在低频段较低，下降的速度与脉冲边沿与陡度 有关，越陡，下降越慢有关，越陡，下降越慢p 电磁兼容的角度，希望频谱带要窄，因为，高频时电磁兼容的角度，希望频谱带要窄，因为，高频时 串扰和辐射强串扰和辐射强，E EMMC-2C-2 电磁兼容设计策略电磁兼容设计策略E EMMC-2C-2 电磁兼容的工程方法电磁兼容的工程方法 1 测试修改法测试修改法 2 系统设计法系统设计法可采取的措施 电路结构封装 屏蔽 滤波 软件成本成本措施措施 概念 设计 产品 市场阶段E EMMC-2C-2 敏敏 感感 体体n受电磁骚扰影响的电路、设备或系统均称为敏感体电磁敏感性（electromagnetic susceptibility 在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。敏感性高，抗扰性低。敏感性敏感性 骚扰电平骚扰电平 骚扰限值骚扰限值 骚扰裕度骚扰裕度抗扰度限值抗扰度限值敏感体