电磁兼容基础08-元件的非理想行为课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,P,1,8.1,非理想行为,8.2,电路元件阻抗的定义方法,8.3,复坡印廷定理,8.4,导线的非理想行为,8.5,电阻的非理想行为,8.6,电容的非理想行为,8.7,电感的非理想行为,8.8,其它元件或设备的非理想行为,第八讲 元件的非理想行为,P,2,8.1,非理想行为,P,2,电路的基本元件包括：电阻、电容、电感及用于互连的导线。,在这里，元件的行为指元件的阻抗随相关因素的变化行为。,元件的阻抗主要受激励的频率和强度两种因素影响。,元件的理想行为：在理想状态下元件所表现出的阻抗特性，这种理想状态通常是元件在额定工作参数（电压、电流、频率）下状态下的特性。,例如：从市场上购买的一个,50,欧姆的电阻，往往隐含着其电阻值在直流或低频范围内为,50,欧姆，但不可以认为在任何情况下其电阻值都是,50,欧姆。,在电磁兼容分析中，由于元件处于较复杂的电磁环境中，电磁骚扰常常具有宽频带的特性，导致元件的工作状态不一定就是理想状态，因此要研究元件的非理想行为。,非理想行为的另一个方面就是要考虑非功能性的寄生参数的影响。,P,3,8.2,电路元件阻抗的定义方法,P,3,1,、电压,-,电流的定义方式,该定义方式用元件两端的电压,U,除以通过的电流,I,，适合于测试。从建模计算的角度，在高频下两个点之间的电压与选取的积分路径有关，因此基于电压的方式来定义阻抗不具有唯一性。,2,、功率,-,电流的定义方式,复功率,P,指该元件所消耗的复功率，其实部,P,r,代表有功功率，来源于元件的各种损耗（欧姆、极化、磁化）；其虚部,P,i,代表无功功率，来源于元件的储能。,功率,-,电流的定义方式避免了电压的不唯一性，可以在高频下使用。,P,4,8.3,复坡印廷定理,P,4,1,、复坡印廷定理,对于闭合曲面,S,所包围的体积区域,V,，穿过,S,进入的电磁功率等于,V,内消耗的有功功率及吸收的无功功率,欧姆损耗 极化损耗 磁化损耗,磁场能量 电场能量,复坡印廷矢量,电导率 复介电常数 复磁导率,复坡印廷定理可用于高频情况下元件消耗的复功率的计算。,P,5,Example 1,P,5,计算一根半径为,a,、长度为,h,、电导率为,的直导线的直流电阻,解 假设电流为,I,直流时均匀分布在导线横截面，故有电流密度,从坡印廷矢量的角度，在导线表面,从导线表面进入的电磁功率,P,6,Example 2,P,6,计算一圆形平板电容器的低频阻抗，极板半径为,a,、间距为,h,、填充介质的介电常数为,。,解 时谐场，用相量形式。在电容器的侧面边界上,位移电流密度,在电容器的侧面边界上，磁场强度,P,7,Example 3,P,7,计算在一半径为,a,、磁导率为,的圆柱形媒质上沿径向密绕的线圈的单位长度的电感，假设单位长度的匝数为,N,。,解 时谐场，用相量形式。在电容器的侧面边界上,P,8,8.4,导线的非理想行为,1,、圆导线模型,P,8,考虑半径为,r,w,，电导率为,的直导线，,以其中轴线为,z,轴，建立圆柱坐标系,(,z,),考虑对称性,J,0,和,N,0,分别为第一、二类零阶贝塞尔函数,假设电流已知，导出系数,c,1,P,9,2,、圆导线的内阻抗,P,9,导线单位长度的内阻抗,导线单位长度直流电阻,8.4,导线的非理想行为,为透入深度,P,10,2,、圆导线的内阻抗,P,10,内阻抗反映的是：,1,）沿导线表面的电压与导线电流的比值；,2,）导线内部电磁能损耗和储存状况,8.4,导线的非理想行为,P,11,3,、两种极限情况,P,11,讨论,1,低频情况,kr,w,1,高频时电阻远大于低频电阻,高频时内电感远小于低频时内电感,高频时内电抗远大于低频时内电抗,8.4,导线的非理想行为,直流时电流均匀分布在横截面，高频时近似只分布在一个透入深度内,P,13,4,、频率的影响,P,13,导线相对内阻抗随导线相对半径的变化,8.4,导线的非理想行为,P,14,5,、电路板印制线,P,14,印制线是一种截面为细长矩形的金属导线，一般蚀刻在印制电路板,(PCB),的介质基底上，构成射频和微波频段的带状线传输系统。,8.4,导线的非理想行为,P,15,5,、电路板印制线,P,15,1),电阻特性,直流及低频时，电流在导线横截面上均匀分布，电阻为,高频时，因集肤效应，电流主要分布在导线表面一个透入深度范围内，电阻为,2),电感特性,由于印制线的截面为厚度极薄的矩形，一般没有计算单位长内自感的解析公式。一般可以采用保角变换法和电磁场数值计算方法（如有限差分法、有限元法和积分方程法等）进行计算。与印制线外自感相比，内自感通常可以忽略不计。,w,为印制线宽度，,t,为印制线厚度,8.4,导线的非理想行为,P,16,Example 4,P,16,Consider the following two conductors,a 0.5,cm,diameter round,conductor and a,1,cm,wide by 0.,2 cm,thick rectangular conductor each,located 1in above a ground plane.,a)What is the cross-sectional area of each conductor?,b)Calculate the dc resistance,the ac resistance at 10 MHz,and the,inductance of the round conductor.,c)Calculate the dc resistance,the ac resistance at 10 MHz,and the,inductance of the rectangular conductor.,d)Compare the results and draw your conclusions with respect to the,characteristics of the two conductors.,接地铜带,P,17,8.5,电阻的非理想特性,P,17,R,电阻值；,C,lead,引线电容；,L,lead,引线电感；,C,leakage,泄漏电容；,C,par,=,C,lead,+,C,leakage,寄生电容,电阻的非理想特性，一方面来源于其自身的电阻值会随外加频率的变化而变化（如趋肤效应），另一方面源于寄生参数的影响。下面主要介绍寄生参数的影响。,P,18,Example 5,P,18,某电阻的阻值为,R,=1000,，两侧引线的半径均为,a,=0.41mm,长度均为,l,=,19mm,两引线相互平行，间距,s,=6.35mm,。假设该电阻的泄漏电容为,C,leakage,=1.2pF,。试给出其阻抗随频率的变化曲线。,P,19,Example 5,P,19,Z,的阻抗的幅值（左图，用,dB,表示）和,Z,的阻抗的相角（右图）,P,20,Example 5,P,20,分段简化等效电路,P,21,Problem 1,P,21,A 1/8-W carbon resistor has the measured Bode plot of the impedance shown in the Figure below.Determine the lead inductance and parasitic capacitance.,(Answer:,L,lead,=12.48 nH,C,para,=5.64 pF),P,22,1,、本身的频变效应,P,22,如右图所示的圆形平板电容器，为简化，,假设分布式电压源,V,s,(,t,),轴对称的分布在极板,边缘，并假设电容器中的场分布仅与径向,坐标,有关。,8.6,电容的非理想行为,P,23,P,23,低频时，,8.6,电容的非理想行为,1,、本身的频变效应,P,24,P,24,8.6,电容的非理想行为,2,、寄生参数的影响,C,电容值；,R,dielectric,泄漏电阻；,C,lead,引线电容；,L,lead,引线电感；,R,plates,极板电阻,一般,R,dielectric,很大可以看成开路；,C,lead,相对,C,很小可以忽略。,因此,P,25,P,25,Example 6,某电容的电容值为,C,=0.1,F,，两侧引线的半径均为,a,=0.41mm,长度均为,l,=,19mm,两引线相互平行，间距,s,=6.35mm,。假设该电容的极板电阻为,R,plates,=1,。试给出其阻抗随频率的变化曲线。,P,26,P,26,Example 6,P,27,P,27,8.7,电感的非理想行为,1,、寄生参数的影响,R,parasitic,寄生电阻；,C,parasitic,寄生电容,一般,而言，,L,lead,相对,L,很小可以忽略，,C,lead,相对,C,parasitic,很小可以忽略。,P,28,P,28,Example 7,某电感的电感值为,L,=100,H,，寄生电阻,R,parasitic,=1,。寄生电容,C,parasitic,=1pF,。试给出其阻抗的频率特性。,P,29,P,29,Example 7,P,30,8.8,其它元件或设备的非理想特性,1,、铁氧体磁环,(ferritors),P,30,Ferrite is a generic term for a class of nonconductive ceramics that consists,of oxides of iron,cobalt,nickel,zinc,magnesium,and some rare earth metals.,Ferrites have one major advantage over ferromagnetic materials,which is high electrical resistivity that results in low eddy-current losses up into the gigahertz frequency range.,铁氧体是一种具有,铁磁性,的金属氧化物。就电特性来说，铁氧体的,电阻率,比金属、合金磁性材料大得多，而且还有较高的介电性能，铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率，特别是高的磁化损耗（磁导率的虚部较大），因此,对高频电磁骚扰具有很好的吸收性能,。,P,31,1,、铁氧体磁环,(ferritors),P,31,8.8,其它元件或设备的非理想特性,P,32,1,、铁氧体磁环,(ferritors),P,32,8.8,其它元件或设备的非理想特性,P,33,2,、,Transformer circuit models,P,33,Transformer circuit models:,(a)low frequency;the right,high frequency.,At high frequencies,the parasitic elements are usually not well controlled and typically highly geometry dependent.Consequently,the high frequency equivalent circuit is not useful for calculations of the devices response.Its main use is in assisting in understanding observed experimental data.,8.8,其它元件或设备的非理想特性,P,34,P,34,8.9,对环形天线和电偶极子天线的测试,1,、环形天线,P,35,P,35,8.9,对环形天线和电偶极子天线的测试,1,、环形天线,P,36,P,36,8.9,对环形天线和电偶