第2講電磁騷擾傳輸機理

1、第第2 2講講 電磁騷擾電磁騷擾傳輸機理傳輸機理電磁兼容基礎(chǔ)電磁兼容基礎(chǔ)Agendap電磁騷擾電磁騷擾耦合耦合途徑途徑p電磁輻射理論基礎(chǔ)電磁輻射理論基礎(chǔ)p輻射耦合輻射耦合p傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論p傳導(dǎo)傳導(dǎo)耦合耦合p騷擾源對敏感設(shè)備的騷擾模式騷擾源對敏感設(shè)備的騷擾模式n傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合 傳導(dǎo)傳輸必須在干擾源和敏感器之間有完傳導(dǎo)傳輸必須在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接，干擾信號沿著這個連接電路傳整的電路連接，干擾信號沿著這個連接電路傳遞到敏感器，產(chǎn)生干擾。遞到敏感器，產(chǎn)生干擾。n輻射耦合輻射耦合 輻射傳輸是以電磁波的形式傳播，干擾能輻射傳輸是以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁

2、場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。量按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。1 電磁騷擾耦合途徑電磁騷擾耦合途徑1 電磁騷擾耦合途徑電磁騷擾耦合途徑電阻性直接耦合傳導(dǎo)耦合 公共地阻抗耦合公共電源內(nèi)阻耦合電阻性耦合近場效應(yīng)電感性耦合輻射耦合天線對天線耦合遠(yuǎn)場輻射場對線耦合 電導(dǎo)性直接傳導(dǎo)耦合 電阻性電感性公共阻抗傳導(dǎo)耦合 公共地阻抗耦合共電源耦合轉(zhuǎn)移阻抗耦合天線對天線輻射耦合 場對電纜導(dǎo)線對導(dǎo)線電阻性耦合傳導(dǎo)耦合 電容性耦合電感性耦合導(dǎo)線對導(dǎo)線間的耦合輻射耦合 天線對天線場對導(dǎo)線不同學(xué)術(shù)觀點對耦合途徑的劃分不同學(xué)術(shù)觀點對耦合途徑的劃分容容空間輻射電磁波空間輻射電磁波交變電場交變電場交變磁場交變磁場 2 電磁輻射理論

3、基礎(chǔ)2 電磁輻射理論基礎(chǔ)0BDtDJHtBEn 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組0tJ法拉第定律法拉第定律廣義的安培定律廣義的安培定律廣義的電場高斯定律廣義的電場高斯定律磁場的高斯定律磁場的高斯定律電流連續(xù)性方程電流連續(xù)性方程2 電磁輻射理論基礎(chǔ)n 基本參數(shù)基本參數(shù)1. 1. 場物理量場物理量電場強度電場強度電通量密度電通量密度磁場強度磁場強度磁通量密度磁通量密度),(trEE),(trDD),(trHH),(trBBmV2mCmA)(TeslasT2 電磁輻射理論基礎(chǔ)n 基本參數(shù)基本參數(shù)2. 2. 源物理量源物理量體電流密度體電流密度體電荷密度體電荷密度),(trJJ),(tr3mC2mA2 電

4、磁輻射理論基礎(chǔ)0BDtDJHtBEn 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組0tJ法拉第定律法拉第定律廣義的安培定律廣義的安培定律廣義的電場高斯定律廣義的電場高斯定律磁場的高斯定律磁場的高斯定律電流連續(xù)性方程電流連續(xù)性方程2 電磁輻射理論基礎(chǔ)ssVCsCSsdBdvsdDsdtDJl dHsdtBl dE0)(n 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組法拉第定律法拉第定律廣義的安培定律廣義的安培定律廣義的電場高斯定律廣義的電場高斯定律磁場的高斯定律磁場的高斯定律電流連續(xù)性方程電流連續(xù)性方程0VSdvtsdJ2 電磁輻射理論基礎(chǔ)),()(),(),()(),(),()(),(trErtrJtrHrtrBtrErtr

5、Dn 本構(gòu)關(guān)系本構(gòu)關(guān)系)(r)(r)(r：媒質(zhì)的介電常數(shù)，單位：媒質(zhì)的介電常數(shù)，單位F/mF/m：媒質(zhì)的磁導(dǎo)率，單位：媒質(zhì)的磁導(dǎo)率，單位H/mH/m：媒質(zhì)的電導(dǎo)率，單位：媒質(zhì)的電導(dǎo)率，單位S/mS/m線性、各向同性線性、各向同性媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系2 電磁輻射理論基礎(chǔ)n 邊界條件邊界條件媒質(zhì)媒質(zhì)1111媒質(zhì)媒質(zhì)222211111JHBDEn 22222JHBDE邊界邊界靜態(tài)情況下的兩種半無限媒質(zhì)之間的交界面靜態(tài)情況下的兩種半無限媒質(zhì)之間的交界面S2 電磁輻射理論基礎(chǔ)0)()()(0)(211211211211BBnDDnJHHnEEnssn 邊界條件邊界條件tJJJnss)(2112

6、電磁輻射理論基礎(chǔ)n 時諧場時諧場 在時變電磁場中，如果場源以一定的在時變電磁場中，如果場源以一定的角頻率角頻率隨時間呈隨時間呈時諧（正弦或余弦）時諧（正弦或余弦）變化，則所產(chǎn)生的變化，則所產(chǎn)生的電磁場也以同樣的角頻率隨時間呈時諧變化。這電磁場也以同樣的角頻率隨時間呈時諧變化。這種以一定角頻率變化的電磁場，稱為時諧電磁場種以一定角頻率變化的電磁場，稱為時諧電磁場或正弦電磁場?；蛘译姶艌觥? 電磁輻射理論基礎(chǔ)n 時諧場時諧場EJHBED0BDDjJHBj0jJ3 輻射耦合n 電磁輻射電磁輻射 當(dāng)一個地方的電流或電荷隨時間變化時，就當(dāng)一個地方的電流或電荷隨時間變化時，就有一部分電磁能量進入周圍空間

7、，這種現(xiàn)象稱為有一部分電磁能量進入周圍空間，這種現(xiàn)象稱為電磁輻射電磁輻射 產(chǎn)生電磁波的輻射源最簡單的方式就是產(chǎn)生電磁波的輻射源最簡單的方式就是電偶電偶 極子極子與與磁偶極子磁偶極子； 實際輻射源都可看成由許多偶極子組成，所實際輻射源都可看成由許多偶極子組成，所產(chǎn)生的電磁波也就是這些偶極子輻射電磁波的合產(chǎn)生的電磁波也就是這些偶極子輻射電磁波的合成。成。n電偶極子電偶極子一段長度比電磁波波長小得多的載流導(dǎo)線3 輻射耦合n電偶極子電偶極子3 輻射耦合n 磁偶極子磁偶極子一個半徑一個半徑a a遠(yuǎn)小于波長遠(yuǎn)小于波長的小環(huán)形載流導(dǎo)線可的小環(huán)形載流導(dǎo)線可看成是磁偶極子看成是磁偶極子3 輻射耦合n 磁偶極子磁

8、偶極子3 輻射耦合3 輻射耦合n 近場與遠(yuǎn)場近場與遠(yuǎn)場 遠(yuǎn)近場的劃分是根據(jù)兩類基本源的場隨遠(yuǎn)近場的劃分是根據(jù)兩類基本源的場隨1/r1/r（r r為為場點至源點的距離）的變化而確定的，場點至源點的距離）的變化而確定的， 為遠(yuǎn)、為遠(yuǎn)、近場的分界點，兩類源在遠(yuǎn)近場的場特征及傳播特性近場的分界點，兩類源在遠(yuǎn)近場的場特征及傳播特性均有所不同。均有所不同。 2r電偶極子場的波阻抗大于磁偶極子場的波阻 抗。前者是容性高阻抗場，電磁場分布易受周圍低阻抗物體影響。后者是感性低阻抗場，不易受外界影響； 電磁場能量在r的方向作往返振蕩；電偶極子場電場強度按1/r 3的規(guī)律減小，磁場強度按1/r 2的規(guī)律減小。磁偶極

9、子場的磁場強度按1/r 3的規(guī)律減小，電場強度按1/r 2的規(guī)律減??；n近區(qū)電磁場的特點近區(qū)電磁場的特點3 輻射耦合遠(yuǎn)場區(qū)中電磁場只有兩個互相垂直的場強分量，遠(yuǎn)場區(qū)中電磁場只有兩個互相垂直的場強分量，在傳播方向上沒有場強分量，因此稱為平面電在傳播方向上沒有場強分量，因此稱為平面電磁波。磁波。電場分量電場分量 和磁場分量和磁場分量 在空間上相互垂直，在空間上相互垂直，在時間上同相位。在幅值上相比在時間上同相位。在幅值上相比 等于等于常數(shù)常數(shù)377 377 。在遠(yuǎn)場區(qū)中，電場與磁場的強度分布與距場源在遠(yuǎn)場區(qū)中，電場與磁場的強度分布與距場源的距離的距離r r成反比的減小?？梢娫谳椛鋱鲋?，場強成反比的

10、減小?？梢娫谳椛鋱鲋?，場強變化不像感應(yīng)場中對距離變化不像感應(yīng)場中對距離r r那么敏感。那么敏感。EHEHn遠(yuǎn)區(qū)電磁場的特點遠(yuǎn)區(qū)電磁場的特點3 輻射耦合n波阻抗與騷擾源的距離波阻抗與騷擾源的距離3 輻射耦合3 輻射耦合n能量流能量流3 輻射耦合 電偶極子的近場能量主要為電場分量，可忽略電偶極子的近場能量主要為電場分量，可忽略磁場分量；磁偶極子的近場能量主要為磁場分量，磁場分量；磁偶極子的近場能量主要為磁場分量，可忽略電場分量；兩類源在遠(yuǎn)場時，電場、磁場分可忽略電場分量；兩類源在遠(yuǎn)場時，電場、磁場分量均必須同時考慮。量均必須同時考慮。 n能量密度能量密度3 輻射耦合3 輻射耦合當(dāng)距離干擾源為當(dāng)距離

11、干擾源為遠(yuǎn)場強遠(yuǎn)場強時，干擾以空間電磁波時，干擾以空間電磁波的形式耦合到受感器的形式耦合到受感器外界電磁騷擾進入電子設(shè)備并干擾其中的敏感外界電磁騷擾進入電子設(shè)備并干擾其中的敏感電路的途徑電路的途徑 電子設(shè)備的接收天線，以及具有天線效應(yīng)的輸電子設(shè)備的接收天線，以及具有天線效應(yīng)的輸入、輸出饋線和設(shè)備外殼（即開的孔、縫隙是入、輸出饋線和設(shè)備外殼（即開的孔、縫隙是天然的電磁波通道）經(jīng)有輸電線及其配電線進天然的電磁波通道）經(jīng)有輸電線及其配電線進入電子設(shè)備的電源系統(tǒng)，并以入電子設(shè)備的電源系統(tǒng)，并以傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合的方式的方式到達(dá)受感器到達(dá)受感器4 傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論 傳導(dǎo)耦合是指通過導(dǎo)體傳輸?shù)碾姶鸥蓴_。

12、當(dāng)電傳導(dǎo)耦合是指通過導(dǎo)體傳輸?shù)碾姶鸥蓴_。當(dāng)電磁干擾源的波長遠(yuǎn)大于敏感設(shè)備的長度時，可以利磁干擾源的波長遠(yuǎn)大于敏感設(shè)備的長度時，可以利用電路理論建立傳導(dǎo)模型（用電路理論建立傳導(dǎo)模型（“低頻低頻”方法）；當(dāng)電方法）；當(dāng)電磁干擾源的波長遠(yuǎn)小于敏感設(shè)備的長度時，電磁波磁干擾源的波長遠(yuǎn)小于敏感設(shè)備的長度時，電磁波的傳播效應(yīng)增強，根據(jù)電路理論建立傳導(dǎo)模型失效，的傳播效應(yīng)增強，根據(jù)電路理論建立傳導(dǎo)模型失效，原則上必須采用電磁場理論進行分析（原則上必須采用電磁場理論進行分析（“高頻高頻”方方法）。法）。n再論傳導(dǎo)耦合再論傳導(dǎo)耦合波在均勻無損線上的傳播波在均勻無損線上的傳播4 傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論n波過程波過程

13、uu ii n單位長度線路對地電容和自感為單位長度線路對地電容和自感為為線路絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，為線路絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，為導(dǎo)磁系數(shù)為導(dǎo)磁系數(shù)hp導(dǎo)體平均對地高度（導(dǎo)體平均對地高度（m） r 導(dǎo)體等值半徑（導(dǎo)體等值半徑（m）)/(2ln200mFrhCpr)/(2ln200mHrhLpr4 傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論n單位長度線路對地電容和自感為單位長度線路對地電容和自感為為線路絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，為線路絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，為導(dǎo)磁系數(shù)為導(dǎo)磁系數(shù)hp導(dǎo)體平均對地高度（導(dǎo)體平均對地高度（m） r 導(dǎo)體等值半徑（導(dǎo)體等值半徑（m）n可推導(dǎo)出波速度可推導(dǎo)出波速度 波速度只和線路的絕緣材料有關(guān)，和線路的材質(zhì)、

14、幾何結(jié)構(gòu)、對地波速度只和線路的絕緣材料有關(guān)，和線路的材質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)、對地距離等都無關(guān)，甚至和絕緣的幾何結(jié)構(gòu)也無關(guān)距離等都無關(guān)，甚至和絕緣的幾何結(jié)構(gòu)也無關(guān)架空線中的波速度接近光速，架空線中的波速度接近光速，290300m/uS，電纜變化很大，一般在電纜變化很大，一般在150265m/uS，交聯(lián)聚乙烯，交聯(lián)聚乙烯160左右左右 )/(2ln200mFrhCpr)/(2ln200mHrhLpr001100rrCLv4 傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論n 行波建立電場的過程行波建立電場的過程 n 行波建立磁場的過程行波建立磁場的過程 n 行波的傳播速度：行波的傳播速度：上兩式相乘上兩式相乘 表示行波向正反兩個方向

15、傳播表示行波向正反兩個方向傳播 n 波阻抗：波阻抗：上兩式相除上兩式相除 對應(yīng)正反向行波對應(yīng)正反向行波 波阻抗是表征分布參數(shù)電路特點的最重要的參數(shù)波阻抗是表征分布參數(shù)電路特點的最重要的參數(shù)是是儲能元件儲能元件，表示導(dǎo)線周圍介質(zhì)獲得電磁能的大小，表示導(dǎo)線周圍介質(zhì)獲得電磁能的大小具有阻抗量綱，為常量，架空線路一般為具有阻抗量綱，為常量，架空線路一般為470dtdxuCdtdcudtdqi00充電電流充電電荷dxuCudcdqdxiLidLd0 磁通增加量dtdxiLdtdLidtdu0001CLdtdxv00CLiuZ4 傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論架空線路和電纜波速度和波阻抗的特性（2）n波阻抗表示為波

16、阻抗表示為和絕緣材料有關(guān)外，和線路的幾何結(jié)構(gòu)、對地距離等也有關(guān)和絕緣材料有關(guān)外，和線路的幾何結(jié)構(gòu)、對地距離等也有關(guān)架空線路：一般單根導(dǎo)線架空線路：一般單根導(dǎo)線 z500 分裂導(dǎo)線分裂導(dǎo)線z300電纜：一般電纜：一般z=10-100 n波阻抗波阻抗Z和集中參數(shù)電阻和集中參數(shù)電阻R的比較：的比較：相同點：都是反映電壓與電流之比，量綱相同都為相同點：都是反映電壓與電流之比，量綱相同都為不同點：不同點：nR: 電壓電壓u為為R兩端的電壓，電流兩端的電壓，電流i為流過為流過R的電流的電流nZ: 電壓電壓u為導(dǎo)線對地電壓，電流為導(dǎo)線對地電壓，電流i為同方向?qū)Ь€電流為同方向?qū)Ь€電流n耗能：耗能：R將電能轉(zhuǎn)化

17、為熱能、光能等，將電能轉(zhuǎn)化為熱能、光能等，Z不耗能，將能量儲存在周圍介不耗能，將能量儲存在周圍介質(zhì)里質(zhì)里nR與導(dǎo)線長度有關(guān)，與導(dǎo)線長度有關(guān)， Z只與絕緣參數(shù)有關(guān)，與導(dǎo)線長度無關(guān)只與絕緣參數(shù)有關(guān)，與導(dǎo)線長度無關(guān) rhCLZpr2ln210r000n 電壓、電流行波在傳播過程中同時是線路和時間的函電壓、電流行波在傳播過程中同時是線路和時間的函數(shù)數(shù)n 以均勻無損線路為模型，建立偏微分方程以均勻無損線路為模型，建立偏微分方程電壓沿電壓沿x方向的變化是由于電流在方向的變化是由于電流在L0產(chǎn)生壓降產(chǎn)生壓降 電流沿電流沿x方向的變化是由于電壓在方向的變化是由于電壓在C0產(chǎn)生壓降產(chǎn)生壓降n 聯(lián)解，可得波動方程

18、聯(lián)解，可得波動方程 tuCxitiLxu00220022220022tiCLxituCLxuuu ii 波動方程的建立波動方程的建立 4 傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論4 傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論波動方程的求解及含義（1） n前行電壓波前行電壓波 ，以速率，以速率v向向x正方向行進的波正方向行進的波 n反行電壓波：反行電壓波： ，以速率，以速率v向向x反方向行進的波反方向行進的波 n電壓波的符號只取決于導(dǎo)線對地電容所充電荷的符號，與傳電壓波的符號只取決于導(dǎo)線對地電容所充電荷的符號，與傳播方向無關(guān)播方向無關(guān) n前行電流波：前行電流波： ，以速率，以速率v向向x正方向行進的波正方向行進的波n反行電壓波：反行電壓

19、波： ，以速率，以速率v向向x反方向行進的波反方向行進的波n電流波的符號，同時取決于電荷符號和運動方向。電流波的符號，同時取決于電荷符號和運動方向。如：正電荷沿正方向、負(fù)電荷沿負(fù)方向均為如：正電荷沿正方向、負(fù)電荷沿負(fù)方向均為+，而：正電荷沿負(fù)方向、負(fù)電荷沿正方向均為而：正電荷沿負(fù)方向、負(fù)電荷沿正方向均為- 21)()(uuvtxuvtxuu)(1vtxuu)(2 vtxuuiivtxivtxii )()(21)(1vtxii)(2 vtxiiu 波阻抗波阻抗Z Z和集中參數(shù)電阻和集中參數(shù)電阻R R的比較：的比較：相同點：相同點：都是反映電壓與電流之比，量綱相同都是反映電壓與電流之比，量綱相同

20、都為都為不同點：不同點：R: uR: u為為R R兩端的電壓，兩端的電壓，i i為流過為流過R R的電流的電流Z: uZ: u為導(dǎo)線對地電壓，為導(dǎo)線對地電壓，i i為同方向?qū)Ь€電流為同方向?qū)Ь€電流耗能：耗能：R R將電能轉(zhuǎn)化為熱能、光能等，將電能轉(zhuǎn)化為熱能、光能等，Z Z不不耗能，耗能， 將能量儲存在周圍介質(zhì)里將能量儲存在周圍介質(zhì)里R R與導(dǎo)線長度有關(guān)，與導(dǎo)線長度有關(guān)， Z Z只與絕緣參數(shù)有關(guān)，只與絕緣參數(shù)有關(guān)，與導(dǎo)線長度無關(guān)與導(dǎo)線長度無關(guān) 4 傳導(dǎo)耦合的傳輸線理論5 傳導(dǎo)耦合n電容性耦合電容性耦合電容性耦合模型電容性耦合模型5 傳導(dǎo)耦合n電容性耦合電容性耦合12212221UCRjCRjUXRRUc22222LGLGRRRRRCjXc1