《電磁兼容技術(shù)及其應(yīng)用》課件第2章

第二章電磁干擾三要素

2.1電磁干擾源2.2電磁干擾的傳輸途徑2.3電磁敏感性

2.1電磁干擾源

電磁干擾源是產(chǎn)生電磁干擾的三要素之一，通常將它分成若干類。按干擾源的來源可分為自然干擾源和人為干擾源；按電磁耦合途徑可分為傳導(dǎo)干擾源和輻射干擾源；按傳輸?shù)念l帶可分為窄帶干擾源和寬帶干擾源；按干擾波形可分為連續(xù)波、周期脈沖波和非周期脈沖波。2.1.1自然干擾源

自然干擾源主要有兩類：大氣干擾和宇宙干擾。

大氣干擾主要是由夏季本地雷電和冬季熱帶地區(qū)雷電產(chǎn)生的。全世界平均每秒鐘發(fā)生100次左右的雷電。雷電是一連串的干擾脈沖，它從極低頻至50MHz都有能量分布，主要能量分布在100kHz左右，高頻分量隨1/f2衰減。

除了雷電引起的大氣干擾外，沙暴和塵暴也屬于大氣干擾的類型，帶電塵粒與導(dǎo)電表面或介質(zhì)表面相撞后，交換電荷形成電暈放電。宇宙干擾包括太空背景噪聲、太陽無線電噪聲以及月亮、木星等發(fā)射的無線電噪聲。太空背景噪聲是由電離層和各種射線組所組成，在20MHz～500MHz的頻率范圍內(nèi)，宇宙噪聲的影響相當(dāng)大。這些噪聲會(huì)使航天飛行器產(chǎn)生一些隨機(jī)失效或異?，F(xiàn)象，還可能造成通信和遙測(cè)中斷。

太陽無線電噪聲隨著太陽的活動(dòng)，特別是黑子的發(fā)生而顯著增加。另外，太陽雀斑也是太陽噪聲源的重要形式。1981年5月，南京紫金山天文臺(tái)觀察到兩次奇異的三級(jí)雙帶雀斑，當(dāng)雀斑發(fā)展到極大時(shí)，導(dǎo)致全球無線電通信中斷兩個(gè)小時(shí)。2.1.2人為干擾源

人為干擾源包括了各種電子設(shè)備和系統(tǒng)，從我們熟悉的電視接收機(jī)到尖端的通信系統(tǒng)。人為干擾源可以分為兩類：一類是非功能性干擾源，如電源線、電力線、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、點(diǎn)火系統(tǒng)等；另一類是功能性干擾源，如雷達(dá)、通信設(shè)施及其輔助設(shè)備。

一般情況下，人為電磁干擾源比自然干擾源發(fā)射的強(qiáng)度大，對(duì)電磁環(huán)境的影響嚴(yán)重。

1.電力線干擾源

電力線是潛在的輻射電磁干擾源，它的干擾通常是隨機(jī)的，并包含低電平和高電平。例如，電力傳輸線上的阻抗不連續(xù)點(diǎn)、分布變壓器、開關(guān)和功率因數(shù)校正裝置等就是低電平干擾源；而高電平干擾源則包括負(fù)載短路、雷電放電感應(yīng)等。這些高、低電平干擾將脈沖形式的干擾饋入電力線，并經(jīng)電力線以輻射和傳導(dǎo)的方式傳輸?shù)脚c電力線連接或在電力線附近的電子設(shè)備。高壓電力線的電暈放電是一種準(zhǔn)隨機(jī)的高電平干擾源，這在雨天或潮濕天氣中尤為嚴(yán)重。電力線的干擾輻射效應(yīng)通常局限在電力線附近的區(qū)域；輻射的分量與頻率成反比。電力線上的干擾可以傳導(dǎo)方式傳輸至更遠(yuǎn)距離。傳導(dǎo)的電力線干擾與傳輸線的衰減特性有關(guān)，并在低中頻率范圍內(nèi)尤為嚴(yán)重，只有在與干擾源鄰近的地方，傳導(dǎo)干擾的高頻分量才較為突出。

2.電源線傳導(dǎo)干擾源

當(dāng)許多設(shè)備公用一個(gè)電源時(shí)，相互之間是很容易干擾的，稱之為電源線傳導(dǎo)干擾，它與電力線干擾有一定的區(qū)別。例如，一臺(tái)計(jì)算機(jī)和大功率設(shè)備共用電源時(shí)，當(dāng)啟動(dòng)或關(guān)閉大功率設(shè)備時(shí)，會(huì)在電源線上產(chǎn)生尖峰脈沖，這種脈沖極可能使計(jì)算機(jī)出錯(cuò)甚至損壞。電源線本來一般只是輸送50Hz交流電的，但是由于連接設(shè)備的電磁干擾，往往使電源線上的電流很不純凈。圖2.1-1所示為在10所醫(yī)院測(cè)得的交流電源線上的傳導(dǎo)干擾值。圖2.1-1在10所醫(yī)院測(cè)得的交流電源線上的傳導(dǎo)干擾由電源線產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，最嚴(yán)重的干擾源是轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等裝置。圖2.1-2～圖2.1-4示出了開關(guān)、繼電器通斷時(shí)的干擾波形和測(cè)得的干擾電平。圖2.1-2典型的開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬態(tài)波形(a)乒乓開關(guān)所產(chǎn)生的電磁干擾；(b)電子開關(guān)所產(chǎn)生的電磁干擾；(c)六級(jí)繼電器斷開時(shí)的電磁干擾圖2.1-3繼電器觸點(diǎn)閉合時(shí)的傳導(dǎo)干擾圖2.1-4繼電器觸發(fā)點(diǎn)開時(shí)的傳導(dǎo)干擾由于開關(guān)、繼電器的工作是瞬態(tài)的，所以它們產(chǎn)生的干擾也是瞬態(tài)的。這種干擾對(duì)數(shù)字電路的危害是相當(dāng)嚴(yán)重的，它能使數(shù)字化設(shè)備產(chǎn)生假觸發(fā)、假判斷、邏輯或循環(huán)出錯(cuò)。(1)開關(guān)。任何開關(guān)裝置，在斷開和閉合時(shí)都產(chǎn)生瞬變，在正常工作期間會(huì)出現(xiàn)電弧。這是因?yàn)樵陔娐分须娏鞯闹袛喟▋蓚€(gè)過程：被高度電離后導(dǎo)電的氣體介質(zhì)——電弧，代替了部分金屬線路，然后該電弧對(duì)被置于強(qiáng)烈的反電離作用影響之下；當(dāng)儲(chǔ)存電路電感中的能量被消耗掉，電壓下降到不能維持電弧時(shí)，電弧熄滅。

如圖2.1-5(a)所示，其簡(jiǎn)化的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路示于圖2.1-

5(b)中。圖2.1-5開關(guān)觸點(diǎn)斷開示意當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電流迅速?gòu)囊欢ㄖ禍p小到零，由于di/dt很大，因此電路電感兩端產(chǎn)生幅值很高的瞬時(shí)電壓脈沖。此高電壓使開關(guān)觸點(diǎn)間形成電弧，從而使電流繼續(xù)流動(dòng)。若觸點(diǎn)斷開時(shí)，接觸電導(dǎo)1/RC(RC為觸點(diǎn)電阻)在時(shí)間T內(nèi)線性地減少到零，則觸點(diǎn)兩端的峰值電壓(2.1.1)式中，T為觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)間，L為回路電感。對(duì)典型電路來說，T大于且近似等于L/RC，所以UPK可能比U大得多，從而擊穿觸點(diǎn)間空氣介質(zhì)，形成電弧。

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，會(huì)在負(fù)載阻抗兩端產(chǎn)生電壓或使電流流過負(fù)載，如果回路中是純電阻，其電壓(電流)幅度波形是階躍函數(shù)。而對(duì)于圖2.1-5所示的電路，負(fù)載兩端的電壓

式中：U為終止電壓；T為電路的時(shí)間常數(shù)，且T=L/RC，其波形為一上升指數(shù)函數(shù)。T越小，上升越快，就越近似于階躍函數(shù)，其頻譜幅值S(f)可用下式求出：(2.1.2)

顯然，當(dāng)2πfT<<1時(shí)，頻譜就成為階躍函數(shù)的頻譜。圖2.1-

6為式(2.1.3)的波形圖。

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，觸點(diǎn)要反跳幾次后才能閉合，電流的迅速變化不只是一次，整個(gè)瞬態(tài)電壓實(shí)際是一群脈沖組成的。一般說來，其反跳和開關(guān)斷開時(shí)電弧發(fā)生的間隔時(shí)間為幾毫秒，電壓尖峰的持續(xù)時(shí)間為幾微秒。(2.1.3)圖2.1-6式(2.1.3)的幅頻特性

(2)繼電器。繼電器是在自動(dòng)控制中用得很多的一種開關(guān)器件。它是一種回路中有線圈電感的觸點(diǎn)開關(guān)，因此上面的分析完全適用于繼電器。

通常假定，在所考慮的時(shí)間內(nèi)，回路的電感不變。因此，穿過電感回路的電流，在理論上不能突變，在實(shí)際上甚至不能接近突變。在系統(tǒng)或設(shè)備中，開關(guān)控制著一個(gè)或多個(gè)回路的復(fù)合電感的通、斷。每一次通、斷都伴隨著迅速的電流浪涌以及高壓浪涌，實(shí)際上發(fā)生過幾百伏的浪涌電壓。假定回路中電容器兩端的電壓不能突變，但這僅當(dāng)連接到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的總電容保持不變時(shí)是正確的。而當(dāng)電容接入電路或從電路斷開時(shí)，電容兩端以及接到此節(jié)點(diǎn)的其他元件兩端的電壓會(huì)發(fā)生變化，不能突變的是在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的總電荷。用高速示波器測(cè)量繼電器產(chǎn)生的干擾，可以得出如下結(jié)論：第一，當(dāng)繼電器的線圈通、斷電流時(shí)，在開始的幾微秒內(nèi)，不改變瞬態(tài)的形式。這表明，在此短間隔內(nèi)，分布電容使線圈有效地短路，它是引起干擾瞬態(tài)的原因之一。

第二，典型的繼電器線圈的電感與分布電容的比很大，這樣，當(dāng)電流截?cái)鄷r(shí)，繼電器線圈周圍的磁場(chǎng)消失，產(chǎn)生具有陡峭波前的大幅度浪涌電壓。當(dāng)電路閉合時(shí)，線圈兩端的電壓很快上升到供電電壓的7/10；而當(dāng)電路斷開時(shí)，大約在3μs內(nèi)，電壓上升到近似為電源電壓的100倍，然后按線圈電感、分布電容和電阻所決定的速率下降到零。特別要指出，繼電器的浪涌電壓具有陡峭的波前，它能對(duì)大范圍內(nèi)調(diào)諧的接收機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊和激勵(lì)。

第三，除了水銀開關(guān)以外，觸點(diǎn)開關(guān)均呈現(xiàn)機(jī)械彈性震顫。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，它引起電流的重復(fù)閉合和斷開，這時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)，比起斷開時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)具有更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，而且干擾也更嚴(yán)重。

第四，除了機(jī)械彈性的瞬變之外，還會(huì)產(chǎn)生電路的迅速閉合與中斷。這種瞬變具有更快的速率，其波形也比較陡峭，對(duì)鄰近的電子電路會(huì)產(chǎn)生無線電干擾。從圖2.1-3可以看出，繼電器線圈電路閉合時(shí)，除電流很小外，傳導(dǎo)干擾電平與電流強(qiáng)度成正比。當(dāng)電流較大時(shí)(圖中①②③曲線)，頻譜曲線隨頻率上升，有可能是觸點(diǎn)電路的負(fù)載電阻增大使電路電感的阻尼減少引起的。圖2.1-

4是繼電器斷開時(shí)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾頻譜圖。

表2.1.1列出了各種用途的繼電器和電磁線圈控制的元器件的干擾頻率范圍。表2.1.1電磁開關(guān)的電磁干擾頻率范圍

3.點(diǎn)火系統(tǒng)干擾源

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火是最強(qiáng)的寬帶干擾源之一。產(chǎn)生干擾最主要的原因仍是電流的突變和電弧現(xiàn)象。點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生波形前沿陡峭的火花電流脈沖群和電弧，火花電流峰值可達(dá)幾千安，并且具有振蕩性質(zhì)，振蕩頻率為20kHz～1MHz，其頻譜包括基波及其諧波，一直延伸到X波段。點(diǎn)火噪聲干擾場(chǎng)對(duì)環(huán)境影響很大，下面以機(jī)動(dòng)車輛點(diǎn)火噪聲為例加以說明。

機(jī)動(dòng)車輛點(diǎn)火噪聲在100MHz以下時(shí)，往往是垂直極化的，其電平服從正態(tài)分布，干擾最強(qiáng)的頻段在10MHz～100MHz。機(jī)動(dòng)車輛點(diǎn)火系統(tǒng)噪聲的數(shù)學(xué)模型為

LE=34+10lgB+17lgC-20lgR-10lgF(2.1.4)式中：LE為中值場(chǎng)強(qiáng)，概率為50%(dBμV/m)；B為測(cè)量接收機(jī)通帶(kHz)；C為車輛頻度(車次/分)；R為測(cè)量接收機(jī)離馬路的距離(m)；F為頻率(Hz)。

由上式可以看出，點(diǎn)火系統(tǒng)噪聲的干擾場(chǎng)強(qiáng)是與交通車輛頻度有關(guān)的，車輛頻度增加，噪聲場(chǎng)強(qiáng)隨之增加。

4.功能干擾源

當(dāng)系統(tǒng)中一部分的正常工作直接干擾另一部分正常工作時(shí)，就產(chǎn)生功能干擾。在人為的電磁干擾源中，射頻發(fā)射機(jī)是最常見和最典型的功能性干擾源。對(duì)發(fā)射機(jī)來講，由于不能按設(shè)計(jì)產(chǎn)生、放大和調(diào)制純凈的工作頻率，因而會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。射頻發(fā)射機(jī)和雷達(dá)的射頻載波的產(chǎn)生和調(diào)制都是由非線性裝置完成的，這是產(chǎn)生工作頻率以外的頻率分量的重要原因。諧波分量通常隨發(fā)射機(jī)、振蕩幅度和負(fù)載而增加。調(diào)制過程中的非線性也能產(chǎn)生非期望的頻率分量。若沒有足夠的濾波衰減，這些分量會(huì)經(jīng)天線輻射出來。射頻加熱器就是射頻發(fā)射機(jī)的一種典型應(yīng)用。射頻加熱器主要有感應(yīng)加熱器和介質(zhì)加熱器。感應(yīng)加熱器主要用于鍛造、淬火、焊接和退火等工藝，其基本頻率是1kHz～1MHz；而介質(zhì)加熱器專用于塑料封裝，其基本工作頻率為13MHz～5.8GHz。這兩種RF加熱器大體上為窄帶干擾源，但是諧波可以高達(dá)9次以上。

RF加熱器的功率雖然強(qiáng)大，但只要進(jìn)行良好的EMC控制，其電磁干擾是不足為害的。例如，英國(guó)曾經(jīng)對(duì)12個(gè)月內(nèi)35434份關(guān)于干擾無線電通信的投訴書進(jìn)行過粗略的調(diào)查。其中，143份是控告工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備的，11份是控告醫(yī)學(xué)儀器的，66份是控告沒有調(diào)到指定頻率的RF裝置，但沒有一份是控告感應(yīng)加熱器或介質(zhì)加熱器的。

5.其他人為干擾源

除了上面談到的人為干擾源外，還存在另外一些人為干擾源。可以毫不夸張地說，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，每一個(gè)電子產(chǎn)品的問世，都可能成為新的人為干擾源。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中越來越多地使用電子儀器幫助醫(yī)生做出診斷，所以醫(yī)院內(nèi)的各種電子儀器設(shè)備都是潛在的人為干擾源，電磁干擾的問題也就與日俱增。

熒光燈和氣體放電管也是一種人為干擾源。它們產(chǎn)生的脈沖無線電噪聲的特性類似于電力輸電線噪聲。它產(chǎn)生的干擾雖然不大，但對(duì)于電磁屏蔽室這種環(huán)境是不行的，所以屏蔽室內(nèi)應(yīng)避免使用熒光燈照明，而是使用白熾燈。隨著人們生活水平的提高，微波爐已經(jīng)進(jìn)入了城市居民的家庭，一般微波爐的工作頻率為2450MHz，微波爐在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能保證最小的能量泄漏，因此從微波爐中泄漏出來的能量一般很小，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定泄漏能量密度不得大于5mW/cm2，我國(guó)一些生產(chǎn)廠家的出廠技術(shù)要求控制在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的1/5以下，對(duì)人體是沒什么危害的。當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)不好，或者爐門封不嚴(yán)，微波爐的泄漏就是不可忽視的一個(gè)干擾源。以上所述的人為干擾源，都是希望把電磁能只集中在工作的局部區(qū)域。但另外一種輻射源卻相反，它的目的是有意將電磁能輻射到空間，在一定范圍或一定方向上輻射規(guī)定的能量。這就是廣播、電視、無線通信和雷達(dá)等發(fā)射機(jī)的工作目的。按照工作的目的不同，每一種發(fā)射機(jī)應(yīng)該在一定距離和方向上只發(fā)射有用的頻率。但事實(shí)上很難做到這一點(diǎn)，在發(fā)射有用頻率的同時(shí)，總要附加一些寄生和諧波頻率。這些寄生頻率和諧波頻率就會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。2.1.3電磁環(huán)境與電磁污染

自然電磁過程，從其一開始產(chǎn)生就在宇宙中有了發(fā)展，并構(gòu)成了地球環(huán)境的一個(gè)基本要素——電磁環(huán)境。

在無線電發(fā)展的初期，人們并沒有電磁環(huán)境這樣的概念。那時(shí)，人們對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)僅限于自然環(huán)境(包括空氣、水、土地、建筑等)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類越來越多地應(yīng)用無線電技術(shù)，制造了各種電子、電氣產(chǎn)品，使人為電磁的干擾源變得越來越多，直到對(duì)無線電通信產(chǎn)生有害影響時(shí)，人們才意識(shí)到電磁環(huán)境的存在。因?yàn)槿祟惿嬖谶@樣一個(gè)電磁環(huán)境中，誰也無法擺脫電磁波的影響，電視、廣播、無線電通信已成為人們生活中必不可少的一個(gè)組成部分。圖2.1-7所示為美國(guó)10所醫(yī)院測(cè)得的綜合電磁環(huán)境情況，圖2.1-8所示為國(guó)外14個(gè)不同廠區(qū)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)的電磁干擾電平，圖2.1-9所示為電力輸電線的電磁干擾情況。

可以看出，電磁污染雖然像電磁波一樣看不見、摸不著，但卻是實(shí)實(shí)在在地存在著，它對(duì)人類的生活必定會(huì)帶來不同程度的危害。所以環(huán)境保護(hù)不應(yīng)局限于對(duì)空氣、水等自然環(huán)境的保護(hù)，還應(yīng)包括對(duì)電磁環(huán)境的保護(hù)。圖2.1-7美國(guó)10所醫(yī)院的綜合電磁環(huán)境電平圖2.1-8在14個(gè)不同廠區(qū)測(cè)得的電磁干擾最大場(chǎng)強(qiáng)值圖2.1-9電力輸電線的電磁干擾頻譜

2.2電磁干擾的傳輸途徑

電磁干擾的傳輸形式與電磁能量的傳輸形式基本相同，通常分為兩大類，即傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。通過導(dǎo)體傳播的電磁干擾叫做傳導(dǎo)干擾，其耦合形式有電耦合、磁耦合和電磁耦合；通過空間傳播的干擾叫做輻射干擾，其耦合形式有近場(chǎng)感應(yīng)耦合(近場(chǎng)磁感應(yīng)和近場(chǎng)電感應(yīng))和遠(yuǎn)場(chǎng)感應(yīng)耦合。系統(tǒng)間的輻射耦合主要是遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合，而系統(tǒng)內(nèi)的輻射耦合主要是近場(chǎng)輻射耦合。此外，還有輻射與傳導(dǎo)同時(shí)存在的復(fù)合干擾。

本節(jié)對(duì)傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的一般性質(zhì)進(jìn)行分析，并給出一些干擾的實(shí)例和計(jì)算。2.2.1傳導(dǎo)干擾

1.傳導(dǎo)干擾波的一般性質(zhì)

傳導(dǎo)干擾波的一般性質(zhì)有頻譜、幅度、波形和出現(xiàn)率。1)頻譜

多數(shù)電子設(shè)備都具有從最低可測(cè)到的頻率一直伸展到1GHz以上的傳導(dǎo)頻譜，低頻時(shí)按集總參數(shù)電路處理，高頻時(shí)則按分布參數(shù)電路處理。當(dāng)頻率再高時(shí)，由于導(dǎo)體損耗以及分布電感、分布電容的作用，傳導(dǎo)電流大為衰減，因而干擾波更趨向于輻射干擾波，表2.2.1給出了一些傳導(dǎo)干擾源的頻譜范圍。傳導(dǎo)干擾頻譜又可分為窄帶干擾和寬帶干擾。所謂窄帶干擾，是指帶寬只有幾十赫茲到幾百赫茲。例如，調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、單邊帶發(fā)射機(jī)(SSB)的單工無線電系統(tǒng)、基本電源(50Hz和400Hz)等都是窄帶干擾。所謂寬帶干擾，是指帶寬分布在幾十到幾百兆赫甚至更寬的頻帶范圍內(nèi)。這種干擾通常是由上升時(shí)間和下降時(shí)間很短的窄脈沖形成的，其頻譜分布取決于脈沖的特性。圖2.2-1說明了雷達(dá)脈沖特性與其頻譜之間的關(guān)系。脈沖周期越短，在頻譜中能量譜就越分散；脈沖的上升和下降越快，頻譜覆蓋范圍就越寬。表2.2.1傳導(dǎo)干擾波的頻譜范圍

圖2.2-1雷達(dá)脈沖及其頻譜

2)幅度

干擾幅度可表現(xiàn)為多種形式，除了用不同型號(hào)的幅度分布(即概率，它是確定的幅度值出現(xiàn)次數(shù)的百分率)表示外，還可用正弦的(具有確定的幅度分布)或“隨機(jī)的”概念來說明干擾的性質(zhì)。隨機(jī)簡(jiǎn)單地說，就是未來值不能確定地預(yù)測(cè)。例如：隨機(jī)噪聲可能是一種沖擊噪聲，它們是一些在時(shí)間上明顯地分開的、稀疏的且前后很陡的脈沖；也可能是熱噪聲，它們是彼此重疊的、多次發(fā)生的且在時(shí)間上不易分開的密集脈沖。這些密集脈沖在幅度性質(zhì)上是不易確定的干擾。典型的代表是熱噪聲和沖擊噪聲。熱噪聲即約翰遜噪聲，如用x表示噪聲電壓或電流，它具有高斯分布的幅度概率，可表示為

式中：P(x)為瞬時(shí)幅度為x的概率；σ為歸一化偏差，即噪聲的均方根值。

一般情況下，熱噪聲的電壓或電流的峰值或平均值都正比于檢測(cè)設(shè)備的帶寬B。不受帶寬限制的熱噪聲稱為白噪聲。(2.2.1)沖擊噪聲的電流或電壓峰值正比于頻帶B，但其平均值則與頻帶無關(guān)。內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)、充氣管發(fā)電等都產(chǎn)生沖擊噪聲。另外，許多噪聲是由熱噪聲和沖擊噪聲混合而成的，所以，它們的帶寬特性在介于兩者之間。

3)波形

電氣干擾有各種不同的波形，如矩形波、三角波、余弦形波、高斯形波等。由于波形是決定帶寬的重要因素，設(shè)計(jì)者應(yīng)很好地控制波形。為了保持事件的定時(shí)準(zhǔn)確度或保證某種形式的準(zhǔn)確動(dòng)作，有時(shí)需要上升很陡的波形。然而，上升斜率越陡，所占的帶寬就越寬。通常脈沖下的面積決定了頻譜中的低頻含量，而其高頻含量與脈沖沿的陡度有關(guān)。在所有脈沖中，高斯脈沖占有的頻譜最窄。

4)出現(xiàn)率

干擾信號(hào)在時(shí)間軸上出現(xiàn)的規(guī)律稱為出現(xiàn)率。按出現(xiàn)率把電函數(shù)分為周期性、非周期性和隨機(jī)的三種類型。周期性函數(shù)是指在確定的時(shí)間間隔(稱為周期)內(nèi)能重復(fù)出現(xiàn)的；非周期性函數(shù)則是不重復(fù)的，即沒有周期，但出現(xiàn)是確定的，而且是可以預(yù)測(cè)的；隨機(jī)函數(shù)則是以不能預(yù)測(cè)的方式變化的電函數(shù)，即它的表現(xiàn)特性是沒有規(guī)律的。隨機(jī)函數(shù)的定義允許限定其幅度或頻率成分，但要防止用時(shí)間函數(shù)來分析、描述它。

2.傳導(dǎo)干擾傳輸線路的性質(zhì)

傳導(dǎo)干擾主要靠傳輸線路的電流和電壓而起作用，因而傳輸線路在不同頻率下所呈現(xiàn)的性質(zhì)不同，處理方法也有所差異。

1)低頻域傳輸線路

低頻域是指?jìng)鬏斁€路的幾何長(zhǎng)度l遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)λ，即l<<λ，亦即微波技術(shù)中所說的短線，電壓、電流僅隨時(shí)間改變，可以作為集總參數(shù)來處理。在數(shù)字電路中，將傳輸?shù)拿}沖按其寬度分為窄脈沖和寬脈沖。前者必須考慮由線路阻抗而產(chǎn)生的電壓下降，以及由于線路間的寄生電路而產(chǎn)生的波形變鈍等現(xiàn)象；后者還必須考慮傳輸時(shí)間的滯后，以及線路反射等問題。只有在脈沖寬度Δt遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線路內(nèi)的傳輸時(shí)間的情況下，才能作為低頻處理，即

l<<vΔt(2.2.2)

式中，l為傳輸線的幾何長(zhǎng)度，v為波的傳輸速度，Δt為脈沖寬度。

當(dāng)式(2.2.2)得到滿足時(shí)，即為滿足低頻處理的條件。

2)低頻域的集總參數(shù)電路

低頻時(shí)的等效電路如圖2.2-2所示，分布在整個(gè)線路的寄生電容集中在一個(gè)地方，用CL表示，往復(fù)線路的電阻接在回路之中。接收端電壓Ur的大小有如下三種情況。

(1)正弦波?？紤]到,可得

(2)脈沖前沿，即

這里，用Ur1表示接收端電壓，以示與正弦波時(shí)的區(qū)別。

(3)脈沖后沿，即

τ的表示式與脈沖前沿時(shí)相同，即式(2.2.6)。

當(dāng)線路阻抗RL很小時(shí)，接收端電壓Ur則由電源阻抗Rs和負(fù)載阻抗Rr來決定。從負(fù)載看進(jìn)去的干擾阻抗，大致同干擾發(fā)生源的阻抗Rs相等，則可認(rèn)為與線路阻抗特性無關(guān)。圖2.2-2集總參數(shù)等效電路

3)高頻域的分布參數(shù)電路

當(dāng)線路的幾何長(zhǎng)度l大致與工作波長(zhǎng)可比擬時(shí)，線路應(yīng)看做分布參數(shù)電路，這時(shí)的傳輸線稱為長(zhǎng)線。線路的特性主要取決于分布電感L和分布電容C，其中最主要的參數(shù)為線路傳輸波的速度υ和線路的特性阻抗Zc。它們與L、C的關(guān)系為由上述可見，波的傳輸速率υ和線的特性阻抗Zc只與分布參數(shù)L、C有關(guān)，亦即僅與傳輸線的尺寸及周圍的媒質(zhì)有關(guān)。常用的傳輸線有雙導(dǎo)線和同軸線，它們?cè)诳諝庵械奶匦宰杩购筒ㄋ俜謩e為

雙導(dǎo)線時(shí)，

υ=c

(2.2.10)(2.2.11)同軸線時(shí),式中：c代表光速；式(2.2.11)中的d為雙導(dǎo)線軸心的間距，r為導(dǎo)線半徑；式(2.2.13)中的R為同軸線外導(dǎo)體半徑，r為內(nèi)導(dǎo)體半徑。

特性阻抗的另一種定義是傳輸線上行波電壓與行波電流之比，或入射電壓與入射電流之比。行波即沒有反射波。但一般情況下，反射波總是存在的，線上傳輸?shù)氖切旭v波，當(dāng)電磁波被全反射時(shí)，則傳輸駐波。所以，傳輸線上的電壓是入射波電壓與反射波電壓的疊加，電流也是如此。傳輸線上任一點(diǎn)的輸入阻抗Zin就是該點(diǎn)的電壓與電流之比，當(dāng)線無耗時(shí)，有(2.2.14)式中，β=2π/λ,λ為傳輸波長(zhǎng)；ZL為負(fù)載阻抗；l為負(fù)載阻抗至輸入點(diǎn)傳輸線的長(zhǎng)度。

可見，高頻時(shí)，線路的輸入阻抗是線路電長(zhǎng)度l/λ的函數(shù)。特別地，當(dāng)線路終端短路(ZL=0)時(shí)，式(2.2.14)變?yōu)?/p>

當(dāng)終端開路(ZL=∞)時(shí)，式(2.2.14)變?yōu)?2.2.15)(2.2.16)仔細(xì)觀察式(2.2.15)可以發(fā)現(xiàn)，終端短路時(shí)，沿傳輸線上各點(diǎn)的輸入阻抗呈正切規(guī)律變化，且具有周期性，在距負(fù)載λ/2、λ、3λ/2等處的輸入阻抗均為零，在距負(fù)載λ/4、3λ/4等處的輸入阻抗為無窮大。阻抗的這種變化必定會(huì)引起沿線電壓和電流的變化。根據(jù)電壓、電流與阻抗的關(guān)系，可知當(dāng)阻抗為零時(shí)，電流最大，電壓最??；當(dāng)阻抗為無窮大時(shí)，電流為零，電壓最大。線上阻抗、電壓、電流都是沿線發(fā)生變化的。在處理高頻線路時(shí)，一定要注意這一點(diǎn)。圖2.2-3平行成對(duì)線

4)線間電壓和對(duì)地電壓，共模干擾與異模干擾

傳輸電磁干擾的導(dǎo)線多像電燈線或電話線那樣，采取平行成對(duì)的形式處理這種情況的導(dǎo)線干擾。如圖2.2-3所示，把線路分為兩個(gè)分量，一個(gè)是兩根導(dǎo)線間所產(chǎn)生的線間分量，另一個(gè)是線路對(duì)地間產(chǎn)生的對(duì)地分量。分開討論的原因主要是，兩者之間傳輸回路的阻抗特性不同，因此稱這種情況下的電壓為線間電壓和對(duì)地電壓。其中，信號(hào)源線間電壓和兩導(dǎo)線間負(fù)載所構(gòu)成的回路，屬于線間回路；而導(dǎo)線或單線對(duì)地電壓，以及對(duì)地導(dǎo)線所構(gòu)成的回路，屬于對(duì)地回路。共模干擾(common－modeinterference)是指兩導(dǎo)線上的干擾電流振幅相差甚小，而相位相同；異模干擾

(differential－modeinterference)指的是兩導(dǎo)線上的干擾電流振幅相等，而相位相反。

在導(dǎo)線上被感應(yīng)的電磁干擾，除了被感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)外，對(duì)于對(duì)地回路來說，還應(yīng)增加一項(xiàng)接地點(diǎn)間的大地電位差引起的共模干擾電壓；而對(duì)線間回路來說，還應(yīng)在電源或信號(hào)源電壓上疊加一項(xiàng)異模干擾電壓，即

對(duì)地電壓：

UL=U1+Uc

(2.2.17)線間電壓：

UM=U2+Ud(2.2.18)

式中，U1為原對(duì)地電壓，Uc為由對(duì)地回路地電位差引起的共模干擾電壓，U2為原信號(hào)源電壓，Ud為由線間回路受干擾引起的異模干擾電壓。

將電磁干擾分解成兩個(gè)分量的分析方法，不僅適用于傳輸線路，還適用于電子裝置的內(nèi)部回路。

3.傳導(dǎo)干擾電耦合途徑

電耦合包含兩種耦合形式：一種是由兩個(gè)回路經(jīng)公共阻抗耦合而產(chǎn)生的電路性干擾，干擾量是電流i,或變化的電流di/dt；另一種是由在干擾源與干擾對(duì)象之間存在的分布電容而產(chǎn)生的電容性干擾，干擾量是變化的電場(chǎng)，即變化的電壓du/dt。

1)電路性干擾的物理模型

電路性干擾的產(chǎn)生至少存在兩個(gè)相互耦合的電流回路，其電流全部或部分地在公共阻抗中流過。因此反映電路性干擾的物理模型的典型代表如圖2.2-4所示。圖2.2-4電路性干擾的物理模型在每一個(gè)電流回路中流過的電流是該回路本身的電流與另一相耦合的電路在其中產(chǎn)生的電流總和。

由圖2.2-4所見，當(dāng)U02=0時(shí)，由U01產(chǎn)生的有效電流為

U02經(jīng)阻抗Z3、Z4在回路1中產(chǎn)生的干擾電流為(2.2.19)(2.2.20)

當(dāng)電壓、電流的方向如圖2.2-4所示時(shí)，在阻抗Z11上，Is的一部分與I1同相，在Z12上則與I1反相。

通過Z12的電流為

式中，第一項(xiàng)是有效電流的一部分，第二項(xiàng)是干擾電流的一部分。

干擾電流的一部分在被干擾回路的阻抗Z11和Z12上產(chǎn)生的干擾電壓分別為(2.2.21)

在給定的工作頻率范圍內(nèi)，如果干擾電流或干擾電壓足夠大，以至超過了干擾對(duì)象的敏感門限區(qū)，便會(huì)出現(xiàn)干擾效應(yīng)，產(chǎn)生不良后果。

特別地，當(dāng)Z3、Z4為零時(shí)，就成為一個(gè)特殊情況。如圖2.2-5所示，這種情況用得很多，當(dāng)多個(gè)電流回路共用一根導(dǎo)線時(shí)便會(huì)出現(xiàn)這種情況。例如，公共電源耦合電路或公共接地阻抗耦合電路，如圖2.2-6和圖2.2-7所示。(2.2.22)(2.2.23)圖2.2-5Z3=0、Z4=0時(shí)的電路模型圖2.2-6公共電源耦合電路圖2.2-7公共接地耦合阻抗電路對(duì)于圖2.2-5可作如下分析：

信號(hào)量是電流時(shí)，如果干擾電流通過Z11的一部分達(dá)到或超過了對(duì)象的敏感區(qū)門限，則會(huì)產(chǎn)生干擾作用。Z11的電流是有效電流和部分干擾電流的總和，即

信號(hào)量是電壓時(shí)，如果ZK上的干擾電壓(計(jì)有效電壓疊加)達(dá)到或超過了對(duì)象的敏感門限區(qū)，也將出現(xiàn)干擾作用。(2.2.24)阻抗ZK上的干擾電壓降為

顯而易見，當(dāng)耦合阻抗ZK趨于零時(shí)，通過Z11的干擾電流和ZK上的干擾電壓UsK均將消失。此時(shí)，在有效電流電路與干擾電流電路間即使存在電氣連接，它們也不再互相干擾。這種情況稱為電路去耦。(2.2.25)

2)電路性干擾抑制方法簡(jiǎn)介

為了抑制電路干擾，首先必須對(duì)電流回路的阻抗，特別是耦合阻抗的特性有所了解，耦合阻抗包括電阻、感抗和容抗。

(1)電阻。設(shè)R為與頻率有關(guān)的電阻，R0為直流電阻，f為頻率，r為導(dǎo)線半徑，σ為導(dǎo)線電導(dǎo)率，μ為導(dǎo)線導(dǎo)磁率，則實(shí)際電阻的相對(duì)值為

低頻時(shí)(x<1)，(2.2.26a)高頻時(shí)(x>1),

式中，x=0.5rπfσμ。

近似計(jì)算時(shí)，可認(rèn)為實(shí)際電阻與頻率的1/2次方成正比，即(2.2.26b)

(2)感抗。任何導(dǎo)線都存在著感抗，其值為

jXL=jωL=j2πfL

(2.2.27)

式中，L為導(dǎo)線的自感，它通常以耦合阻抗的形式出現(xiàn)，同別的電流回路發(fā)生電路耦合并產(chǎn)生干擾。一根導(dǎo)線的內(nèi)自感在直流時(shí)為0.05mH/km，它與導(dǎo)線直徑無關(guān)。

當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度與波長(zhǎng)可比擬時(shí)，宜采用分布參數(shù)概念，此時(shí)以特性阻抗計(jì)算比較恰當(dāng)。對(duì)于雙導(dǎo)線，其分布參數(shù)為式中，D為雙導(dǎo)線中心距離，d為導(dǎo)線直徑，εr為相對(duì)介電常數(shù)，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，L1、C1、R1分別為單位長(zhǎng)度的量值，ε0、μ0分別為真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

通常所用的普通柜式布線中，導(dǎo)線的電感為1μH/m的量級(jí)。

設(shè)有一驅(qū)動(dòng)電路，使1μs內(nèi)電流由0升至600mA，則在一根1m長(zhǎng)的供電線上產(chǎn)生的電壓降為

式中，L為導(dǎo)線單位長(zhǎng)電感，代入數(shù)據(jù)得

U=1m×1μH/m×600mA/μs=600mV=0.6V

圖2.2-8和圖2.2-9所示分別是電阻和感抗與頻率的關(guān)系。

(2.2.31)1—r=100mm；2—r=10mm；3—r=1mm；4—r=0.1mm圖2.2-8相對(duì)電阻與頻率的關(guān)系1—導(dǎo)線長(zhǎng)100m；2—導(dǎo)線長(zhǎng)10m；3—導(dǎo)線長(zhǎng)1m；4—導(dǎo)線長(zhǎng)0.4m；5—導(dǎo)線長(zhǎng)0.001m導(dǎo)線半徑—毫米量級(jí)；導(dǎo)線間距—厘米量級(jí)圖2.2-9導(dǎo)線感抗與頻率的關(guān)系

(3)容抗。容抗的表示式為

圖2.2-10給出了電流回路之間通過公共的導(dǎo)線阻抗和內(nèi)阻抗而互相影響并產(chǎn)生干擾的圖示。電容越大，干擾越小

(4)電路性干擾的抑制與避免措施：

①讓兩個(gè)電流回路或系統(tǒng)彼此無關(guān)。信號(hào)相互獨(dú)立，避免電路的連接。

②限制耦合阻抗，使耦合阻抗ZK、Z11、Z12越小越好。為使耦合阻抗小，必須使導(dǎo)線電阻和導(dǎo)線電感都盡可能小。(2.2.32)③各個(gè)不同的電流回路之間僅在唯一的一點(diǎn)作電的連接，在這一點(diǎn)都不可能流過電路性干擾。圖2.2-11給出正誤兩種連接方法。

④對(duì)電平相差懸殊的相關(guān)系統(tǒng)(例如，信號(hào)傳輸設(shè)備和大功率電氣設(shè)備之間)，采用電位隔離較好。

信號(hào)相關(guān)的電流回路的電位隔離，可采用以下原理工作的元件來完成：電氣—機(jī)械原理(繼電器)；電磁原理(變壓器)；光電原理(光電耦合器件)。圖2.2-10電流回路經(jīng)容抗產(chǎn)生的耦合圖2.2-11兩個(gè)信號(hào)回路的正誤接法(a)錯(cuò)；(b)對(duì)圖2.2-12電容性干擾的等值電路圖

3)電容性干擾的物理模型

圖2.2-12所示是電容性干擾的一個(gè)物理模型，它比較直觀地說明了產(chǎn)生電容性干擾的條件如下：

(1)在兩個(gè)導(dǎo)體表面1和2之間存在有一個(gè)干擾源。它可用初始電壓源U01和一個(gè)電源阻抗Zi來表示。

(2)存在于兩個(gè)導(dǎo)體表面3和4之間的一個(gè)干擾對(duì)象，它具有內(nèi)阻抗Z1。干擾源和干擾對(duì)象的基準(zhǔn)電位(導(dǎo)體2和4)在一般情況下是經(jīng)復(fù)阻抗Z2相互連接的。干擾源產(chǎn)生的電力線由導(dǎo)體1和2指向干擾對(duì)象的導(dǎo)體3和4，在等值電路圖中用耦合電容C13、C14、C23、C24來表示。

當(dāng)存在公共的基準(zhǔn)電位時(shí)(Z2=0)，干擾源(導(dǎo)體1、2)和干擾對(duì)象(導(dǎo)體3、4)的基準(zhǔn)電位相同。由圖2.2-13可得干擾電流(2.2.33)干擾電壓

導(dǎo)體1和3之間的耦合電容一般可簡(jiǎn)化為三種情形進(jìn)行估算：3和4是平行圓導(dǎo)線；或是兩個(gè)球體；或是兩個(gè)相互平行的平面。各種情況下的電容值可如圖2.2-14、圖2.2-15和圖2.2-16所示求得。(2.2.34)圖2.2-13干擾源和干擾對(duì)象的基準(zhǔn)電位相同時(shí)的電容性干擾C23、C24認(rèn)為是Zi和Z1的一部分圖2.2-14平行導(dǎo)線的電容圖2.2-15兩球體之間的電容1—均勻場(chǎng)a/d≤1；2—非均勻場(chǎng)a/d≥1圖2.2-16兩個(gè)圓盤之間的電容

4)電容性干擾的抑制方法

為了抑制電容性干擾，可考慮從干擾源、干擾對(duì)象和耦合途徑方面采取措施。

(1)針對(duì)干擾源和干擾對(duì)象可采取如下措施：

①干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應(yīng)使電壓變化幅度和變化率盡可能地小。

②被干擾系統(tǒng)應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成低阻及高信噪比的系統(tǒng)。③兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊，并且彼此在空間上相互隔離。

(2)針對(duì)減小電容性耦合可采取如下措施：

①兩個(gè)系統(tǒng)的耦合部分的布置應(yīng)使耦合電容(等值電路圖中的C13、C24)盡量小。例如，電線、電纜系統(tǒng)，應(yīng)使其間距盡量大些，導(dǎo)線短些，避免平行走線等。

②可對(duì)干擾源和干擾對(duì)象進(jìn)行電氣屏蔽，如圖2.2-17所示。屏蔽的目的在于切斷干擾源的導(dǎo)體表面1和干擾對(duì)象的導(dǎo)體表面3之間的電力線通路，使耦合電容C13變得最小。

③將耦合電容(C13、C24)彼此電氣對(duì)稱地連接，以抵消耦合的干擾信號(hào)，即所謂采用平衡措施來消除電容性干擾，圖2.2-18為平衡措施的原理和實(shí)例圖。平衡條件為

C13∶C23=C14∶C24(2.2.35)

這可以采用結(jié)構(gòu)性措施來實(shí)現(xiàn)，例如采用多芯導(dǎo)線互相絞合的辦法。圖2.2-17抑制電容性干擾的屏蔽圖2.2-18平衡措施原理與實(shí)例

(a)原理；(b)實(shí)例

4.磁耦合干擾

1)磁耦合干擾的物理模型

磁耦合干擾也叫電感性干擾，圖2.2-19所示是它的干擾模型。產(chǎn)生磁耦合的條件有兩個(gè)：第一，存在以電流回路U01形式出現(xiàn)的干擾源，其中，電流為I1，產(chǎn)生的磁通Φ1(見圖2.2-19(a))；第二，存在以電流回路U02形式出現(xiàn)的干擾對(duì)象，它與干擾源和磁通Φ1相交連，干擾電流I1的變化在干擾對(duì)象中感應(yīng)一個(gè)電壓，其大小為

這是一個(gè)典型的表達(dá)式，當(dāng)互感MK較大或電流I1對(duì)時(shí)間的變化率較高時(shí)，產(chǎn)生的干擾電壓也大。(2.2.36)圖2.2-19電感性干擾(a)干擾模型；(b)等值電路；(c)導(dǎo)線排列；(d)導(dǎo)線絞合；(e)平衡；(f)增大間距兩個(gè)電感耦合的電流回路可用如圖2.2-19(b)所示的等值電路表示。當(dāng)U01為正弦波，U02=0時(shí)，其幅值有

U01=I1Z1-I2jωMK

(2.2.37)

0=I2Z2-I1jωMK

(2.2.38)

式(2.2.38)表明，耦合程度將由互感來確定。如果導(dǎo)線排列形式如圖2.2-19(c)所示，則互感為(2.2.39)式中，l是導(dǎo)線的長(zhǎng)度。由上式可見，要減小耦合，可采用導(dǎo)線絞合的形式來降低MK，如圖2.2-19(d)所示。另外，還可以減小導(dǎo)線環(huán)所圍成的面積，增大兩個(gè)回路的間距，如圖2.2-19(f)所示。

2)抑制磁耦合干擾的措施

為了抑制磁耦合帶來的電磁干擾，可從干擾的三個(gè)要素著手采取一定的措施。

(1)針對(duì)干擾源和干擾對(duì)象采取的措施：①干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應(yīng)使電流變化的幅度和速率盡量小。②干擾對(duì)象應(yīng)該具有低阻抗、高信噪比。③干擾源和干擾對(duì)象在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量緊湊，在空間上彼此隔開。

(2)針對(duì)減小電感耦合的措施：①減少兩個(gè)系統(tǒng)的互感(主要指電線電纜)，讓導(dǎo)線盡量短，間距盡量大，避免平行走線，采用雙線結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)縮小電流回路所圍成的面積。②對(duì)于干擾源或干擾對(duì)象設(shè)置磁屏蔽，以抑制干擾磁場(chǎng)。屏蔽可以采用鐵磁性導(dǎo)體，也可以用感應(yīng)的渦流。

③采用結(jié)構(gòu)平衡措施，使干擾磁場(chǎng)以及耦合的干擾信號(hào)大部分相互抵消。主要有兩種方法：一種是磁場(chǎng)去耦，使被干擾的導(dǎo)線環(huán)在干擾場(chǎng)中的放置處于切割磁力線最小的方式，則耦合的干擾源信號(hào)也最小，如圖2.2-20所示；另一種是導(dǎo)線環(huán)平衡，將一個(gè)電流的來回線間的表面積分成極性交錯(cuò)的若干局部耦合環(huán)，如圖2.2-21所示。圖2.2-20磁場(chǎng)去耦圖2.2-21導(dǎo)線環(huán)平衡2.2.2輻射干擾

1.輻射干擾源的基本單元

輻射干擾源的種類很多，就人為干擾源來說，都可歸為電偶極子和磁偶極子的輻射，任何輻射源的輻射都可從這兩個(gè)基本單元的輻射進(jìn)行分析推導(dǎo)。

1)電偶極子的輻射

所謂電偶極子，是一段很短的載流導(dǎo)線，線長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線上電流的波長(zhǎng)，線上電流為均勻分布，隨時(shí)間作正弦變化。為了分析方便，將電偶極子置于一個(gè)球坐標(biāo)系下，如圖2.2-22所示。電偶極子元線長(zhǎng)為dz，線上電流為Iejωt，則該電偶極子產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)為

式中：K=2π/λ,λ為波長(zhǎng)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

式中的時(shí)間因子ejωt已略去，Er、Eθ、Hφ分別為球坐標(biāo)系下的三個(gè)分量，其他分量的場(chǎng)均為零。圖2.2-22電偶極子坐標(biāo)

2)場(chǎng)區(qū)劃分

根據(jù)電偶極子產(chǎn)生的場(chǎng)的特性，可將其在空間的場(chǎng)分為三個(gè)區(qū)域：近區(qū)場(chǎng)、中區(qū)場(chǎng)、遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。

(1)近區(qū)場(chǎng)。當(dāng)滿足Kr<<1時(shí)，即r<<λ/2π的區(qū)域，稱為近區(qū)。這一區(qū)域的場(chǎng)主要是感應(yīng)性質(zhì)的場(chǎng)，又稱為感應(yīng)場(chǎng)或近場(chǎng)。從場(chǎng)的表示式可以看出，這時(shí)，對(duì)E0、Er可忽略1/r和(1/r)2項(xiàng)，對(duì)Hφ可忽略1/r項(xiàng)，場(chǎng)化簡(jiǎn)為可見，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相位差90°，是一個(gè)場(chǎng)的振蕩，其電場(chǎng)按1/r3關(guān)系衰減，磁場(chǎng)按1/r2關(guān)系衰減。

(2)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。當(dāng)滿足Kr<<1時(shí)，即r在r>>λ/2π的區(qū)域稱之為遠(yuǎn)區(qū)。這時(shí)，可忽略場(chǎng)表示式中的高次項(xiàng)，僅保留1/r項(xiàng)，場(chǎng)化簡(jiǎn)為

Er=0

(2.2.46)(2.2.47)(2.2.48)且有，(2.2.49)稱η為空間的波阻抗。

由以上可見，電場(chǎng)與磁場(chǎng)同相位，能量傳輸方向?yàn)閞徑向，表示場(chǎng)在向r徑向傳輸或輻射，所以稱這一區(qū)域的場(chǎng)為遠(yuǎn)場(chǎng)或輻射場(chǎng)。

場(chǎng)量Eθ和Hφ均正比于因子e-jKr/r，這表明電偶極子的輻射場(chǎng)是一個(gè)球面波，當(dāng)r足夠大時(shí)，局部可認(rèn)為是平面波。另外，場(chǎng)量還與sinθ成比例，表明輻射場(chǎng)是有方向性的，在不同的方向產(chǎn)生的輻射場(chǎng)也不同。以上結(jié)論雖然僅適用于電偶極子，但也能很容易地用它們求出任何電流分布已知時(shí)導(dǎo)線的輻射場(chǎng)。具體方法是把導(dǎo)線進(jìn)行微分，每一個(gè)微分元可看做一個(gè)電偶極子，然后把所有的電偶極子產(chǎn)生的場(chǎng)相加，實(shí)際上是一個(gè)積分的過程。如果導(dǎo)線為直導(dǎo)線，長(zhǎng)為l，其上電流的分布為I(z)，則該導(dǎo)線的輻射場(chǎng)為

(3)中區(qū)場(chǎng)。在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)與近區(qū)場(chǎng)的分界區(qū)域，即r=λ/2π附近，稱為中區(qū)。這時(shí)，場(chǎng)的各項(xiàng)都不能忽略，因而保持式(2.2.40)～(2.2.42)的形式，這一區(qū)域既有感應(yīng)場(chǎng)，又有輻射場(chǎng)。

3)磁偶極子的輻射

磁偶極子可認(rèn)為是一個(gè)直徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的載流圓環(huán)導(dǎo)線，將其置于球坐標(biāo)系下，如圖2.2-23所示。

該坐標(biāo)系下，磁偶極子產(chǎn)生的場(chǎng)為(2.2.52)(2.2.53)(2.2.54)式中，dm為磁偶極子的微分磁矩，它的大小為導(dǎo)線電流I與圓環(huán)的面積A的乘積。圖2.2-23磁偶極子坐標(biāo)仔細(xì)觀察磁偶極子的場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)它與電偶極子的場(chǎng)極為相似，不同之處僅僅是將電與磁的量互換。這正是電磁理論中的對(duì)偶原理。所以，對(duì)磁偶極子的分析可以仿照電偶極子的分析，把場(chǎng)區(qū)分為三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的特性與電偶極子基本相同。

應(yīng)該指出，自然界中至今還沒有發(fā)現(xiàn)理想的磁偶極子，這里講的磁偶極子只是一種假定，因?yàn)?，微分小環(huán)的輻射與理想的磁偶極子的輻射完全相同。當(dāng)圓環(huán)的直徑小于λ/10時(shí)，場(chǎng)的表示式是相當(dāng)精確的。

4)無窮大金屬平面的窄縫輻射

還有一種結(jié)構(gòu)，其輻射特性與磁偶極子的輻射特性非常相似，那就是無窮大金屬平面上的窄縫。這種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)橫跨縫隙的窄邊，它的輻射相當(dāng)于一個(gè)正好填滿該縫隙的電偶極子的輻射。兩者的唯一的區(qū)別僅在于是將電和磁的量互換。

2.輻射干擾的物理模型

1)物理模型

一個(gè)干擾源，它向空間傳播電磁波，其電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，它的普通表示式是式(2.2.40)～(2.2.42)。當(dāng)r>>λ/(2π)時(shí)，有E/H=η；當(dāng)r<<λ/(2π)時(shí)，如果干擾源具有大電流低電壓，則磁場(chǎng)H起主要作用，如果干擾源具有高電壓小電流，則電場(chǎng)E起主要作用。

另有一個(gè)干擾對(duì)象，它的兩根導(dǎo)線3和4就好像是天線，接收E和H。這兩根導(dǎo)線可能連成一個(gè)環(huán)，也可能其中一根導(dǎo)線接地。

2)高阻抗場(chǎng)與低阻抗場(chǎng)

自由空間遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的波阻抗ηo=120π，而在近區(qū)場(chǎng)時(shí)，對(duì)于電偶極子作為干擾源的感應(yīng)場(chǎng)區(qū)間，則會(huì)出現(xiàn)高阻抗場(chǎng)，并且干擾場(chǎng)主要是電場(chǎng)發(fā)生源起主要作用。

關(guān)于阻抗場(chǎng)源和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系概念圖如圖2.2-24所示。圖2.2-24源種類與場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系(a)高阻抗場(chǎng)的源及波；(b)低阻抗場(chǎng)的源及波從式(2.2.44)和式(2.2.45)出發(fā)，設(shè)定電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比值為近場(chǎng)區(qū)的空間阻抗，記為ZE，則有(2.2.55)令,則(2.2.56)由于是近區(qū)場(chǎng)，故x<1。這時(shí)，必然有

ZE>ηo=120π

(2.2.57)正因?yàn)閆E大于自由空間波阻抗，所以稱為高阻抗場(chǎng)，它與距離的關(guān)系如圖2.2-25所示。圖2.2-25空間阻抗源的距離變化情況同樣道理，對(duì)于磁偶極子作為干擾源的感應(yīng)場(chǎng)區(qū)間，即磁場(chǎng)源的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，將會(huì)出現(xiàn)低阻抗場(chǎng)，用ZH表示。很易推得

ZH<ηo=120π

(2.2.58)

3)減小輻射干擾的措施

根據(jù)輻射干擾的性質(zhì)，就可以制定減小輻射干擾的措施，主要如下：

(1)輻射屏蔽，即在干擾源和干擾對(duì)象之間插入一金屬屏蔽物，以阻擋干擾的傳播，如圖2.2-26所示。

(2)極化隔離，即干擾源與干擾對(duì)象在布局上采取極化隔離措施，使二者的極化正交。

(3)距離隔離，即增大干擾源與干擾對(duì)象之間的距離，這是由于在近場(chǎng)區(qū)，場(chǎng)強(qiáng)與距離成1/r2或1/r3的比例關(guān)系。

(4)方向性隔離，即利用天線方向性的特點(diǎn)，讓干擾源方向性最小點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾對(duì)象，以達(dá)到減小干擾的目的。

(5)吸收涂層，即在干擾對(duì)象表面涂覆一層吸波材料。圖2.2-26輻射屏蔽示意圖

3.輻射對(duì)電路產(chǎn)生的共模干擾

電磁輻射干擾源產(chǎn)生的輻射場(chǎng)，在設(shè)備之間的連接上會(huì)感應(yīng)一個(gè)干擾電壓U，且有

此干擾電壓將在導(dǎo)線上產(chǎn)生一共模干擾電流，它通過位移電流或地回路電流流動(dòng)，形成一個(gè)閉合回路，從而存在一個(gè)回路面積。

如圖2.2-27所示為一設(shè)備連線的回路面積，就是天線的等效面積，因低頻處容抗較高，其電流值較小。(2.2.59)如果導(dǎo)線的兩端接有設(shè)備，如圖2.2-28所示?；芈访娣e與導(dǎo)線電容都會(huì)增加，從而導(dǎo)致共模電壓及電流相應(yīng)地增加，但電流的增加率較快，因大的回路面積產(chǎn)生的電壓高，而高電容值的阻抗又較小，所以電流急劇上升。

圖2.2-29所示將懸浮的導(dǎo)線拉至接近地面，這種情況會(huì)使導(dǎo)線兩端對(duì)接地面的容量增加，而導(dǎo)線兩端間的電容較圖2.2-28中的情況要小。因此感應(yīng)的共模電流仍然較大。

在圖2.2-30中，導(dǎo)線兩端的設(shè)備直接連到接地面，此時(shí)回路面積沒有改變多少，但共模電流會(huì)因設(shè)備內(nèi)的導(dǎo)線都接于機(jī)殼上和導(dǎo)線為同軸電纜或屏蔽導(dǎo)線等原因而大量地增加。圖2.2-27直接引入導(dǎo)線上的閉路電流圖2.2-28電容容量的增加，使共模電流增加圖2.2-29和圖2.2-30所示都屬于設(shè)備接地的情況。在某些頻率下，圖2.2-29中阻抗較低，這是因?yàn)閳D2.2-30所示的電路含有一并聯(lián)的諧振電路(機(jī)殼至地端的電容及導(dǎo)線的電感值)，所以對(duì)回路面積和回路阻抗應(yīng)分開討論。

然而，并非所有的接地回路都與圖2.2-29和圖2.2-30所示相同。如圖2.2-31所示就是其中一例。直接把設(shè)備置于金屬接地面上，形成的回路相當(dāng)具體。連接線的長(zhǎng)度可近似和設(shè)備間的距離相等，連接線的高度可取其平均高度。圖2.2-29導(dǎo)線靠近地面的情況圖2.2-30設(shè)備接地的情況圖2.2-31較具體的接地回路實(shí)際中常常存在另外一種情況，如圖2.2-32所示。這種情況的接地回路就不容易確定。如果其中一個(gè)電氣設(shè)備或二者為浮接，則設(shè)備機(jī)殼底部與接地面很容易形成雜散電容。造成浮接的原因可能為這些設(shè)備置于鋼筋混凝土的地面，或是設(shè)備上有橡膠輪支撐，故無法直接與金屬接地面接觸。圖中的陰影部分提出一個(gè)計(jì)算接地回路的方法。有時(shí)連接線太長(zhǎng)，某些部分甚至落在電氣設(shè)備底端的地面上，使地回路更難確定。圖2.2-32不太明顯的地回路電場(chǎng)或磁場(chǎng)對(duì)封閉的回路很容易形成噪聲電流而串入導(dǎo)線中。電場(chǎng)對(duì)電路形成的共模干擾(CommonModeCoupling,CMC)為

式中：Uc為感應(yīng)的回路電壓(V)，即共模干擾電壓；E為進(jìn)入的電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)；h為回路的平均高度，h<<λ；l為回路長(zhǎng)度，l<<λ；λ為波長(zhǎng)；α為回路所在平面與電場(chǎng)傳播方向的夾角；θ為l與E的夾角。(2.2.60)

通常設(shè)；當(dāng)，≤0.5時(shí)，則由式(2.2.60)可得

由式(2.2.61)可知，當(dāng)l、h<<λ時(shí)，共模干擾隨著頻率的增加而增加，直到l/λ=0.5時(shí)為止。當(dāng)l/λ>0.5時(shí)，式(2.2.61)不再適用，而需要做一些修正。將l=λ/2代入式(2.2.61)，有(2.2.61)(2.2.62)這便是l≥0.5λ,h<0.5λ時(shí)適用的公式。當(dāng)l<0.5λ、h≥0.5λ時(shí)，有

這時(shí)的共模干擾與頻率無關(guān)。

式(2.2.61)～(2.2.63)就是計(jì)算輻射電場(chǎng)對(duì)電路形成的共模干擾電壓的公式。

同樣道理，磁場(chǎng)對(duì)電路形成的共模干擾為(2.2.63)(2.2.64)式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)；c為電磁波速度，空氣中c=3×108m/s；α為回路平面與磁場(chǎng)傳輸方向的夾角。

當(dāng)l、h取不同值時(shí)，Uc/B分別為例2.2.1設(shè)f=1MHz的干擾場(chǎng)強(qiáng)為E=1V/m，兩設(shè)備連線長(zhǎng)l=1m，平均高度h=20cm，試計(jì)算電磁輻射對(duì)該回路產(chǎn)生的共模干擾電壓Uc和共模干擾CMC。

解f=1MHz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為

由公式(2.2.61)可求得將E=1V/m代入，得

4.電磁輻射對(duì)電路產(chǎn)生的異模干擾

電磁輻射對(duì)電路產(chǎn)生的異模干擾通常出現(xiàn)在電路的輸入端。圖2.2-33所示就是一個(gè)產(chǎn)生異模干擾的典型情況。

異模干擾電壓的計(jì)算與共模干擾電壓的計(jì)算基本相同，只需將導(dǎo)線間隔S代替平均高度h代入共模干擾電壓的計(jì)算公式即可，且把Uc換成Ud，即圖2.2-33電路的異模干擾異模干擾值用符號(hào)DMG表示，其定義為

同軸線也會(huì)產(chǎn)生異模干擾，可以將其分成兩部分：第一部分為輻射場(chǎng)的干擾，使同軸線表層產(chǎn)生干擾電流；第二部分為同軸線的阻抗轉(zhuǎn)換，它將干擾電流轉(zhuǎn)換為異模干擾電壓。同軸線的異模干擾值為

式中，Ic為同軸線表層的干擾電流；Zt為同軸線的轉(zhuǎn)換阻抗。圖2.2-34同軸線轉(zhuǎn)換阻抗含義示意圖同軸線Ic的推導(dǎo)較為繁瑣，在此給出的Ic/E的結(jié)果如下：

式中，l為同軸線長(zhǎng)度，f用MHz。

Zt定義為同軸線外導(dǎo)體表層單位長(zhǎng)度的干擾電壓與干擾電流之比，如圖2.2-34所示。必須注意，轉(zhuǎn)換阻抗與特性阻抗是兩個(gè)完全不同的概念，為便于計(jì)算，圖2.2-35給出了幾種同軸線的轉(zhuǎn)換阻抗與頻率的關(guān)系曲線。圖2.2-35同軸線的轉(zhuǎn)換阻抗

5.外導(dǎo)線及地回路產(chǎn)生的輻射

當(dāng)引出線的長(zhǎng)度大于設(shè)備的最大外尺寸時(shí)，此導(dǎo)線將成為電磁干擾發(fā)射源的主要部分。若當(dāng)線位于接地面上h高度處，并帶有信號(hào)時(shí)，導(dǎo)線與接地面間會(huì)形成一共模電壓，迫使其產(chǎn)生共模電流。這個(gè)共模電流就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)共模輻射場(chǎng)。圖2.2-36所示為導(dǎo)線及地回路產(chǎn)生共模輻射干擾的結(jié)構(gòu)圖，產(chǎn)生的共模電流為式中，Uc為共模電壓，ZCE為RL的“熱端”至設(shè)備的機(jī)架上的雜散電容阻抗，ZEF為設(shè)備至接地面的阻抗。若設(shè)備接地，則此值為零；若為浮接，則此值為電路板至機(jī)架的容抗。ZDE為電路板零伏特至機(jī)架上的阻抗。若電路板接地，則此值為零；若為浮接，則此值為電路板至機(jī)架的容抗。圖2.2-36外導(dǎo)線及地回路產(chǎn)生的共模輻射(a)外導(dǎo)線與地回路示意圖；(b)外導(dǎo)線與設(shè)備連接圖；(c)外導(dǎo)線與設(shè)備連接等效電路某些情況下，ZCE>>ZDE(若電路板零伏特接地，更容易得到滿足)，式(2.2.75)第一項(xiàng)可略去不計(jì)，共模電流可簡(jiǎn)化為

式中，ZDE+ZEF為電路板零伏特點(diǎn)至接地面的浮接阻抗，令Z=RL+ZDE+ZEF，則

6.長(zhǎng)載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)

當(dāng)觀測(cè)距離與直導(dǎo)線或環(huán)路尺寸相差不遠(yuǎn)時(shí)，不屬于近場(chǎng)的情況，須作以下討論。

由安培環(huán)路定律可知，一載有電流I的長(zhǎng)導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

式中，R為場(chǎng)點(diǎn)與導(dǎo)線間的距離，如圖2.2-37(a)所示。根據(jù)共模電流和異模電流的含義，單根導(dǎo)線上的電流可以看成是共模電流。而對(duì)于如圖2.2-37(b)所示的導(dǎo)線對(duì)，則可看成是異模電流的情況，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)為圖2.2-37直導(dǎo)線共模及導(dǎo)模電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)

7.地回路耦合干擾

場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線的共模干擾和共地阻抗的共模干擾，均是地回路耦合的主要干擾源，為討論共模干擾電壓對(duì)受害的電路會(huì)有多大的影響，定義一個(gè)地回路耦合(GroundLoopCoupling,GLC)，它與共模抑制密切相關(guān)。

式中，U0為受害放大器或邏輯電路輸入端的電壓，Uc為由公共地阻抗或電磁輻射耦合到回路面積所產(chǎn)生的共模電壓。圖2.2-38所示是一個(gè)平衡系統(tǒng)，信號(hào)源與負(fù)載皆為平衡型。它也可以改為非平衡系統(tǒng)，適用于同軸電纜傳輸線，如圖2.2-39所示。當(dāng)然，不同的結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的性能，所以地回路的干擾將根據(jù)傳輸線的種類分別加以討論。

在如圖2.2-38所示回路中，感應(yīng)的共模電壓Uc產(chǎn)生一共模電流沿回路ABCDEFGHA及ABCIJGHA單導(dǎo)線對(duì)流動(dòng)。因兩個(gè)回路的阻抗并不相同，故會(huì)在受害放大器或邏輯電路的輸入端產(chǎn)生一電壓U0。

圖2.2-40所示為一電磁場(chǎng)作用于閉合回路的示意圖，當(dāng)?shù)降氐倪B線如A點(diǎn)到機(jī)殼或F點(diǎn)到機(jī)殼的連線被去掉時(shí)，雜散電容Cp就相當(dāng)于等效電路C，且Cp成為地回路的一部分。圖2.2-38平衡系統(tǒng)的地回路耦合圖2.2-39非平衡系統(tǒng)的地回路耦合圖2.2-40電磁場(chǎng)作用于閉合回路在電路一端或兩端浮地的情況下，由于寄生電容CP(見圖2.2-40)的阻抗減小，GLC就隨頻率而增加。當(dāng)頻率進(jìn)一步增加時(shí)，由于電纜的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的作用，地回路耦合下降。但當(dāng)頻率進(jìn)一步增加，電纜長(zhǎng)度變得可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，如圖2.2-41所示，電纜長(zhǎng)度超過λ/2時(shí)，地回路耦合特性呈現(xiàn)振蕩形式，出現(xiàn)的最大值與最小值的位置，取決于電纜參數(shù)(單位長(zhǎng)度的電感、電容、電阻、電導(dǎo))、電纜長(zhǎng)度與電路阻抗。這些參數(shù)隨各電纜的型號(hào)、源以及負(fù)載阻抗而變，必須按各種應(yīng)用場(chǎng)合確定。圖2.2-41地回路耦合隨頻率變化情況

8.輸電線與電源系統(tǒng)的耦合干擾

輸電線和電源之間的電磁耦合涉及交流和直流非穩(wěn)壓輸電線上的傳導(dǎo)發(fā)射，其發(fā)射頻[CM)]率可以是50Hz、60Hz或400Hz電源的諧波，來自有害發(fā)射器的窄帶信號(hào)或來自脈沖型或瞬變發(fā)生源的寬帶能量。有害發(fā)射形式可能耦合到電源線上，因?yàn)槠渌脩粢策B接在同一電源線上。每當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的負(fù)載從公共電源或配電系統(tǒng)取自變量功率時(shí)，總會(huì)發(fā)生公共阻抗耦合。每當(dāng)負(fù)載之一從配電系統(tǒng)吸取功率時(shí)，由于配電系統(tǒng)存在內(nèi)部阻抗，在電力系統(tǒng)與導(dǎo)線上，總會(huì)發(fā)生穩(wěn)態(tài)或瞬變異模電壓降。此異模電壓降落在電力系統(tǒng)的所有負(fù)載上都可能呈現(xiàn)，若它超過設(shè)備敏感度電平就會(huì)造成系統(tǒng)失效。它對(duì)上升時(shí)間快的高速開關(guān)數(shù)字系統(tǒng)與高頻模擬系統(tǒng)服務(wù)的配電系統(tǒng)是特別危險(xiǎn)的。除此之外，若輸電線受到外來輻射(特別是閃電)能量影響，則有害發(fā)射表現(xiàn)為共模瞬變過程或共模噪聲。圖2.2-42所示為電力線及電源系統(tǒng)的共模與異模阻抗以及相關(guān)接地結(jié)構(gòu)的示意圖，它可作為一般的通用耦合模型。

對(duì)于實(shí)際的接地及相關(guān)的阻抗應(yīng)注意以下事項(xiàng):

(1)了解從電網(wǎng)到設(shè)備電源系統(tǒng)或從設(shè)備電源系統(tǒng)到電網(wǎng)占優(yōu)勢(shì)的耦合通路；

(2)求出共模(CM)及異模(DM)的轉(zhuǎn)換比；

(3)選擇適當(dāng)?shù)臑V波器來抑制發(fā)射和減小敏感度；

(4)確定系統(tǒng)的安全要求。圖2.2-42一般耦合模型主要電網(wǎng)的耦合模型如圖2.2-43所示，其中ZS表示電網(wǎng)源阻抗，ZL是電力線系統(tǒng)輸入阻抗。對(duì)于圖2.2-43所示的電網(wǎng)，首先應(yīng)考慮電網(wǎng)的阻抗值，原則上在直流至幾千赫頻率時(shí)，電網(wǎng)的共模與異模阻抗大致等于其直流電阻，其值約在1Ω左右，如果直流至數(shù)千赫低頻處的阻值未知，則可使用下面的參數(shù)值：

(1)大型高壓的建筑物用戶進(jìn)線，3mΩ～10mΩ。

(2)大型商業(yè)/工業(yè)用室內(nèi)配電盤(100kVA),20mΩ。

(3)分支電路的電源插座，20mΩ～1Ω。圖2.2-43基本的電源耦合模型(a)基本等效電路；(b)頻率為直流自幾千赫茲；(c)頻率高于幾千赫茲這些值為電源總阻抗，即安全地線、地回路以及源供應(yīng)線三者阻抗之和。

當(dāng)頻率高于幾千赫茲時(shí)，電網(wǎng)的共模及異模阻抗值取決于如下因素：頻率、配電網(wǎng)長(zhǎng)度以及電網(wǎng)的性質(zhì)和線路(導(dǎo)線尺寸、架空線或地下線、電線管類型等)，在電網(wǎng)中的電抗裝置(功率因數(shù)補(bǔ)償電容器組、消諧波扼流圈等)，在一天的特定時(shí)間內(nèi)給定位置上的用戶負(fù)荷量的波動(dòng)。

圖2.2-44給出了電網(wǎng)耦合的通用發(fā)射與敏感度模型，圖2.2-44給出了歐美國(guó)家確定的集合電網(wǎng)阻抗值的范圍。參看如圖2.2-44所示的推薦準(zhǔn)則。圖2.2-44電網(wǎng)耦合中的發(fā)射/敏感度的一般概念(a)發(fā)射準(zhǔn)則；(b)敏感度準(zhǔn)則圖2.2-45綜合美國(guó)和歐洲電網(wǎng)的電網(wǎng)阻抗絕對(duì)值(CM或DM)

(1)對(duì)發(fā)射準(zhǔn)則而言，臨界情況是由于設(shè)備發(fā)射而出現(xiàn)的交流電網(wǎng)上電壓，應(yīng)使用比電網(wǎng)阻抗高10%的值，以便在多達(dá)90%的有代表性的整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中能容忍最高的干擾風(fēng)險(xiǎn)。

(2)對(duì)敏感度準(zhǔn)則而言，應(yīng)使用比電網(wǎng)阻抗低10%的值，以保證90%有代表性的全體產(chǎn)品安裝后，敏感度的合格率達(dá)到90%。其次是產(chǎn)品的電源系統(tǒng)的輸入阻抗的取值問題？這個(gè)問題要從電源系統(tǒng)的前端電路談起。在使用輸入電源變壓器(假設(shè)無輸入濾波器)的情況下，低頻時(shí)異模輸入阻抗相當(dāng)于輸入電壓與額定電流之比。隨著頻率的增加，異模輸入阻抗因?qū)Ь€與變壓器輸入電感的緣故而直線增加，共模輸入阻抗在低頻下通常是較高的，這是因?yàn)殡娫摧斎胂鄬?duì)于底板是浮地的。它隨著頻率的增加而減小，主要是因?yàn)椴季€、印制電路板和底板對(duì)地電容的緣故。電源系統(tǒng)輸入阻抗的態(tài)勢(shì)如圖2.2-46所示。圖2.2-46電源系統(tǒng)輸入阻抗的態(tài)勢(shì)欲精確地確定共模與異模輸入阻抗，可以進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。(1)電源系統(tǒng)的共模干擾。電源系統(tǒng)本身出現(xiàn)的共模干擾會(huì)對(duì)受害電路產(chǎn)生干擾一干擾取決于輸入與輸出之間的絕緣阻抗及漏電容，如圖2.2-47所示。圖2.2-47各種輸入、輸出隔離的變壓器的抑制對(duì)共模輸入變化的作用圖圖中，Cp為輸入、輸出間雜散電容，Rp為輸入、輸出間絕緣電阻，Cg為次級(jí)對(duì)地雜散電容。落在次級(jí)負(fù)載上的電壓為

式中，UcM為共模干擾電壓；ZCg為次級(jí)參考點(diǎn)接于機(jī)殼，且次級(jí)電壓為零時(shí)，零伏特點(diǎn)至接地端雜散電容的阻抗。圖2.2-47中的曲線同時(shí)顯示各種輸入、輸出隔離變壓器的抑制值對(duì)共模輸入變化的作用。其中，假設(shè)次級(jí)接地于機(jī)殼，或次級(jí)不接地而用于一個(gè)30pF電容接地。另外，圖中的負(fù)載阻抗歸一化為1Ω，若負(fù)載不為1Ω，則求出值再加上20lgZL，即

共模抑制值=KdB+20lgZL(2.2.83)

式中，KdB為通過曲線求得的值。

(2)電源系統(tǒng)的異模干擾。抑制異模干擾的能力取決于電源系統(tǒng)對(duì)輸入變化的動(dòng)態(tài)程壓程度A。

穩(wěn)壓程度可以表示為

對(duì)于異模輸入，有

從而U0=UDM×10A/20

式中，U0為次級(jí)輸入電壓，UDM為初級(jí)輸入異模電壓。(2.2.84)(2.2.85)當(dāng)頻率較低時(shí)，A的衰減量不隨頻率變化，僅與電力調(diào)整度有關(guān)。當(dāng)頻率超過電源穩(wěn)壓系統(tǒng)可以控制的最大頻率后，衰減量以20dB/10倍頻率的速率減小。所以在已知電源可以控制的最大頻率fmax的情況下，如果設(shè)電力調(diào)整度為0.1%，則有

圖2.2-48示出了電力調(diào)整度為0.01%、0.1%、1%三種情況下衰減量對(duì)異模輸入變化的作用。圖2.2-48不同電力調(diào)整度時(shí)，穩(wěn)壓電源系統(tǒng)對(duì)異模輸入變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

9.電磁脈沖輻射干擾

電磁脈沖輻射干擾是輻射干擾中的一類特殊而重要的干擾形式。電磁脈沖(EMP)產(chǎn)生于瞬態(tài)的電磁場(chǎng)變化。電磁脈沖大致分為三種：第一種為系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁脈沖；第二種為雷電脈沖；第三種為核電磁脈沖。系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁脈沖是最常見的脈沖現(xiàn)象，例如感性負(fù)載的接通和斷開瞬間，會(huì)產(chǎn)生高壓放電。雷電脈沖和核電磁脈沖的形式相近，但強(qiáng)度遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的電磁脈沖。雷電脈沖產(chǎn)生于雷電放電的瞬間，核電磁脈沖產(chǎn)生于核武器爆炸的瞬間。一般核電磁脈沖的強(qiáng)度和影響范圍都比雷電脈沖大。然而，無論何種形式的電磁脈沖，都伴隨著很強(qiáng)的輻射產(chǎn)生，即使在傳導(dǎo)線路中(非輻射裝置)產(chǎn)生的電磁脈沖，也會(huì)沿傳輸導(dǎo)線或從其產(chǎn)生空間向外輻射脈沖電磁場(chǎng)，干擾附近甚至遠(yuǎn)處的電子設(shè)備。因此，電磁脈沖輻射干擾的強(qiáng)度大、頻譜寬，干擾危害更大。

1)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁脈沖干擾

在電子系統(tǒng)的工作環(huán)境中，往往存在各種電氣控制裝置和電氣運(yùn)行裝置。這些裝置一般都是感性負(fù)載，如交/直流繼電器、交/直流電磁鐵和交/直流電機(jī)等。這些感性負(fù)載的控制器件，有觸點(diǎn)式開關(guān)，也有電子式開關(guān)(又稱無觸點(diǎn)開關(guān))。無論是哪一種控制器件，當(dāng)其斷開或接通負(fù)載的供電電源時(shí)，都將在電感線圈的兩端產(chǎn)生高于電源電壓數(shù)倍至數(shù)十倍的高反壓。這一高達(dá)百伏甚至數(shù)千伏的沖擊電壓，不僅能使觸點(diǎn)或控制器件的觸點(diǎn)間產(chǎn)生電擊穿，出現(xiàn)飛弧放電和輝光放電現(xiàn)象，還能使電子式開關(guān)產(chǎn)生破壞性擊穿。與此同時(shí)，還能夠產(chǎn)生對(duì)低電平電子系統(tǒng)危害很大的高頻電磁輻射。因此，為區(qū)別來自系統(tǒng)外部的電磁脈沖輻射，特將此類電磁脈沖歸類為系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁脈沖。

(1)高反壓脈沖的產(chǎn)生。感性負(fù)載的工作回路如圖2.2-

49所示。圖中，U為電源電壓，L為負(fù)載電感，r0為負(fù)載內(nèi)阻。當(dāng)開關(guān)S閉合或斷開時(shí)，在電感L兩端就會(huì)產(chǎn)生高反壓(反向電動(dòng)勢(shì))。該高反壓除與電感L的大小有關(guān)外，還與繼電器的觸點(diǎn)S的開關(guān)特性、回路分布電容Cfb及工作電流有關(guān)。在此先討論不計(jì)開關(guān)特性的情形。圖2.2-49電感性負(fù)載回路圖2.2-50負(fù)載兩端的電壓波形當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，負(fù)載兩端的電壓波形如圖2.2-50所示。電感兩端的電壓ULD為

式(2.2.86)表明，當(dāng)電感中的電流突然中斷時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)很高的瞬間電壓。如果變化很大，且為負(fù)值時(shí)，則可形成一個(gè)高的反向沖擊電壓。從理論上來講，當(dāng)電流以某一個(gè)有限值瞬間變化到零時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)無限大的感應(yīng)電壓，但由于開關(guān)接點(diǎn)的擊穿放電以及回路分布電容Cfb的影響，電路斷開時(shí)的波形如圖2.2-51所示。(2.2.86)圖2.2-51電路斷開時(shí)的電壓波形在實(shí)際電路中，當(dāng)一個(gè)電感線圈被不同控制電器觸點(diǎn)通斷時(shí)，由于觸點(diǎn)的分布電容不同，動(dòng)作速度不同，以及觸點(diǎn)間電壓擊穿程度不同，那么所產(chǎn)生的反向電勢(shì)也不會(huì)一樣。再者，不同的電流回路，穩(wěn)態(tài)電流I0也不同。即使是同一電路，各次斷開的反向電勢(shì)也不相同。因此，感性負(fù)載引起的高反壓脈沖干擾具有難以確定的屬性。這對(duì)研究此類干擾帶來一定的困難。

然而，理論和實(shí)驗(yàn)已顯示出一些規(guī)律：反向電勢(shì)與穩(wěn)態(tài)電流I0的關(guān)系很大，工作電流大的反向電勢(shì)就高；反之，反向電勢(shì)就低。實(shí)際上，從電感線圈的儲(chǔ)能和斷路時(shí)能量轉(zhuǎn)換的角度，可以粗略地找出反向電勢(shì)與電流I0和電感L之間的關(guān)系。設(shè)斷路時(shí)線圈引起儲(chǔ)存的磁能全部轉(zhuǎn)移到分部電容Cfb上，則有

WC=WL

(2.2.87)(2.2.88)(2.2.89)式中，UC為分布電容兩端的等效電壓(2.2.90)由式(2.2.90)可知，在忽略了線圈內(nèi)阻及假定斷路時(shí)不產(chǎn)生電擊穿的情況下，分布電容Cfb上的電壓(即線圈兩端的電壓)與電感線圈中流過的穩(wěn)態(tài)電流成正比，與電感L的平方根成正比。通常，這個(gè)高反向電壓脈沖幅值是電源電壓U的20～200倍。

(2)開關(guān)接點(diǎn)放電。斷開感性負(fù)載所產(chǎn)生的高反向電壓迅速加在開關(guān)接點(diǎn)兩端，在兩接點(diǎn)脫離過程中，該高反向電壓產(chǎn)生火花放電。高反向電壓是前沿很陡的傳導(dǎo)電壓脈沖；火花放電則將高反向電壓能量轉(zhuǎn)換成瞬間的空間電磁場(chǎng)變化。它們對(duì)鄰近的敏感電路，尤其是數(shù)字電路，有很強(qiáng)的干擾影響，嚴(yán)重時(shí)還能造成數(shù)字電路的信息錯(cuò)誤，存儲(chǔ)丟失，程序混亂等嚴(yán)重錯(cuò)誤。

火花放電可分為兩個(gè)過程：一是飛弧放電；一是輝光放電。二者不一定在一次放電中都出現(xiàn)。

①飛弧放電(低電壓大電流擊穿)。開關(guān)接點(diǎn)由高反壓形成的場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)致接點(diǎn)表面電子發(fā)散。電子發(fā)射所產(chǎn)生的高溫使金屬表面汽化，引起電離導(dǎo)電，形成飛弧放電。飛弧放電的微觀物理描述是，接點(diǎn)表面微小點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度最高，因而從負(fù)極上拉出電子流，由于焦耳效應(yīng)使負(fù)極溫升很高；又由于電子沖撞，正極金屬原子發(fā)生電離，正離子向負(fù)極移動(dòng)，在負(fù)極表面附近形成空間正電荷區(qū)；該正電荷分布加強(qiáng)這一區(qū)域的電場(chǎng)，使更多的電子發(fā)射和電子沖撞，形成雪崩過程。這個(gè)雪崩過程的物理表現(xiàn)就是飛弧放電。飛弧放電的條件如下：

起弧條件

EF≥2×108V/m(2.2.91)

?；l件

IA≥0.4A(2.2.92)

式中，EF是開關(guān)接點(diǎn)間的電場(chǎng)強(qiáng)度，IA是最小飛弧電流。

飛弧放電與金屬汽化有關(guān)，故在飛弧放電過程中，兩接點(diǎn)可能發(fā)生熔性粘著，構(gòu)成“金屬橋路”使飛弧放電中斷。隨著接點(diǎn)的進(jìn)一步斷開，又發(fā)生第二次飛弧放電。這種斷續(xù)的飛弧放電對(duì)外界的干擾極大。同時(shí)對(duì)接點(diǎn)的損壞也很大，如圖2.2-52所示。圖2.2-52Uc與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系曲線②輝光放電(高電壓小電流擊穿)。開關(guān)接點(diǎn)間的氣體分子在高電壓下電離導(dǎo)電，形成輝光放電。輝光放電的微觀過程是，原存在于空氣中的少數(shù)電離子，在極大的場(chǎng)強(qiáng)作用下加速，與其他氣體分子碰撞產(chǎn)生新的電子和離子，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；兩種電荷相向運(yùn)動(dòng)，撞擊開關(guān)正負(fù)極板，在正極上產(chǎn)生二次電子，加劇鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終形成電子流導(dǎo)電