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欢迎各位同学回到电磁兼容的课堂

今天我们讲第5讲

电磁骚扰耦合途径及模型

我们在前面已经介绍了

电磁骚扰源以及它的模型

电磁骚扰是如何传递到设备上

我们这一讲就来介绍

电磁骚扰源的耦合途径

以及它如何建模

电磁骚扰传播

是指电磁装置或系统与其它或远方系统间的

无意的相互作用

电磁骚扰传播的实质是什么呢

我们可以用耦合来描述

一个系统对另外一个系统的耦合

实际上是骚扰源的能量

从骚扰源传播到了敏感设备

所以骚扰源和受害者在一起

就有从一方到另一方的潜在的干扰的路径

电磁骚扰源的耦合途径可以分为

传导耦合和辐射耦合两大类

主要可以分为电导性的耦合

或者是直接接触的耦合

为干扰的直接传导

如通过一个线路可以传过来

其次是辐射耦合

或者叫电磁耦合

另外还有容性耦合和感性耦合

你想一想

容性耦合和感性耦合是属于哪一类

它属于传导

还是属于辐射呢

实际上我们可以把它归类为传导骚扰

两个系统之间

虽然没有直接的接触

但是它们之间存在着一个隐性的互电容

或互电感

实际在电路上它们是连接在一起的

可以把它归类为传导骚扰

耦合的模型不会是单独出现的

但在不同频带中

它会以某种模型起支配的作用

在电磁骚扰和途径分析中会涉及到哪些理论

首先我们分析传导耦合

最常用的就是传输线理论

以及电路理论

传输线理论

适用于导体的直径和导体间的距离

小于波长的情况

传输线理论的基础是波过程理论

可以提供快速、准确的计算的结果

其次是准稳态理论和电路理论

回路长度比波长短很多

因此不涉及波过程

每个电路元件中的电流会保持常数

另外电路可以由集总参数元件

以串联或并联的方式来构建一个网络

以电路理论得到的结果通常是保守的

但和其它理论并不矛盾

分析辐射耦合最常用的是电磁辐射理论

电磁辐射是指

传输线或设备的电流或电荷随时间变化时

一部分的电磁能量就会进入周围空间

描述电磁场对任何结构物的耦合

一般都会由Maxwell方程导出

电磁骚扰耦合可以用传递函数来描述

首先骚扰源可以看成是时间、频率和方位的函数

而传播途径它就是时间、频率、方位和距离的函数

我们把它叫做传递函数

这样的话产生的骚扰源的数学模型

就是我们的骚扰源的模型

乘上传播途径的模型

也就是G乘上T

实际上所有耦合的模型

都可以赋予某种传递函数

设备上的电磁干扰

都可以表示为骚扰源的函数关系

只是在一些复杂的情况下

我们根本没法得到它对应的公式

以这个图为例

左边是骚扰源

右边是干扰的对象

中间的话它的传输途径

可以用一个T形的等值电路来描述

包括了三个阻抗

这样的话

作用在骚扰源上的电压和电流

以及源端的电压和电流它们之间的比值

就可以描述为一个传输函数

在这个图里它就是源阻抗

负载阻抗

以及传输路径的三个阻抗的一个函数

从这个图我们来看一看

如何降低发、受两端间的电磁耦合

实际上很简单

一个是短路的方法

相当于把Zc设为0

一个是开路的方法

相当于把Ze设为无穷大

这样的话就切断了

云端和受段之间的连接的通道

传递函数可以通过测量得到

任何一个传输系统

都可以看出一个二端口网络或者是多端口网络

对于二端口网络特性

我们可以通过测量得到它的4个散射参数

即S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂

分别反映二端口网络的折射和反射的特性

如这个图所示

我们可以找到它们之间的关系

b是等于Sa的

另外得到这一个散射参数S

我们就可以得到它的阻抗特性和导纳特性

对于电压的传输特性

实际上就是Z21除以Z11

对于电流的传输特性实际上就是

y21除以y11

我们可以采用惠普4395A网络分析仪

配合惠普87512A传输/反射特性的

测试工具包

来测量二端口网络的散射特性和传输特性

然后采用矢量匹配的方法

来建立传输系统传输特性的模型

下面我们来介绍

骚扰源对敏感设备的干扰的模式

一个是共模干扰

共模干扰指

出现在每个信号线对地的干扰电压是相等的

它可以由静电感应产生

如果所有信号线与周围环境之间的电容相同

就会产生共模干扰

另外也可以由电磁感应产生

如果与每个信号线相连的磁场相同

也可以产生共模干扰

第二个干扰模式是差模干扰

差模干扰

与所加信号相同方式存在于信号电路

它也可以由静电感应和电磁感应产生

静电感应时

每个信号线与周围环境的电容是不同的

电磁感应时

磁场与每个信号线的联接也是不同的

这样就会产生差模干扰

另外共模干扰也可以转变为差模干扰

从这个图可以看见

共模干扰电流都是在同方向的

共模干扰电流都是在同方向的

而差模干扰电流在一个回路里是一进一回

它是反方向的

我们怎么来区分电缆的共模电流与差模电流

差模电流通常等于信号或电源电流

但不出现在屏蔽层

差模电流产生的辐射

在总辐射中占的比例是很小的

而共模电流在电缆中

所有导体上的流动方向是相同的

也可能包括在屏蔽层

它与信号电流是无关的

共摸电流一般经地网返回

它的辐射的面积很大

并且不受控

因此很小的部分电流会产生很大的发射信号

这是一个一米长的电缆

如果在10米处场强强度

要求小于42dBμV/m的话

则共模电流必须小于201μA

这比差模电流小了1000倍

另外一个骚扰源传播的途径是交互干扰

或者叫串音

在有些系统中并没有明显的骚扰源和敏感设备

但是当多导线对电缆中的一对

传送交流或脉冲直流信号时

由于容性和感性耦合

导线对之间的信号会相互叠加

就成为串音或者是交互干扰

这种耦合与信号的频率是成正比的

下面我们来介绍耦合途径模型

设备的耦合可以用端口来描述

端口是指设备与外部电磁环境的

特定的界面接口

任何耦合的方式

电磁骚扰都要通过端口来进入设备

如以这个设备为例

它包括了外壳端口

直流端口

交流端口

接地端口、控制端口、信号端口

总体来说端口可以分为

外壳端口和电缆端口两大类

外壳端口是设备的物理边界

电磁场通过它向外辐射或进入设备的内部

外界的电磁骚扰

进入电子设备

并干扰敏感电路的途径可以分为两类

一个是天线效应

设备的接收天线

以及具有天线效应的

输入、输出馈线和设备的外壳

都可以接收外界的电磁骚扰

一是传导耦合

经由输电线以及配电线

进入电子设备的电源系统

然后传导到设备内部

我们来看一看

电子设备的电磁骚扰耦合途径

两个电子设备共用了电源

通过电源之间它就存在了传导的路径

然后它们两个接在一个共同的接地网上

通过地又有一个传导的途径

另外电子设备工作时

它会向周围产生空间的电磁场

与它连接的线缆上面也会产生空间电磁场

这个空间电磁场可以直接耦合在敏感设备上面

也可以耦合在与敏感设备相连的传输线上面

然后进入到敏感设备内部来产生电磁干扰

然后进入到敏感设备内部来产生电磁干扰

另外敏感设备和骚扰源的传输线之间

也可以产生耦合

形成电磁干扰

外界的辐射在一个电路里面可以产生共模电流

也可以产生差模电流

共模电流可以由外部电磁场

耦合到电缆 地参考面

以及设备与地连接的各种阻抗形成的回路引起

如像一个电子设备外拖的连接线

像计算机外拖的一个鼠标

这样的话都可以通过它

来产生共模电流形成共模干扰

由电源线传导的电磁骚扰有三个途径

来危害电子设备

一个是电磁骚扰通过隔离变压器

进入它的内部

通过电路板与外壳之间的杂散电容

流经外壳入地

另外一种途径是继续传播

传播到它相连的外部的设备再入地

第三种途径

电磁干扰被阻拦流到设备的外壳

但是可以通过外壳和电路板之间的杂散电容

再耦合进入设备的内部

这个图给出了静电的耦合途径

当你的手触碰按钮的时候

就会形成静电放电

静电放电电流流入设备的内部

一个是通过相连的外部设备入地

另外一个是通过电路板与外壳之间的

杂散电容入地

当然它还可以通过隔离变压器

传播到相邻的外部电缆上

电磁耦合可以描述为6种不同的模型

一个是天线对天线的骚扰传播模型

其次是电磁场对导线的感应骚扰模型

就是场线耦合

第三是导线对导线的感应模型

实际上就是交互干扰和串音

再就是公共阻抗传导骚扰的模型

如共地的耦合 共阻抗的耦合

再就是孔缝泄露场模型

如场的孔缝衰减

最后就是机壳屏蔽效能的模型

如场的屏蔽层衰减

辐射骚扰耦合途径

通常用传输损耗和衰减因子来描述

我们定义发射端

输入功率Pₜ与接收端输出功率Pᵣ之比

为该传输途径的系统传输损耗

另外我们可以用这样一个公式

可以得到在敏感设备上面也收到的电磁骚扰

在这个公式里面

Gₜ是发射天线的增益

Gᵣ是接收天线的增益

A是衰减因子

它用来描述相对于自由空间的传输损耗

就由这一个公式来进行计算

我们来总结一下这讲内容

骚扰传播的实质是骚扰源的能量

从骚扰源传递到了敏感设备

它的模式可以分为共模和差模

共模干扰

可以转变为差模干扰

它的途径包括了传导耦合和辐射偶合

它的耦合途径复杂

多重耦合模式同时作用

因此电磁骚扰耦合的原因

是电子设备中包含着具有天线能力的部件

最后所有的耦合模型均可以赋予某种传递函数

以上就是这一讲内容

谢谢各位