电磁兼容原理第2章(NEW).ppt

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1、第2章 电磁兼容理论基础2.1各种信号的频谱分析 2.1.1 信号的分类l l 信号分类多种多样，从信号函数自变量和幅度的取值形式出发，基本上可以分为连续信号和离散信号两大类。连续时间信号n n如果信号随时间连续如果信号随时间连续变化，也就是在观测变化，也就是在观测过程的连续时间范围过程的连续时间范围内信号函数有定义，内信号函数有定义，则称连续时间信号，则称连续时间信号，用用 表示，如表示，如图所示：图所示：离散时间信号n n 若信号函数仅在规定的离 若信号函数仅在规定的离散时刻定义，则称离散时 散时刻定义，则称离散时间信号，用 间信号，用 表示，表示，是某特定时刻，右图表示 是某特定时刻，右

2、图表示每相邻两个时刻的时间间 每相邻两个时刻的时间间隔相等的离散时间信号，隔相等的离散时间信号，离散信号的时间间隔也可 离散信号的时间间隔也可以不相等。以不相等。l l 工程中遇见的信号就其变化规律的特性来划分，可粗略归结为确定信号和随机信号两类，这是根据信号能否用明确的数学函数关系描述进行分类的。确 定 信 号n n 如果信号的未来值可以用某个函数准确地描述，则这类时间信号称为确定信号，如正弦信号，它可以用正弦函数描述，给定的某一时刻就可确定相应的函数值，所以在相同条件下能够准确地重现。随 机 信 号n n 如果给定任一时刻，信号的值是随机的，换句话说信号的未来值不能用精确的时间函数来描述，

3、无法准确地预测，在相同条件下也不能准确地重现，则称该信号为不确定信号或随机信号。随机信号幅度的取值在任一时刻是随机的，所发生的物理过程是个随机过程，人们可以用实函数表示其样本函数的集合，如图所示：随 机 信 号综 述n n 常见信号的分类可归纳如下：信 信 号 号 确 确 定 定 信 信 号 号随 随 机 机 信 信 号 号周 周 期 期 信 信 号 号 非周期信号 非周期信号平稳随机信号 平稳随机信号非平稳随机信号 非平稳随机信号简谐周期信号 简谐周期信号复杂周期信号 复杂周期信号准周期信号 准周期信号瞬变信号 瞬变信号各态历经过程 各态历经过程非各态历经过程 非各态历经过程一般非平稳随机过

4、程 一般非平稳随机过程瞬变随机过程 瞬变随机过程2.2 电路与磁路2.2.1 电路l l电路是由若干电气器件或设备，按一定的方式和电路是由若干电气器件或设备，按一定的方式和规律组成的总体，它构成电流的通路。随着电流规律组成的总体，它构成电流的通路。随着电流的流通，电路实现了电能的传输、分配和转换；的流通，电路实现了电能的传输、分配和转换；或者实现各种电信号的传递、处理和测量。或者实现各种电信号的传递、处理和测量。l l电路的基本组成为电路的基本组成为44部分：电源、负载、连接导线部分：电源、负载、连接导线和开关。和开关。l l 在对电路进行分析时，往往在一定条件下，对实际电气器件加以理想化，略

5、去其次要性质，用一个足以表征实际器件主要性质的理想元件来表示。理想元件就是可精确定义并能表征实际器件的主要电磁性质的一种理想化元件。理 想 电 源 n n 实际电路中，电源向各种用电设备提供能量。实际电源种类繁多，但在一定条件下构成电路模型时，电源通常有理想电压源和理想电流源两种，它们均属有源二端理想元件。理 想 电 压 源l l 理想电压源无论外部电压如何，其端电压总能保持定值或一定的时间函数。理想电压源的端电压与通过它自身的电流大小无关，其电压总保持定值或为某给定的时间的函数。理 想 电 压 源 理 想 电 流 源l l 理想电流源无论外部电路如何，其输出电流总保持定值或一定的时间函数。理

6、想电流源的输出电流与其两端电压大小无关，其电流总保持定值或为某给定的时间函数。理 想 电 流 源电 阻 元 件 电阻元件是从对电流呈现阻力而且消耗电能的实电阻元件是从对电流呈现阻力而且消耗电能的实际电气器件中抽象出来的理想化元件。任何两端际电气器件中抽象出来的理想化元件。任何两端元件，如果在任何时刻，其两端电压和通过元件元件，如果在任何时刻，其两端电压和通过元件的电流之间的关系可以在伏安特性平面上用曲线的电流之间的关系可以在伏安特性平面上用曲线表示，则称为电阻元件。表示，则称为电阻元件。电 感 元 件 电感元件是实际电感器的理想化元件，它体现了元件储存磁场能量的性质。任意两端元件，如果在任意时

7、刻，其电流和由它产生的磁链 之间的关系可以在 平面上用曲线来表示，则称其为电感元件。电 感 元 件 其值为自感磁链 与电流 之比，即 电感元件上任意时刻的电压与电流有下列关系：这就是电感元件的特性方程。电 容 元 件 电容元件是实际电容器的理想化元件，它体现了元件储存电场能量的性质。任意两端元件，如果在任意时刻，其极板上的电荷和元件两端的电压之间的关系可以在 平面上用曲线来表示，则称其为电容元件。电电 容容 元元 件件 对于线性电容元件，其电容值对于线性电容元件，其电容值CC为一正实常为一正实常数。其值为电容任一极板上积累的电荷量数。其值为电容任一极板上积累的电荷量 与与其上的电压其上的电压

8、的比值，即的比值，即。电。电容元件的特性方程为容元件的特性方程为 从特性方程可知，在某一时刻电容器的电流取决从特性方程可知，在某一时刻电容器的电流取决该时刻电容器两端电压的变化率。该时刻电容器两端电压的变化率。2.2.2 磁路 磁通磁通(磁力线磁力线)所通过的闭合路径称为磁路。线所通过的闭合路径称为磁路。线圈中通以电流就会产生磁场，磁力线将分布在线圈中通以电流就会产生磁场，磁力线将分布在线圈周围的整个空间。如下图：圈周围的整个空间。如下图：如果我们把线圈绕在铁芯上如下图所示，则由如果我们把线圈绕在铁芯上如下图所示，则由于铁磁物质的优良导磁性能，电流所产生的磁力于铁磁物质的优良导磁性能，电流所产

9、生的磁力线基本上都局限在铁芯内。不仅如此，在同样大线基本上都局限在铁芯内。不仅如此，在同样大小的电流作用下，有铁芯时磁通将大大增加。也小的电流作用下，有铁芯时磁通将大大增加。也就是说，用较小的电流可以产生较大的磁通。这就是说，用较小的电流可以产生较大的磁通。这就是在电磁器件中采用铁芯的原因。就是在电磁器件中采用铁芯的原因。n n 磁路中的基本单位 在磁场中画一些曲线，使这些曲线上任何一点的切线都在该点的磁场方向上，这些曲线就称为磁通。磁场的强弱和方向可用洒铁屑的方法以磁力线的形式表示出来。磁通(磁力线)的单位在国际单位制中为韦伯，简称韦，单位符号Wb。除了用磁通外，我们还要用到磁通密度除了用磁

10、通外，我们还要用到磁通密度 这一物理量，它是在与磁场相垂直的单位面积内这一物理量，它是在与磁场相垂直的单位面积内的磁通，在均匀磁场中的磁通，在均匀磁场中 式中式中 就是与磁场相垂直的面积就是与磁场相垂直的面积SS中所有的中所有的磁通。磁通密度是表示磁路中某一点的磁场性质磁通。磁通密度是表示磁路中某一点的磁场性质的。在国际单位制中，磁通密度的。在国际单位制中，磁通密度BB的单位为特斯拉的单位为特斯拉(Tesla)(Tesla)，简称特，单位符号，简称特，单位符号TT。特斯拉即韦。特斯拉即韦/米米22。磁通密度 磁场是由电流产生的。在磁路中，电流越大，线磁场是由电流产生的。在磁路中，电流越大，线圈

11、匝数越多，产生的磁场强度越强。即取决于电圈匝数越多，产生的磁场强度越强。即取决于电流与线圈匝数的乘积流与线圈匝数的乘积。这一乘积叫做磁。这一乘积叫做磁动势动势(magneto motive force)(magneto motive force)或磁通势。以或磁通势。以FF表示，表示，即即 磁动势是磁路中产生磁通的磁动势是磁路中产生磁通的“推动力推动力”。磁动势。磁动势的国际制单位为安的国际制单位为安(A)(A)。磁动势 磁场的强弱用磁场强度磁场的强弱用磁场强度HH表示。对于粗细均匀的表示。对于粗细均匀的磁路来说，若磁路的平均长度磁路来说，若磁路的平均长度(即磁路中心线的长即磁路中心线的长度度

12、)为为ll，则，则 即，磁场强度是磁力线路径每单位长度的磁动即，磁场强度是磁力线路径每单位长度的磁动势。在国际单位制中势。在国际单位制中HH的单位是安的单位是安/米米()()磁场强度 磁导率与磁场强度的乘积称为磁感应强度磁导率与磁场强度的乘积称为磁感应强度BB，即即 在相同的磁场强度的情况下，物质的磁导率越在相同的磁场强度的情况下，物质的磁导率越高，整体的磁场效应将越强，由前述可知，磁场高，整体的磁场效应将越强，由前述可知，磁场强度强度HH是正比于电流是正比于电流II的，因此，磁感应强度的，因此，磁感应强度(磁通磁通密度密度)BB既体现励磁电流大小，又体现磁性材料性既体现励磁电流大小，又体现磁

13、性材料性质的一个反映整体磁场强弱的物理量。质的一个反映整体磁场强弱的物理量。磁感应强度n n 磁路的基本定律(1)(1)磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 磁动势是磁路中产生磁通的根源。当磁路中有磁磁动势是磁路中产生磁通的根源。当磁路中有磁 动势存在时，便有磁通通过，其大小为动势存在时，便有磁通通过，其大小为 当磁通通过由某种磁性材料组成的磁路时，将受当磁通通过由某种磁性材料组成的磁路时，将受到该材料对磁通的阻碍作用。如用磁阻到该材料对磁通的阻碍作用。如用磁阻 来表示这一阻碍，上式可以写成来表示这一阻碍，上式可以写成 n n 安培环路定律 如图：磁路里的磁通磁路里的磁通经过变换可以写成经过变换可以写

14、成 称为安培环路定理。式中称为安培环路定理。式中HH11ll11，HH22l l 22和和HH33ll33称称为磁路各段的磁压降。上式说明，磁路中任一个为磁路各段的磁压降。上式说明，磁路中任一个闭合路径上的磁压降的代数和等于总磁动势。此闭合路径上的磁压降的代数和等于总磁动势。此式与电路中的基尔霍夫电压定律相似，故又称为式与电路中的基尔霍夫电压定律相似，故又称为磁路的基尔霍夫定律。磁路的基尔霍夫定律。2.3 电磁场原理 当电荷和电流随时间变化时，在周围空间会发现当电荷和电流随时间变化时，在周围空间会发现变化的电场和磁场，并且电场和磁场间存在着不变化的电场和磁场，并且电场和磁场间存在着不可分割的联

15、系，形成统一的电磁场。在静电场中，可分割的联系，形成统一的电磁场。在静电场中，电场是由电荷引起的，这个电场是符合守恒性的。电场是由电荷引起的，这个电场是符合守恒性的。但是，在时变场中，当场量随时间变化时，不仅但是，在时变场中，当场量随时间变化时，不仅电荷产生电场，而且磁场的变化也会产生电场。电荷产生电场，而且磁场的变化也会产生电场。后者便是普通物理学中已经讨论过的电磁感应现后者便是普通物理学中已经讨论过的电磁感应现象。象。按照法拉第电磁感应定律，设有导线构成的闭按照法拉第电磁感应定律，设有导线构成的闭合回路合回路ll，当穿过以这个回路为周界的曲面的磁通当穿过以这个回路为周界的曲面的磁通 随时间

16、变化时，在回路中将引起感应电随时间变化时，在回路中将引起感应电动势动势 如图所示：如图所示：当回路运动时，还应加上回路切割磁场产生的电动势 则回路中的总感应电动势为 通过上式可见，出现感应电动势通过上式可见，出现感应电动势 是时变电磁是时变电磁场本身属性的一种表现，它的大小与回路场本身属性的一种表现，它的大小与回路l l 的导的导电性能无关。又因对闭合回路而言，其感应电动电性能无关。又因对闭合回路而言，其感应电动势等于感应电场沿回路的线积分。势等于感应电场沿回路的线积分。故得故得 上式说明，时变电磁场的电场强度不符合守恒上式说明，时变电磁场的电场强度不符合守恒性，因为除了电荷引起的电场外还有电

17、磁感应引性，因为除了电荷引起的电场外还有电磁感应引起的电场，而后者是不符合守恒性的。可见，时起的电场，而后者是不符合守恒性的。可见，时变电磁场的电场是和其磁场的变化密切联系的。变电磁场的电场是和其磁场的变化密切联系的。在时变场情况下的电流连续性原理，要由更为普遍的在时变场情况下的电流连续性原理，要由更为普遍的规律规律电荷守恒定律导出。电荷守恒定律导出。这里这里 表示电流密度，表示电流密度，项具有电流密项具有电流密度的量纲，并和度的量纲，并和 处于相同的地位，称为位处于相同的地位，称为位移电流密度。以移电流密度。以 表之，则表之，则 称为全电流密度。上式表示由任何闭合曲面流称为全电流密度。上式表

18、示由任何闭合曲面流出的全电流恒等于零，也叫全电流连续性原理。出的全电流恒等于零，也叫全电流连续性原理。将恒定磁场中安培环路定律表达式的右方换成全将恒定磁场中安培环路定律表达式的右方换成全电流。电流。该式称为时变电磁场的安培环路定律，又叫全该式称为时变电磁场的安培环路定律，又叫全电流定律。它说明不但传导电流引起磁场，位移电流定律。它说明不但传导电流引起磁场，位移电流电流(即电场的变化即电场的变化)也引起磁场。时变电磁场的也引起磁场。时变电磁场的磁场，是与电场的变化密切联系的。磁场，是与电场的变化密切联系的。麦克斯韦通过时变电磁场的基本方程，即麦克斯韦通过时变电磁场的基本方程，即 安培环路定律：安

19、培环路定律：法拉第定律：法拉第定律：高斯定律：高斯定律：高斯定律：高斯定律：将它们化为对应的微分形式，并加上考虑媒介将它们化为对应的微分形式，并加上考虑媒介电磁性能的方程，便得到电磁性能的方程，便得到 全电流定律：全电流定律：电磁感应定律：电磁感应定律：电通量定律：电通量定律：磁通量定律：磁通量定律：77个公式，全面表达了时变电磁场的基本规律，个公式，全面表达了时变电磁场的基本规律，称为电磁场的完整方程组，也叫麦克斯韦方程组。称为电磁场的完整方程组，也叫麦克斯韦方程组。2.4 电磁兼容的单位及换算 2.4.1 电磁干扰场强的基本单位 高频、微波电磁干扰场强有高频、微波电磁干扰场强有33种基本单

20、位：种基本单位：电场强度电场强度V/mV/m、磁场强度、磁场强度 和功率通量密度和功率通量密度。在一般情况下，在一般情况下，V/mV/m、A/mA/m和和mV/cmmV/cm之间不能相之间不能相互换算。只有在被测场为平面波情况下，三者互换算。只有在被测场为平面波情况下，三者间才能相互换算。否则，只能间才能相互换算。否则，只能“等效换算等效换算”。场强仪测得的功率通量密度值是矢量模的时间平均值，即代表电磁场的强度。它的单位W/m2和电场强度单位V/m、磁场强度单位A/m同为电磁干扰场强的基本单位。它们的地位是等同的。2.4.2 电磁干扰场强的分贝制单位 在电磁干扰场强的测试中，往往会遇到量值相在

21、电磁干扰场强的测试中，往往会遇到量值相差非常悬殊差非常悬殊(甚至达千百万倍的信号甚至达千百万倍的信号)。为了便于。为了便于表达、叙述和运算表达、叙述和运算(变乘除为加减变乘除为加减)，常采用对数，常采用对数单位单位分贝分贝(dB)(dB)。分贝表示两个参量的倍率关。分贝表示两个参量的倍率关系，通常用来表示变化范围很大的数值关系。系，通常用来表示变化范围很大的数值关系。两个功率电平比值的分贝两个功率电平比值的分贝(dB)(dB)为：为：其中，其中，为某一功率电平；为某一功率电平；为比较的基准功率电平。为比较的基准功率电平。上式中以上式中以 PP22=1w=1w作为参考基准功率，作为参考基准功率，

22、的分贝的分贝值就用值就用 表示，称为微瓦分贝。表示，称为微瓦分贝。、和和WW的换算关系表示为的换算关系表示为 还可以还可以nWnW和和pWpW作为参考基准功率，分作为参考基准功率，分别用别用dBn(dBn(纳瓦分贝纳瓦分贝)和和dBp(dBp(皮瓦分贝皮瓦分贝)表示。表示。下表说明这些单位的定义下表说明这些单位的定义l l分贝制单位在电磁干扰场强计量测试中的用法有分贝制单位在电磁干扰场强计量测试中的用法有如下如下33种：种：(1)(1)表示信号传输系统中任意两点间功率表示信号传输系统中任意两点间功率(或电或电压压)的相对大小，或空间某两点电磁干扰场强的相的相对大小，或空间某两点电磁干扰场强的相

23、对大小。对大小。(2)(2)在指定参考电平在指定参考电平(电压或电场强度电压或电场强度)时，可用时，可用分贝表示电压或电场强度的绝对值。此参考电平分贝表示电压或电场强度的绝对值。此参考电平通称为零电平。通称为零电平。(3)(3)用分贝表示电压或场强的误差大小。用分贝表示电压或场强的误差大小。2.4.3 分贝单位在实际工程中的应用假设一个设备在进行辐射发射试验时发现在某个频假设一个设备在进行辐射发射试验时发现在某个频率上有超标发射。经过分析，认为有率上有超标发射。经过分析，认为有55个地方可能个地方可能是泄漏源。假设是泄漏源。假设55个可能的泄漏源的泄漏强度是相个可能的泄漏源的泄漏强度是相同的。

24、则将同的。则将1515个泄漏源去掉后，辐射改善为：个泄漏源去掉后，辐射改善为：去掉 去掉1 1个泄漏源：辐射改善 个泄漏源：辐射改善=20lg1/(4/5)=1.9dB=20lg1/(4/5)=1.9dB去掉 去掉2 2个泄漏源：辐射改善 个泄漏源：辐射改善=20lg1/(3/5)=4.4dB=20lg1/(3/5)=4.4dB去掉 去掉3 3个泄漏源：辐射改善 个泄漏源：辐射改善=20lg1/(2/5)=7.9dB=20lg1/(2/5)=7.9dB去掉 去掉4 4个泄漏源：辐射改善 个泄漏源：辐射改善=20lg1/(1/5)=13.9dB=20lg1/(1/5)=13.9dB去掉 去掉5

25、5个泄漏源：辐射改善 个泄漏源：辐射改善=20lg1/(0/5)=dB=20lg1/(0/5)=dB 当然，去掉当然，去掉55个干扰源时，辐射改善不可能是个干扰源时，辐射改善不可能是无限大，因为任何技术措施不可能将泄漏完全消无限大，因为任何技术措施不可能将泄漏完全消除，但改善往往是相当大的。这并不说明第除，但改善往往是相当大的。这并不说明第55个泄个泄漏源是主要的泄漏源，只是说明主要的泄漏源是漏源是主要的泄漏源，只是说明主要的泄漏源是最后一个泄漏源。正确的诊断方法是，处理完的最后一个泄漏源。正确的诊断方法是，处理完的泄漏源，即便改善不明显，也不能拆除，而是保泄漏源，即便改善不明显，也不能拆除，而是保留着，并继续对其他可疑点进行处理。留着，并继续对其他可疑点进行处理。2.4.4 电磁干扰场强单位间的相互换算 由换算公式可知由换算公式可知dBdB、dBpdBp和和dBndBn间的关系：间的关系：因为因为1mW=1101mW=11066 nW=110 nW=11099 pW pW 所以所以0dBm=60dBn=90dBp0dBm=60dBn=90dBp dBmdBm与与dBdBVV的换算如下表所示：的换算如下表所示：