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寄生天线的电磁辐射干扰

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2019-07-09 10:47    浏览量:

电磁干扰源的类型

在现实环境中,电磁干扰源可以分为自然的和人为的两种。自然干扰源是指由自然现象引发的电磁干扰,人为干扰源是指人造设备工作时伴随的电磁干扰。

1.自然电磁干扰源

雷电是一种主要的自然干扰源。雷电是发生在云层之间或云与地面之间的静电放电现象,在雷电产生的瞬间,放电电流可以达到20万安培,该放电电流会感应出一个很强的电磁场,这个电磁场作用在电子设备的电源线或信号电缆上,会产生幅度很高的电压,对电子设备造成伤害。雷电现象是无法控制的,对电子设备进行抗雷电设计,是抵御雷影片响的主要手段。

2.人为电磁干扰源

人为电磁干扰源可以分为功能性电磁能量发射和非功能性电磁能量发射。

功能性电磁能量发射是指无线通信系统、雷达等电子设备为了特定功能而发射出电磁能量。对于功能性发射,主要限制的是那些伴随功能发射频率所产生的谐波泄漏发射。

非功能性电磁能量发射是指电子设备在工作时伴随产生的电磁干扰发射。当电子设备电路中的电压或电流发生剧烈的变化,如高速数字电路的脉冲、工作在开关模式的电源(开关电源)、电感性负载的接通和断开等,也就是du/dt或di/dt很大时,通常能够产生较强的伴随电磁干扰发射。因为电压和电流的剧烈变化,意味着电压和电流中包含了较多的高频成分,这些高频成分容易产生电磁波辐射和电磁耦合,形成电磁干扰。各种电磁兼容标准中的发射限制主要是针对伴随电磁干扰发射而言的,限制电子设备的伴随电磁干扰发射已经成为产品设计中必须考虑的设计项目之一。

4.1.2 天线的辐射特性

1.基本的天线结构

两个基本的天线结构如图4-1所示。关于电流环和电偶极这两个基本天线结构的详细分析,请参考有关电磁场与天线的设计资料。产生电磁波辐射的两个必要条件是天线和流过天线的交变电流。

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图4-1 基本的天线结构

2.电流环天线的辐射特性 [12]

下面的结论基于如下假设:环路中的电流是均匀的;除了环路自身的电抗以外,环路导线的阻抗为零;环路的尺寸<<λ;环路的尺寸小于环路与观测点之间的距离D;环路处于自由空间中,附近没有金属物体。

(1)在近场区(观测点到辐射源的距离小于λ/2π的区域称为近场区,即D<λ/2π),有

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式中,H为电流环辐射的磁场(A/m);E为电流环辐射的电场(V/m);I为环路中的电流(A);A为环路面积(m 2 );λ为电流频率对应的波长(m);D为观测点到电流环的距离(m);Z 0 为自由空间的特征阻抗(通常为120πΩ或377Ω)。

从式(4-1)可知,磁场的辐射强度与频率无关,因此该公式对直流也是适用的。磁场的强度随距离的三次方衰减。由此可见,利用增加距离来减小磁场强度是十分有效的方法。

从式(4-2)可知,电场的辐射强度随频率升高而增加,随距离的平方而衰减。

(2)在远场区(观测点到辐射源的距离大于λ/2π的区域称为远场区,即D>λ/2π),有

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式中的各符号含义同近场区。

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图4-2 电偶极天线中的电流

在远场区,电场和磁场的辐射强度都随频率的平方增加。在脉冲电路中,脉冲信号包含了大量的高频成分,其辐射效率很高,所以会产生很强的干扰。

3.电偶极天线的辐射特性 [12]

与电流环天线不同,电偶极天线只有具备交流电流后才能够形成回路,如图4-2所示,电流I是通过空间的杂散电容形成的位移电流。

下面的结论基于如下假设:电偶极导体上的电流是均匀的,电偶极的长度<<λ,电偶极的长度<电偶极与观测点之间的距离D;电偶极处于自由空间中,附近没有金属物体。

(1)在近场区(D<λ/2π),有

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式中,H为电偶极辐射的磁场(A/m);E为电偶极辐射的电场(V/m);I为电偶极中的电流(A);L为电偶极的长度(m);λ为电流频率对应的波长(m);D为观测点到电偶极的距离(m);Z 0 为自由空间的特征阻抗(通常为120πΩ或377Ω)。

从式(4-6)可知,电场强度随着频率增加而减弱。因为电流I是由加在电偶极上的电压U和电偶极之间的电容C决定的,当I一定时,频率越高,电偶极之间的容抗越低,需要的驱动电压越低,所以产生的电场强度越小。

(2)在远场区(D>λ/2π),有

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4.波阻抗

在进行电磁屏蔽的设计时,必须考虑所屏蔽对象电磁波的波阻抗。波阻抗的定义 [12]

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式中,Z W 为波阻抗(Ω);E为电磁波中的电场分量(V/m);H为电磁波中的磁场分量(A/m)。

如果电磁波中的电场分量较大,波阻抗就较高,称为高阻抗波或电场波。反之,如果磁场分量较大,波阻抗就较低,称为低阻抗波或磁场波。在近场区中的某个位置,电磁波的波阻抗与辐射源的阻抗、频率、辐射源周围的介质及观测点到辐射源的距离有关。在远场区,波阻抗等于电磁波传播介质的特性阻抗,在真空中为377Ω。

电流环和电偶极辐射的电磁波代表了典型的磁场波和电场波,它们的波阻抗如图4-3所示。从式(4-1)和式(4-2)可知,对于电流环的辐射场,在近场区随着距离的增加,磁场的衰减比电场的衰减快,波阻抗呈现增加的趋势。从式(4-5)和式(4-6)可知,对于电偶极的辐射场,在近场区随着距离的增加,磁场的衰减比电场的衰减慢,波阻抗呈现下降的趋势。

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 电流环天线和电偶极天线的波阻抗

注意: 以上两个基本天线模型可以用来查找电子设备中的寄生天线,只要存在电流环路就构成了一个电流环路天线;只要存在电压驱动两个导体,就构成了一个电偶极天线。但是用这两个模型计算实际电路的辐射会产生较大的误差,因为实际电路很难满足这些基本天线中的假设条件。

 寄生天线

电子设备之所以会产生辐射性干扰,就是因为电子设备中包含了各种寄生的天线。只要存在电流环路,就可以构成一个电流环路天线;只要存在电压驱动两个导体,就可以构成一个电偶极天线。只有消除了这些寄生天线,或者降低这些天线的辐射效率,或者避免交变电流进入这些天线,才可以减小或消除辐射性的电磁干扰。因此,控制辐射性干扰源的过程就是分析寄生天线,消除寄生天线,控制天线辐射的过程。

1.寄生的偶极天线

偶极天线的一种变形是单极天线,它的形式是只有一根金属导体,而另一根金属导体由大地或附近的其他大型金属物体充当。单极天线的辐射特性与偶极天线的基本相同,但是效率要低一些。偶极天线的实质是两个导体之间存在电压,而单极天线则是导体与大地之间存在电压。因此只要消除两个导体之间的电压,或者消除导体与大地之间的电压,就能够减小它的辐射。这正是屏蔽结构设计和搭接设计的依据。电子设备中常见的寄生的偶极天线和单极天线结构 [12] 如图4-4所示。

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图4-4 电子设备中常见的寄生的偶极天线

2.寄生的电流环天线

寄生的电流环天线在电路中无处不在,因为任何一个电路都是由电流回路构成的,这就是一个辐射天线。减小寄生的电流环天线辐射的有效方法是控制电流回路的面积,这正是PCB设计和电缆设计中的重要依据。 

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