1、第第2章章 电磁兼容理论基础电磁兼容理论基础 2.1 电磁干扰(骚扰)的数学描述方法 2.2 电路与磁路 2.3 分贝的概念与应用 习题 2.1 电磁干扰电磁干扰(骚扰骚扰)的数学描述方法的数学描述方法电磁干扰(骚扰)和有用信号一样可以在时域和频域内进行描述。电磁干扰信号除了极少数为恒定的情况外,绝大部分的干扰信号都是时变的,它们可以是正弦的、非正弦的、周期性的、非周期性的,甚至是脉冲波形式的。但是无论从耦合途径的分析还是进一步采取消除干扰措施,对时变的干扰信号用频域的方法分析不仅是方便的,甚至有时是必须的。例如,在考虑滤波和屏蔽时都要知道干扰源所含的频率成分。因此,就有必要讨论信号的时、频域
2、之间的转换,以及它们之间存在的一些基本关系。2.1.1 周期性函数的傅里叶变换周期性函数的傅里叶变换设f(t)为周期性干扰信号,周期为T,即f(t)=f(t+nT)(2-1)其傅里叶变换公式为 用它就可以知道各频率分量的幅值、相位。式中,An、Bn、n的计算公式可在许多书中找到,也可直接用工具软件求得。(2-2)1010)cos()sincos()(nnnnnntnFFtnBtnAFtf周期信号的频谱由不连续的谱线组成,每一条线代表一个正弦分量,且每个高次频率都是基频f1=1/T(式(2-2)中的n1)的整倍数(fn=nf1,f=f1=1/T)。各高次频率的幅值都随频率的增高而逐渐减小。图2-
3、1为脉宽都是,但周期T不同的矩形脉冲的频谱图。周期T越大,谱线越密,若T,则谱线将完全连续。图 2-1 周期矩形脉冲的频谱2.1.2 非周期性干扰信号的频谱分析非周期性干扰信号的频谱分析对非周期性信号f(t),傅里叶变换变为傅里叶积分 (2-3)当周期T时,式(2-2)中的频率间隔成为无穷小量d,变量n由离散量变为连续量,求和()变为积分(),因此非周期脉冲的谱线变为连续谱。单个幅度为A、脉宽为的方波脉冲的频谱为(2-4)其图形如图2-2所示。表2-1给出了几种简单脉冲的频谱图。ttfFtde)()(j/2/2j/2/22()edcosdsin2tAFAtAt t图 2-2 单个矩形脉冲的频谱
4、表2-1 几种简单脉冲的频谱图 2.1.3 脉冲信号的傅里叶积分脉冲信号的傅里叶积分在EMC问题中经常遇到非周期性的脉冲干扰。例如,雷电、静电及核脉冲信号的特征多用其波形的上升时间参数tr(tr是指脉冲上升到峰值的10的点与脉冲上升到峰值的90的点之间的时间)及下降时间参数td(脉冲上升到峰值的50与从峰值下降至峰值的50之间的时间)来表示。图2-3显示了5/50 ns的脉冲波形的tr和td。通常又把td称为半脉宽时间。图 2-3 5/50 ns的脉冲的tr和td为方便起见,对雷电及核脉冲等波形通常都用双指数函数,即式中,I0为脉冲的峰值;、为两个指数函数的衰减常数;k为系数。用式(2-3)即
5、可分解出其中包含的频谱成分。图2-4画出了1.2/50 s的雷电脉冲及2/23 ns的核电磁脉冲(这是美军标MIL-STD-461E标准中的值)的波形及频谱图。在已知了各种脉冲的tr、td及峰值后,就可算出波形的、及k值,可容易地应用工具软件MATLAB调用快速傅里叶变换fft画出波形图及频谱图(频谱曲线的直线部分向左延伸到零频)。不同脉冲波形的、及k值见表2-2。ee)(0ttkIti(2-5)图 2-4 1.2/50 s的雷电脉冲及2/23 ns的核脉冲的波形及频谱图表2-2 常用双指数脉冲波形的衰减常数 显而易见,脉冲上升越陡,高频分量越丰富,纳秒级的脉冲比微秒级的脉冲所含的高频分量多1
6、04的数量级。例如,1.2/50 s的波形在频率为1 kHz时,谱线开始下降,频率到100 kHz时幅值趋于零;2/23 ns的波形的谱线要到频率大于1 MHz以后才开始下降,频率到1 GHz时幅值趋于零。图2-5给出了静电放电的标准波形(IEC-61000-4-2)。它也可用双指数函数描述,u(t)1943(e0.455te0.5t)+857(e0.0455te0.05t)图 2-5 静电放电的标准波形由此式而得的脉冲经1.2 ns到达峰值。静电放电是EMC问题中很棘手的问题,当两种不同材料(其中有一个处于绝缘状态)接触后突然分开时,有的失去电子,有的获得电子。而当正负电荷突然分离时就产生放
7、电。烯是带负电的,当人体、玻璃、羊毛、纸、金属、聚酪、尼龙、聚四氟乙烯等相互摩擦时,其带正、负电的属性按以上序列排列。因此,为减少静电放电,在材料的搭配选用上应有充分考虑,以减少可能产生的静电。例如,防静电的工作服当上衣是维尼龙与棉混纺,裤子为棉布时,工作服带电电压高达39.9 kV,人体带电达19.2 kV。当衣服、裤子都是维尼龙与棉混纺时,工作服带电电压只有0.5 kV,人体带电为0.3 kV。2.1.4 脉冲信号的快速时频域转换脉冲信号的快速时频域转换为了直观、方便地看出脉冲波形所含的频率分量,在电磁兼容领域已公认应用最大包络线法作快速变换。图2-6(a)为峰值为A的一次性梯形脉冲u(t
8、),根据其上升时间tr及半脉宽时间td就可获得如图2-6(b)所示的频谱特征(图2-6(c)为周期为T的梯形脉冲的频谱图)。选梯形脉冲为例是因为当tr0时,梯形脉冲变为矩形脉冲;当td=tr时,梯形脉冲成为三角形脉冲。因此,梯形脉冲包含了现实中大部分干扰脉冲。图 2-6 脉冲波及其频谱图2-6(b)和图2-6(c)中折线的两个转折点f1、f2取决于波形的上升及下降时间,即(2-6)式(2-6)是通过以下推导得来的。对一次性的梯形脉冲,其频谱密度为(2-7)12dr11,ffttrrdddsinsin2)(ftftftftAtfu当ff1时,正弦函数可近似等于它的幅角。频谱的包络线是常数,即平行
9、于横轴,所以有u(f)=2Atd(2-8)即图2-6(c)中的AB段。若用dB表示,则AB段的幅值为20 lg(2Atd)。当1/tdf1/tr时,令sinftd1(最坏状态),并且当tr很小时,由于sin(x)x,sinftr/ftr 1,因此在图2-6(c)的BC段内有(2-9)fAftAtfu212)(dd表示幅密度是正比于1/f,所以BC段的斜率为1/f,表示频率每增加10倍,幅值衰减10倍。图中指出该段的变化率为频率每增加10倍,幅值下降20 dB。式(2-9)若用dB表示则为注意,这里是以dBV为计量基础,上式中的A应以V为单位(dBV与dBV差120 dB)。VdBV2/()20
10、lgdB1VAfu f当ftr时,不仅取sinftd1,而且sinftr1(最坏状态),则(2-10)也就是说幅密度是正比于1/f2,所以CD段的斜率为1/f2,表示频率每增加10倍,幅值衰减100倍,即幅度下降40 dB。用dB表示则为22r2()Au ff tVdBV22r2()20lgdB1VAu ff t用这样的近似变换方法可以很快地从脉冲的上升时间及半脉宽时间知道各种脉冲信号的频谱特征。对周期性的脉冲也一样使用,并且它的基频f01/T(T为周期),AB段的值为2Atd/T,如图2-6(c)所示。对于以双指数函数表示的脉冲波形,除了用2.1.3节中介绍的快速傅里叶变换及MATLAB工具
11、以外,也可用此法,虽然精度要差些,但数量级相当。即使对图2-5所示的静电脉冲,人们也用这样的方法处理。2.2 电电 路路 与与 磁磁 路路2.2.1 电路电路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。电路的基本组成为四部分:电源、负载、连接导线和开关。实际的电气器件在应用时产生的电磁过程是比较复杂的,例如,一个实际电阻器除了消耗电能外,还会在电流流过时产生磁场,因而兼有电感的性质;而一个实际电容器或电感线圈除了分别具有储存电场能量或磁场能量的基本性质外,也有电能消耗。这样,讨
12、论实际电气器件组成的电路会给电路分析带来困难,因此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。即先用理想元件建立在一定条件下反映实际电路基本特性的模型,使问题得到合理的简化,然后对该电路模型进行定量分析。实际的电气器件虽然种类繁多,但可按它们所属的电磁性质和现象,用反映其主要性质的理想元件来表示它们,如电阻器、灯泡和电炉等,它们主要是消耗电能的。这样,可以用一个理想电阻元件来表示所有具有消耗电能特征的实际电气器件。同理,由于电容器主要是储存电场能,因此可用一个理想电容元件来表示具有储存电场能量的实际器件;而用一
13、个理想电感元件来表示具有储存磁场能量的实际器件,如电感线圈等。因此,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。1.理想电源理想电源在实际电路中,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(如图2-7所示)和理想电流源(如图2-8所示)两种,它们均属有源二端理想元件。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。然而,流经理想电压源的电流则是由其端电压及外接电路所共同决定的。由于理想电压源的电压与外接电路无关,
14、其电流自然随外电路元件阻值的大小而改变,电流越大,理想电压源输出的能量越大。若将理想电压源两端短接,则两端电阻为零,根据欧姆定律,电流将为无穷大;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。但理想电流源两端的电压则由其电流及外接电路所共同决定。由于理想电流源的电流与外电路无关,其电压就随外电路元件阻值的大小而改变。图 2-7 理想电压源图 2-8 理想电流源2.电阻元件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
15、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表示,则称为电阻元件。用来描述电阻元件性能的参数是电阻R或电导G,其关系为G=1/R。线性电阻元件的伏安特性曲线(如图2-9所示)是通过坐标原点的直线,电阻元件上两端的电压与流过它的电流成正比,服从欧姆定律。常用的电阻器件如线绕电阻、金属膜电阻和碳膜电阻等,当温度、电压和电流在一定范围内时,可以用线性电阻元件作为它们的模型。非线性电阻元件的伏安特性不是一条过原点的直线,或者说非线性电阻的电压与电流之间不满足欧姆定律,即元件的电阻值随电压或电流改变而改变。计算非线性电阻的阻值时必须表明它的工作电压或电流,即表明是伏安特性某点上的阻值,此点称为工作
16、点。非线性电阻元件的电阻(如图2-10所示)有两种,一种是所谓的静态电阻或直流电阻,是其工作点处的静态电压与静态电流之比,即R=U/I。另一种为动态电阻或交流电阻,是其工作点处电压的微变量与电流的微变量之比的极限,即。显然,非线性电阻的静态电阻与动态电阻是不同的。0limlUrI 图 2-9 线性电阻U-I特性曲线图 2-10 非线性电阻U-I特性曲线3.电感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,如果在任意时刻,其电流和由它产生的磁链之间的关系可以在i平面上用曲线来表示,则称其为电感元件,在i 平面上的关系曲线如图2-11所示,称为韦安特性
17、。电感元件的符号如图2-12所示。表征电感元件产生磁通储存磁场能量的参数为电感量L。如果电感元件的韦安特性是一条过原点的直线,则称之为线性电感元件。对于线性电感元件,其自感L为一正值实常数。若如图 2-12 所示电感线圈的匝数为N匝,当线圈中通以电流iL时,则产生磁通。因磁通与N匝线圈相交链,所以N匝线圈总磁通链为=N。与都是由线圈自身的电流产生的,故称自感磁通和自感磁链。L称为该元件的电感或自感,其值为自感磁链与电流 i 之比,即。电感元件上任意时刻的电压与电流有下列关系u=L(di/dt),这就是电感元件的特性方程。由特性方程知,某一时刻电感线圈的电压取决于该时刻电流的变化率,当电感线圈中
18、通以直流电流时,di/dt=0,感应电势为零,电压为零,所以,在直流电路中理想电感元件相当于短路。NLii图 2-11 韦安特性曲线图 2-12 电感元件的图形符号4.电容元件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 q-u 平面上用曲线来表示,如图 2-13 所示,则称其为电容元件。在q-u 平面上的关系曲线称为库伏特性。电容元件的符号如图 2-14 所示。表征电容元件聚集电荷和储存电场能量的参数为电容C。如果电容元件的库伏特性曲线是一条过原点的直线,如图 2-13 所示,则称之为线
19、性电容元件。对于线性电容元件,其电容值 C 为一正实常数。其值为电容任一极板上积累的电荷量 q 与其上的电压 u 的比值,即C=q/u。电容元件的特性方程为iC=C(duC/dt)。从特性方程可知,在某一时刻电容器的电流取决于该时刻电容器两端电压的变化率。电压随时间变化(如交流)越快,电流就越大;如果电压不随时间变化(即直流),则du/dt=0,电流为零,这时电容器相当于开路。故电容器有隔“直”通“交”之说。图 2-13 库伏特性曲线图 2-14 电容元件的图形符号2.2.2 磁路磁路磁通(磁力线)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周围的整个空间,如图2-
20、15所示。如果我们把线圈绕在铁芯上,如图2-16所示,则由于铁磁物质的优良导磁性能,电流所产生的磁力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。图 2-15 空芯线圈的磁场图 2-16 铁芯线圈的磁场 在通常情况下,空气是不导电的,电流只在铜线中流动。导电材料的电导率一般比电路周围绝缘材料的电导率大几千亿倍,因此,漏电流是极其微弱的。而铁磁材料的磁导率一般比非磁性材料(空气、铜、铝、纸等)大几千倍。因此,我们只能说磁通基本上在铁芯里,空气中仍然还会有少量的漏磁通。工程上常用近似方法
21、去处理它们,作初步分析时可略去不计。1.磁路中的基本单位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,单位符号为Wb。磁体周围的磁力线方向,规定从N极出来,通过空间进入S极,走最近的路线,且优先通过磁导率高的物质。除了用磁通外,我们还要用到磁通密度 B 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(2-11)式中,就是与磁场相垂直的面积 S 中所有的磁通。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
22、密度 B 的单位为特斯拉(Tesla),简称特,单位符号为T。特斯拉即韦米2。SB 磁场是由电流产生的。在磁路中,电流越大,线圈匝数越多,产生的磁场强度越强。即磁场取决于电流与线圈匝数的乘积 NI。这一乘积叫做磁动势(Magneto Motive Force)或磁通势。以 F表示,即F=NI(2-12)磁动势是磁路中产生磁通的“推动力”,磁动势的国际制单位为安(A)。磁场的强弱用磁场强度H表示。对于图2-16所示的粗细均匀的磁路来说,若磁路的平均长度(即磁路中心线的长度)为l,则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 H 的单位是安米(Am)。磁场强度是这样规定的:一个向量磁
23、场中某点磁场方向为磁场中小磁针受磁场力的作用,发生偏转停止后小磁针的N极所指的方向就是小磁针所在磁场强度的方向。而磁场中某点的磁场强度 H 在数值上等于该点上单位磁极所受的力。如果单位磁极所受的力正好是一达因,那么这点的磁场强度 H 就是一奥斯特(Oersted)。FNIHll(2-13)由式(2-13)可以看出,图2-16所示的磁路不论是由什么材料做成的,只要F、l对应相等,则磁路的磁场强度相等。因此,磁场强度是反映由电流产生磁场强弱的一个物理量。磁力线从N极到S极的途径称为磁路,在磁路中阻止磁力线通过的力量称为磁阻,而导磁的力量则称为磁导。实际上,即使几何尺寸完全相同的磁路,在相同的磁动势
24、的作用下,磁场的强弱程度也有很大的差别,这是由于不同的物质导磁能力不同的缘故,用来衡量物质导磁能力的物理量称为导磁率(Permeability),用来表示。所有物质根据磁性分为三大类:顺磁质、反磁质和铁磁质。磁性大小则根据物质的磁导率(不同物质被磁化的程度)的大小()来表示。规定真空时=1。顺磁质的导磁率略大于真空,即1,如空气、锤、镁、铝、铂、氧和硬橡胶等。反磁质的导磁率略小于真空,即1,如水、玻璃、水银、铍、铋和锑等。铁磁质属于顺磁质,但它们的磁导率很大,即1,在外加磁场作用下极易被磁化,是良好的磁性材料,如铁、镍、钻和磁性合金等,其可达几十、几百和几千,甚至达数百万。人体组织多属反磁质,
25、也有少数顺磁质,如自由基等。人体的磁导率近于1,即1。为便于比较,通常将磁性材料的磁导率与真空(空气或其他非磁性材料)的磁导率0的比值称为这种材料的相对磁导率r,即 (2-14)表2-3中列举了几种常用磁性材料的相对磁导率。r0表2-3 常用磁性材料的相对磁导率 磁导率与磁场强度的乘积称为磁感应强度 B,即B=H(2-15)式(2-15)表明,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,磁场强度 H 是正比于电流 I 的,因此,磁感应强度(磁通密度)B既体现励磁电流大小,又体现磁性材料性质的一个反映整体磁场强弱的物理量。虽然国际单位制已在1960年经国际计量大
26、会通过,世界各国已相继正式采用,但鉴于过去在磁路方面多采用cgs单位制,为使读者对此有所了解,特将磁路物理量的两种单位列在表2-4中,单位制换算关系如表 2-5 所示。表2-4 磁路物理量的两种单位列表 表2-5 单位制换算关系 2.磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能 磁性材料主要指铁、镍、钻及其合金。它们的磁性能主要由其磁化曲线,即 B-H 曲线或由其磁导率来表示。磁性材料在磁场中被磁化后,其磁感强度(B)和磁场强度(H)的关系可用一条曲线表示,即磁化曲线(B-H曲线)。当外磁场磁感强度(H)增加时,磁通密度(B)增加的很少,说明材料进入“饱和域”(Saturation Region)。此时的
27、磁感强度叫做该磁性材料的饱和磁感强度(Bm),单位为高斯。使某磁性材料达到饱和磁感强度所需要的磁场强度称为饱和磁场强度(Hm),单位为奥斯特。外加磁场取消后,磁性材料的磁感强度沿另一条曲线变化。当H=0 时,B0,而仍有一定值,这就是剩磁(Br),单位为高斯,这一现象称为磁滞。为了消除剩磁,必须加反向磁场,随反向磁场的增加,剩磁可逐渐退去,当H=HC时,B=0,Br才完全退去。从Br到完全退磁,这段曲线叫退磁曲线,使磁的材料完全退磁所需要的磁场强度(HC),就是该材料的矫顽力,单位为奥斯特。矫顽力的大小反映磁性材料保存剩余的能力。若将反向磁场(H)继续增大,该磁性材料又可被反向磁化,同样能达到
28、饱和点d。此时,若使反向磁场减小至 0,再增大正向正磁场强度,则B-H关系将沿defa 变化,完成一个循环,这就构成了一个具有方向性的闭合曲线,称之为磁滞回线,如图 2-17 所示。在退磁曲线上,任一点上的B值和H值的乘积,称为“磁能积”(BH),单位为高斯奥斯特(GO),其最大值就是“最大磁能积”(BH)max),单位为兆高奥(MGO)。图 2-17 磁滞回线磁性材料在反复磁化时,磁畴(磁性材料内部存在的许多很小的自发的磁化区域)不断地翻转,以改变排列方位,彼此之间产生摩擦而发热,因此要消耗能量,该能量是由电源供给的。可以证明,反复磁化一周,单位体积内所损耗的能量与磁滞回线所包围的面积成正比
29、,这种损耗称为磁滞损耗。3.磁路的基本定律磁路的基本定律(1)磁路的欧姆定律。磁动势是磁路中产生磁通的根源。当磁路中有磁动势存在时,便有磁通通过,其大小为上式可以理解为,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。如果用磁阻(Reluctance)Rm来表示这一阻碍,上式可以写成(2-16)FFBSSllSmFR由磁滞回线可知,B-H 曲线是非线性的,因此,由 B 与 H 的比值定义的磁导率 不是常数。由于磁性材料磁导率不是常数,使用磁阻来计算磁路并不方便。磁阻这一概念一般只用于定性说明问题。式中Rm=l/S,磁阻是一个与磁路的长度、截面积以及磁性材料的性质有关的物理量
30、。当磁路由不同材料或不同截面积的几部分组成时,整个磁路中的磁阻将由这几部分的磁阻串联而成,其总磁阻为各部分磁阻之和。磁阻的国际制单位是 1H。例如,在图 2-18 所示的继电器磁路中,总磁阻磁路里的磁通(2-17)式(2-16)与电路的欧姆定律相似,称为磁路欧姆定律。磁路欧姆定律是对磁路进行分析时所用的最基本的定律,当磁路中某些参数发生变化,讨论对其他参数的影响时,用磁路欧姆定律来分析十分方便。312mm1m2m3112233lllRRRRSSS312m112233FFlllRSSS图 2-18 继电器的磁路 (2)安培环路定律。式(2-12)经过变换可以写成(2-18)312m1122333
31、121221231 12 23 3lllFINRSSSlllBBBH lH lH lHl式(2-18)称为安培环路定律。式中,H1l1、H2l2和H3l3为磁路各段的磁压降。式(2-18)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。为了加深对磁路的理解,表2-6 中列出了电路与磁路的对照关系。表2-6 电路与磁路的对照关系 应当指出,在表 2-6 中,磁路与电路的相似只是数学形式上的,本质上两者有根本的区别。首先,它们是两种不同的物理现象,其次,两者在特性上也有很大差别。例如,电路有开路的情况,开路时电动势仍存在,但
32、电路内的电流等于零,磁路则没有开路,磁动势的存在总伴随着磁通的存在。同时如果电路内没有电动势,则电流等于零,而磁路内没有磁动势时,由于磁性材料有剩余磁感应强度,因此总存在着或多或少的磁通量。此外,电流在电路内流动时有功率损耗I2R,而在磁路内2Rm并不代表功率损耗。就磁通本身来说,恒定的磁通量的维持并不需要消耗任何能量,磁路也不会引起发热。维持恒定磁通所消耗的能量,是由于电流通过励磁绕组时,在绕组的电阻上有能量损耗的缘故。2.3 分贝的概念与应用分贝的概念与应用2.3.1 分贝的定义分贝的定义在电磁兼容测量中,常用不同的单位表述测量值的大小。分贝(Decibel)这个单位常被工程技术人员采用。
33、1.功率功率电磁兼容测量中,干扰的幅度可用功率来表述。功率的基本单位为瓦(W),为了表示变化范围很宽的数值关系,常常应用两个相同量比值的对数,以贝尔(bel)为单位。对于功率损失,贝尔定义为损失(bel)=lg(2-19)输出功率输入功率当输入功率等于 10 倍的输出功率时,其损失为lg101bel;换言之,1bel 的损失对应于 10 1 的功率损失。但是贝尔是一个较大的值,为使用方便,工程技术人员常采用 1/10 的贝尔单位decibel,简称为分贝(dB)。这样 dB 被定义为损失(dB)=10lgdB也常用来表示两个相同量比值的大小,如功率P1和P2的比值为PdB,则有:(2-21)输
34、出功率输入功率(2-20)2dB110 lgPPP式中,P1和P2应采用相同的单位。必须明确 dB仅为两个量的比值,是无量纲的。随着dB 表示式中的基准参考量的单位不同,dB在形式上也带有某种量纲。比如,基准参考量P1为1 W,则P1/P2是相对于 1 W 的比值,即以 1 W 为 0 dB。此时是以带有功率量纲的分贝dBW 表示P2,所以 (2-22)式中,PW是实际测量值,以W为单位;PdBW是用dBW表示的测量值。WdBWW10lg10lg1WPPP功率测量单位通常还采用分贝毫瓦(dBmW)。它是以1 mW为基准参考量,表示0 dBmW,即(2-23)显然,0 dBmW=30 dBW(2
35、-24)mWdBmWmW10lg10lg1mWPPP类似地,1 W作为基准参考量,表示 0 dBW,称为分贝微瓦。dBW、dBmW、dBW的换算关系为(2-25)dBWWdBmWmWWdB WWmWW10lg()10lg()10lg()3010lg()10lg()3010lg()60PPPPPPPPP2.电压电压电压的单位有伏(V)、毫伏(mV)、微伏(V),电压的分贝单位(dBV、dBmV、dBV)表示为(2-26)VdBVVmVdBmVmVVdBVV20lg20lg1V20lg20lg1mV20lg20lg1VUUUUUUUUU电压以 V、mV、V为单位和以dBV、dBmV、dBV为单位的
36、换算关系为(2-27)VdBVVVdBmVVmV3VdBVVmVV620lg20lg1V20lg20lg6020lg10 V20lg20lg12020lg6020lg10 VUUUUUUUUUUUU3.电流电流电流的单位是安(A)、毫安(mA)、微安(A),电流的分贝单位(dBA、dBmA、dBA)表示为(2-28)AdBAAmAdBmAmAAdBAA20lg20lg1A20lg20lg1mA20lg20lg1AUUUUUUUUU电流以A、mA、A为单位和以dBA、dBmA、dBA为单位的换算关系为(2-29)AdBAAAdBmAAmA3AdBAAmAA620lg20lg1A20lg20lg6
37、020lg10 A20lg20lg12020lg6020lg10 AUUUUUUUUUUUU4.电场强度电场强度电场强度的单位是伏每分(V/m)、毫伏每分(mV/m)、微伏每分(V/m),电场强度的分贝单位为dBV/m、dBmV/m、dBV/m。(2-30)因为1V/m103 mV/m106 V/m (2-31)则1 V/m=0 dBV/m=60 dBmV/m=120 dBV/m(2-32)V/mdB(V/m)V/m20lg20lg1V/mEEE5.磁场强度磁场强度磁场强度(H)的分贝dBA/m是以1 A/m为基准的磁场强度的分贝数,同理可定义dBmA/m和dBA/m等,有些标准如在GJB15
38、1-86中,用的是磁通密度(B)单位,考虑到B=H(2-33)式中=4107 H/m所以在数量上有如下关系:BdBT=HdBA/m118 dB(2-34)因为1 T(特拉斯)=1012PT(2-35)则0 dBT=240 dBPT,因此BdBPT=HdBT+240 dBBdBPT=HdBA/m+122 dB(2-36)6.功率密度功率密度功率密度的基本单位W/m2,常用单位为mW/cm2或W/cm2。它们之间的关系是:(2-37)采用分贝表示时,有:(2-38)2222W/mmW/cmW/cm0.110SSS222dB(W/m)dB(mW/cm)dB(W/cm)10dB20dBSSS7.宽带电
39、磁干扰宽带电磁干扰(EMI)度量单位度量单位宽带EMI测量单位是将上述规定的分贝单位再归一化到单位带宽即可得出。例如,dBmV/kHz为归一化到每1 kHz带宽内的以 1 mV为基准的电压分贝数。表2-7列出了电磁发射和敏感度极限值的单位。表2-7 电磁发射和敏感度极限值的单位 2.3.2 分贝的应用分贝的应用(1)将40 W转换为dBW:(2)将参考单位改为毫瓦(dBm):1 W103 mW则 0 dBW30 dBmW因此,16 dBW可表示为30 dBmW+16 dBmW46 dBmW。dBW40W(40W)10lg10lg4010 1.60216dBW1W(3)将8 mV转换为dB V:3dBVdBV3(8mW)810 V20lg820lg 1018dBV60dBV78dBV习习 题题1.已知u=1 mV,请用udBmV、udBV、udBnV和udBpV单位表示。2.功率信号发生器XG26,最小输出功率为108mW,最大输出功率为27W,请换算成dBm。3.当频谱分析仪和频率合成信号发生器采用阻抗为50、75 和300 时,推导dBp和dBn之间的换算公式。
