電磁兼容中的近場和遠(yuǎn)場
01 近場與遠(yuǎn)場的區(qū)別
騷擾通過空間傳輸實(shí)質(zhì)上是騷擾源的電磁能量以場的形式向四周空間傳播。場可分為近場和遠(yuǎn)場。
近場又稱感應(yīng)場。近場的性質(zhì)與騷擾源的性質(zhì)密切相關(guān)。
如果騷擾源是高電壓,小電流的源,則近場主要是電場。如下圖所示偶極子天線模型,天線兩極間有一定電壓但電流較小,主要是空間的位移電流。則在偶極子天線附近,電場大于磁場。
實(shí)際中,進(jìn)出EUT的電纜與參考大地之間就形成一個(gè)偶極子天線,只不過兩根天線的夾角不是上圖的180°,而是0°。即進(jìn)出EUT的電纜與參考大地平行,兩者之間的寄生電容上會有共模的位移電流。
如果騷擾源是低電壓大電流的源,則近場主要是磁場。如下圖所示的環(huán)形天線模型。則天線周圍的磁場大于電場。
實(shí)際中,PCB走線的環(huán)路,進(jìn)出EUT的電纜正負(fù)極之間的差模電流回路,都是環(huán)形天線,都會向外輻射信號,同時(shí)也容易接收其它設(shè)備發(fā)出的干擾信號。
我們常用波阻抗來描述電場和磁場的關(guān)系
Z0 = E / H
則,對于上面所說的偶極子天線,其E大于H,則Z0較大,所以電場源又稱高阻抗場源;
對于上面所說的環(huán)形天線,其H大于E,則Z0較小,所以磁場源又稱低阻抗場源。
對于高阻抗場源,隨著離天線距離的增加,空間中的電場和磁場都減小,但
因此,波阻抗隨距離的增加而減小。
對于低阻抗場源,隨著離天線距離的增加,空間中的電場和磁場都減小,但
則波阻抗隨著距離的增加而增加。
無論場源是電場源還是磁場源,當(dāng)離場源的距離大于λ/2π以后,都變成了遠(yuǎn)場,又稱輻射場。這時(shí)電場和磁場方向垂直并且都和傳播方向垂直,稱為平面波。
這時(shí)電場和磁場比值為固定值,波阻抗Z0 = 120*π,電場和磁場都以 1/r (r為距離) 的速率隨距離減小。
遠(yuǎn)場是平面波,比較容易分析和測量,只需測量電場就能算出磁場。近場比較復(fù)雜,電場和磁場不易互相轉(zhuǎn)換,需要分別測量。同時(shí)由于近場場強(qiáng)的強(qiáng)度隨距離的變化強(qiáng)烈,所以,位置的微小變化都會引起較大的測量誤差。
對于距離較遠(yuǎn)的系統(tǒng)間的電磁兼容問題,一般都用遠(yuǎn)場來分析。對于系統(tǒng)內(nèi),特別是同一設(shè)備內(nèi)的問題,基本上都是近場耦合問題。
02 近場&遠(yuǎn)場與電磁屏蔽
看圖,屏蔽機(jī)理分析,根據(jù)電路理論,電磁場入射到屏蔽機(jī)箱,由于機(jī)箱的阻抗很低,電磁場會在屏蔽體上感應(yīng)出渦流。其實(shí)就是電磁場穿過閉合回路感應(yīng)出電流,此時(shí)機(jī)箱表面一圈圈電流,有點(diǎn)像水的漩渦,故稱作渦流,像上面圖中的紅色虛線,就是渦流環(huán)路!
(注意這里說的是變化的電磁場,因?yàn)楦鶕?jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,如果是靜電場或靜磁場,閉合回路磁通量不產(chǎn)生變化,也就不會產(chǎn)生渦流了。)
那么,有渦流,電流又會產(chǎn)生電磁場,由于和原來的電磁場方向相反,此時(shí)就會抵消原電磁場,這就是屏蔽效能使用電路分析的原理。
所以,提到電磁場,必須要了解電磁場的傳播特性,在大家看書時(shí),都會提到電磁場的波阻抗。
這是自由空間波阻抗圖。
分析電磁波在空間傳輸?shù)奶匦詴r(shí),波阻抗是一個(gè)非常重要的概念…波阻抗是表征電磁波傳輸特性的主要參數(shù),波阻抗隨電磁波傳輸特性而變化。說白了就是電磁波在空間傳輸時(shí)的阻抗,一般,電磁場在空間傳輸,分近場和遠(yuǎn)場。
近場區(qū):是指到輻射源的距離小于λ/2π的區(qū)域;分為電場波阻抗和磁場波阻抗;如果場源特性以電場為主,則波阻抗很大,稱為高阻抗場。
如圖,近場區(qū)電場的特性,波阻抗很大!如果場源特性為以磁場為主,則波阻抗很小,稱為低阻抗場。
遠(yuǎn)場區(qū):到輻射源的距離大于λ/2π米的區(qū)域,此區(qū)域電場分量和磁場分量相當(dāng),波阻抗恒定,為377Ω,可認(rèn)為是均勻平面波。
遠(yuǎn)場時(shí),為均勻平面波,波阻抗一致!一般認(rèn)為交變電壓源近場為高阻抗場,主要分量為電場;而交變電流源近場為低阻抗場,主要分量為磁場。
了解自由空間波阻抗有何意義?
其實(shí)了解了波阻抗,對電磁場屏蔽很重要!對于高阻抗場,由于波阻抗很大,主要是依靠反射損耗增加屏蔽效能;因?yàn)槠帘误w阻抗很低…阻抗失配。
而對于低阻抗場,由于波阻抗很小,反射損耗已經(jīng)可以忽略,主要是依靠吸收損耗增加屏蔽效能。因?yàn)椴ㄗ杩剐?,屏蔽體阻抗也很小,所以反射不起作用。