Связь электромагнитным излучением

Любой контур электрической цепи может выполнять роль магнитного излучателя, так как он обладает магнитным дипольным моментом.

Любое сечение электрической цепи может выполнять роль электрического излучателя, так как оно обладает электрически дипольным моментом.

Из теории электромагнитного поля известно, что распределение электродинамических потенциалов вокруг элементарного электрического излучателя описывается следующими формулами:

(1)

(2)

- комплексное действующее значение вектора дипольного момента.

Формулы (1) и (2) записываются для случая, когда точка наблюдения (точка приемника сигнала) находится в вакууме и сам излучатель находится в вакууме, а вблизи этой системы отсутствуют другие вещественные тела. Распределение вектора магнитного потенциала вокруг элементарного магнитного излучателя описывается формулой:

- циклическая пространственная частота электромагнитной волны вокруг излучателя,

- длина волны, , где - скорость света в вакууме, - частота тока в излучателе.

- комплексное действующее значение вектора магнитного дипольного момента излучателя.

Из формул (2) и (3) видно, что электромагнитное поле вокруг излучателей имеет две составляющие:

- консервативную

- волновую.

С ростом расстояния от излучателя до точки наблюдения консервативная составляющая убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, а волновая составляющая убывает обратно пропорционально первой степени расстояния. В связи с этим можно выделить три зоны излучения:

1) Ближняя зона, здесь волновой составляющей поля можно пренебречь, наблюдается в основном консервативная составляющая.

Если излучатель электрический, то эта составляющая поля по своим свойствам близка к электростатической.

Если это магнитный излучатель, то данная составляющая поля по своим свойствам близка к магнитостатическому полю. В ближней зоне излучения связь между источником и приемником в случае электрического излучателя носит емкостной характер, а в случае магнитного излучателя она носит индуктивный характер.

2) Дальняя зона. В ней консервативной составляющей поля можно пренебречь, в основном действует только волновая составляющая.

3) Средняя зона излучения. Здесь нельзя пренебречь ни волновой, ни консервативной составляющей.

Через электромагнитные потенциалы можно выразить векторы электромагнитного поля:

Отношение комплексной напряженности электрического поля к комплексной напряженности магнитного поля называется волновым сопротивлением электромагнитного поля .

Волновое сопротивление среды равно квадратному корню отношения абсолютной магнитной проницаемости среды к абсолютной диэлектрической проницаемости среды.

, для вакуума .

Волновое сопротивление поля зависит от расстояния от точки наблюдения (точки приемника) до точки источника. В дальней зоне излучения независимо от типа излучателя волновое сопротивление поля стремится к волновому сопротивлению среды. В этом случае напряженность электрического поля и напряженность магнитного поля направлены в пространстве перпендикулярно друг другу и перпендикулярно направлению распространения волны. Если электромагнитная волна распространяется в вакууме, то начальные фазы векторов исовпадают. Соотношение к будет постоянной величиной, равной сопротивлению среды.

Синий цвет показывает зависимость волнового сопротивления поля от расстояния между источником и приемником в случае электрического излучателя. Красным показана та же зависимость в случае магнитного излучателя.

- волновое сопротивление вакуума. В логарифмическом масштабе по горизонтальной оси обозначено , по вертикальной - - волновое сопротивление поля в Ом.

Если излучатель электрический, то в ближней зоне излучения волновое сопротивление поля больше волнового сопротивления вакуума. Здесь преобладает электрическое поле. В этом же случае поле близко к электростатическому. Такие электромагнитные поля в технике электромагнитного поля называют высокоимпедансными.

Когда расстояние между источником и приемником становится равным , то волновое сопротивление поля становится равным волновому сопротивлению вакуума, а это и есть граница ближней зоны излучения.

С ростом расстояния волновое сопротивление поля уменьшается и на некотором расстоянии достигает минимума.

В средней зоне излучения электромагнитное поле электрического излучателя является низкоимпедансным, то есть преобладает магнитная составляющая поля. Когда расстояние между источником и приемником достигает около волновое сопротивление поля становится равным волновому сопротивлению вакуума и дальше практически не изменяется с ростом расстояния. Это и есть дальняя зона излучения.

Если излучатель магнитный, то в ближней зоне излучения волновое сопротивление поля меньше волнового сопротивления вакуума. Здесь преобладает магнитная составляющая поля и по своим свойствам поле близко к магнитостатическому. Такие поля называются низкоимпедансными в технике магнитной совместимости.

Когда расстояние между источником и приемником достигает , то волновое сопротивление поля становится точно равным волновому сопротивлению вакуума (среды). Далее с ростом расстояния волновое сопротивление поля увеличивается и становится больше волнового сопротивления вакуума. Поле становится высокоимпедансным, то есть в этом случае преобладает электрическая составляющая поля.

Когда расстояние доходит до , волновое сопротивление становится примерно равным волновому сопротивлению вакуума и далее практически не зависит от расстояния. Описанный характер зависимости волнового сопротивления поля от расстояния между источником и приемником нужно учитывать при выборе средств защиты приемника от помех, передаваемых электромагнитным излучением.

В ближней зоне излучения связь между электрическим излучателем и приемником носит преимущественно емкостной характер, а связь между магнитным излучателем и приемником носит преимущественно индуктивный характер.

Раздел IV Пассивные устройства обеспечения электромагнитной совместимости.

К таким устройствам относятся фильтры, устройства защиты от перенапряжений, устройства гальванической развязки и подавления синфазных сигналов, экраны.

Частотные фильтры. Классификация фильтров.

Если спектры полезных сигналов и помех заметно отличаются друг от друга (примерно на одну октаву), то для защиты от помех и помехоподавления можно использовать пассивные фильтры.

Все фильтры классифицируются по следующим признакам:

1. по виду частотной характеристики,

2. по схемной реализации,

3. по элементной базе,

4. по способу обработки сигналов,

5. по наличию источника питания.

По виду частотной характеристики различают фильтры низких частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), заградительные (ЗФ) или инжекторные фильтры и многополюсные фильтры (МФ).

Непрерывная частотная область, в которой сигнал легко проходит со входа на выход, называется полосой пропускания. Непрерывная частотная область, в которой сигнал практически не проходит на выход, называется полосой задерживания.

Между полосой пропускания и полосой задерживания имеются промежуточные полосы, в которых как правило коэффициент затухания сигнала не нормируется.

ФНЧ имеет одну полосу пропускания .

- частота среза, является полосой задерживания.

ФВЧ имеет одну полосу пропускания , является полосой задерживания.

ПФ имеет одну полосу пропускания ,

- нижняя граница полосы пропускания, - верхняя граница полосы пропускания, полосы частот , являются полосами задерживания.

ЗФ имеет одну полосу задерживания , а частотные области и являются полосами пропускания.

Многополосный фильтр имеет несколько полос пропускания и полос задерживания.

По схемной реализации различают Г-образные, Т-образные, П-образные, О-образные и мостовые фильтры.

Пример:

Г-образный фильтр на примере ФНМ

Эта схема применима, когда сопротивление источника сигнала мало, а сопротивление приемника сигнала велико

или

Эта схема применяется, когда сопротивление источника велико, а сопротивление приемника мало.

Т-образный фильтр

Схема применяется, когда сопротивление приемника и источника неизвестно, но предположительно мало.

П-образный фильтр

Такие фильтры применяются, когда сопротивление источника и приемника неизвестно, но предположительно мало.

По элементной базе различают емкостные фильтры, индуктивные фильтры, , , , фильтры, электронные фильтры и трансформаторные фильтры.

По способу обработки сигналов различают аналоговые и цифровые фильтры. По наличию источника питания различают пассивные и активные фильтры. Аналоговые фильтры могут быть только активными и пассивными, а цифровые бывают только активными.

Все фильтры являются частными случаями многополюсников в электрической цепи, а в простейшем случае четырехполюсников.

Если фильтр пассивный, то для анализа его работы используются характеристические параметры:

- характеристическое сопротивление;

- постоянная передачи.

Четырехполюсник, а значит и фильтр, называется симметричным, если при взаимной замене первичных зажимов вторичными характер передачи сигнала со входа на выход не меняется при любом сопротивлении нагрузки.

Характеристическим (повторным) сопротивлением четырехполюсника (фильтра) называется такое комплексное сопротивление, которое будучи присоединенным ко вторичным зажимам четырехполюсника, обуславливает его входное сопротивление относительно первичных зажимов равное сопротивлению нагрузки. Если симметричный четырехполюсник (фильтр) нагружен на характеристическое сопротивление, то говорят, что он работает в режиме согласованной нагрузки.

Если фильтр работает в согласованном режиме, то у него комплексный коэффициент передачи напряжения равен комплексному коэффициенту передачи тока.

- постоянная передачи симметричного фильтра

Действительная часть постоянной передачи называется коэффициентом затухания фильтра [Нп], а называется коэффициентом фазы [рад].

Коэффициент фазы показывает на какой угол выходное напряжение и выходной ток отстают по фазе от входного напряжения и входного тока в режиме согласованной нагрузки.

Несимметричный фильтр имеет два характеристических сопротивления и . Если к вторичным зажимам такого фильтра подключить сопротивление , то его входное сопротивление относительно первичных зажимов будет равно .

Если сопротивление подключено к первичным зажимам фильтра, то его входное сопротивление относительно вторичных зажимов будет равно .

Если несимметричный фильтр получает входной сигнал через первичные зажимы и к вторичным зажимам подключено сопротивление , то говорят, что он работает в режиме согласованной нагрузки при питании со стороны первичных зажимов.

Если фильтр получает входной сигнал через вторичные зажимы, а к первичным зажимам подключено сопротивление , то говорят, что фильтр работает в режиме согласованной нагрузки при питании со стороны вторичных зажимов.

Если фильтр работает в согласованном режиме, то справедливы соотношения

Все пассивные фильтры наиболее эффективно выполняют свои функции, если они работают в режиме согласованной нагрузки. В широком диапазоне частот обеспечить режим согласованной нагрузки невозможно так как частотные зависимости характеристических сопротивлений имеют более сложный вид, чем частотные характеристики линейных динамических звеньев с сосредоточенными параметрами. В этих случаях предусматривается работа фильтра на резистивную нагрузку с сопротивлением близким к характеристическому на некоторой характерной частоте вблизи середины полосы пропускания фильтра. В этих случаях частотные характеристики коэффициента передачи напряжения и тока не совпадают, в этом случае под коэффициентом затухания понимается логарифм модуля величины обратной коэффициенту передачи сигнала.

[дБ]

[Нп]

Под коэффициентом фазы понимается аргумент комплексного коэффициента передачи сигнала с противоположным знаком . Здесь коэффициент фазы показывает, на какой угол выходной сигнал отстает по фазе от входного при работе фильтра на некоторую стандартную резистивную нагрузку.

Фильтр или любой другой четырехполюсник обеспечивает неискаженную передачу сигнала, если в полосе пропускания коэффициент затухания не зависит от частоты, а коэффициент фазы в этой полосе пропорционален частоте. В связи с этим, при анализе работы фильтров применяют такие понятия как фазовое время задержки сигналов (ФВЗ) и групповое время задержки сигналов (ГВЗ).

Фильтр обеспечивает неискаженную передачу сигнала, если в полосе пропускания коэффициент затухания, фазовое время задержки не зависят от частоты. В связи с этим, в технических заданиях на проектирование фильтров, а также технических условиях нормируются следующие показатели качества фильтров:

1. Неравномерность коэффициента затухания в полосе пропускания [дБ].

2. Нормируется минимальный коэффициент затухания в полосе задерживания.

3. Нормируется неравномерность ФВЗ и ГВЗ в полосе пропускания

; .

Вне полосы пропускания неравномерность ФВЗ и ГФЗ не нормируются. В промежуточной полосе фильтров неравномерность коэффициентов затухания и сам коэффициент затухания не нормируются. Вне полосы пропускания может нормироваться кривизна АЧХ [дБ на декаду].

Дата добавления: 2014-01-07