电磁兼容原理-课程设计.doc

《电磁兼容原理与设计》课程设计报告
姓名： 庞平 ；班级：2012029170 ；学号：2012029170017
姓名：丁启程 ；班级：2012029170 ；学号：2012029170009
完成日期：2015年4月12日
I、目标
设计一个LC带通滤波器，其通带位于[2.0,3.0]GHz，通带内的回波损耗为-20dB，在4.0GHz处的带外抑制至少为20dB。源电阻及负载皆为50欧姆。
II、设计原理、过程及结果
对于本次的设计，我们组采用最平坦型低通滤波器来变换设计，其频率衰减特性用巴特沃斯函数拟合：
由微波网络知识，由带通滤波器到低通原型滤波器的频率变换公式[1]为：
(1)
其中，为带通滤波器频率；为低通原型滤波器频率；，为带通滤波器截止频率； 为带通滤波器中心频率； ：相对带宽。
（1）确定滤波器级数
为了保证在元件公差为5%是出现的截止频率，所以选择通带范围为1.9GHz—3.2GHz。由设计参数的约束，首先考虑本次设计采用几阶的滤波器。本次设计从回波损耗和衰减来确定阶数。
有微波网络相关知识[1]，可以得到回波损耗和衰减的关系：
(2)
其中LA为衰减，RL为回波损耗。
巴特沃斯低通原型的衰减函数为：
(3)
其中，n为滤波器阶数。
为了对任意频率的滤波器都适用，可以采用归一化频率
(4)
衰减函数改为
(5)
令，可以得到是由通带内最大衰减决定
(6)
阶数n由带外最小衰减决定
(7)
（2）设计滤波器低通原型
有数据可以得到阶数为8级滤波器，我们用电感输入式的低通模型，其电路图和元件参数如图1

图1 低通原型电路及参数图
（3）把滤波器由低通原型换算到带通滤波器
低通原型滤波器中串联支路变换到带通滤波器中为电感与电容相串联形成的谐振电路，换算关系为：
(8)
低通原型滤波器中并联支路变换到带通滤波器中为电感与电容相并联形成的谐振电路，换算关系为：
(8)
负载关系为：
(9)
由以上关系式计算得到带通滤波器的实际参数和实际电路如图2：

图2 带通滤波器实际电路及参数图
（4）带入实际数据画出散射矩阵的S11和S21的图像
滤波器的传输矩阵为
(10)
由传输矩阵和散射矩阵的关系可得
(11)
(12)
画出S11和S21如图3

图3 S11和S21图像
根据该模型计算得散射系数
S11（2GHz）= -15.6，S11（3GHz）= -20.1，S11（4GHz）=-0.001；
S21（2GHz）= -0.12，S21（3GHz）= -0.04，S21（4GHz）=-44.88；
(5) 用专用软件FilterSolutions进行设计
根据设计要求和已计算出的滤波器所需最低阶数：
中心频率：f=2.5GHz；
通带带宽取宽于设计要求：Δf=1.5GHz；
所需最低阶数n=8； 输入输出阻抗：Rin=Ro=50Ω
可以使用FilterSolutions帮助进行快速设计。
使用以上参数设计的巴特沃兹带通滤波器电路及参数如图4：

图4 巴特沃兹带通滤波器电路及参数
由FilterSolutions仿真绘图可得到该电路的频率响应（如图5）和反射系数（如图6）：

图5 滤波器的频率响应

图6 滤波器的反射系数
由以上仿真图像可得到：
频率响应 S21（2GHz）=-0.04，S21（3GHz）= -0.001，S21（4GHz）=-34.34；
反射系数 ref（2GHz）=-19.29, ref（3GHz）=-35.29, ref（4GHz）=-0.0016；
回波损耗 S11（2GHz）=-38.58, S11（3GHz）= -70.58, S11（4GHz）=-0.0032；
(6)模型的检验与分析
由于matlab库函数有巴特沃斯模型，我们就先用matlab库函数的模型简单绘出波特图，如图7，与自己设计的参数图像对比。

图7 matlab库函数衰减图
根据该模型模型得到的降增益理论值：
H（2）=-0.12；H（3）=-0.04；H（4）=-44.88；
1. III、结果讨论
1.对比matlab中的巴特沃兹模型的降增益和使用matlab计算参数所设计的滤波器的散射参数，结果在误差范围内一致（降增益在小数点后四位才出现差别）。
2.对比使用matlab计算参数所设计的滤波器与使用FilterSolutions设计的滤波器，前者的通带稍有偏移，而后者则完全满足设计要求。
IV、备注
%--------程序1：求解所需滤波器的级数-----------
f1=1.9; %通带截止频率
f2=3.2; %通带截止频率
f3=4; %阻带截止频率
RL=20; %通带回波损耗
As=20; %阻带最小抑制
%技术指标
fc=sqrt(f1*f2);
W=(f2-f1)/fc;
f11=1/W*(f1/fc-fc/f1);
f22=1/W*(f2/fc-fc/f2);
f33=1/W*(f3/fc-fc/f3); %频率换算
LA=-10*log10(1-10^(-RL/10)); %求解衰减
e=10^(LA/10)-1;
N=ceil((log10((10^(As/10)-1)/e)/(2*log10(f33/f22)))/2)*2;
%求解级数
sprintf('所需滤波器的级数为:%d\n',N)；
%----------程序2：绘制S11和S21的图像
a=[0.390
1.111
1.663
1.962
1.962
1.663
1.111
0.390
]; %低通原型的元件参数
f1=1.9;
f2=3.2;
f3=4;
%技术指标
fc=sqrt(f1*f2);
W=(f2-f1)/fc;
Z0=50;
L1=Z0*a(1)/(W*2*pi*fc);
C1=W/(2*pi*fc*Z0*a(1));
L2=Z0*W/(2*pi*fc*a(2));
C2=a(2)/(W*2*pi*Z0*fc);
L3=Z0*a(3)/(W*2*pi*fc);
C3=W/(2*pi*fc*Z0*a(3));
L4=Z0*W/(2*pi*fc*a(4));
C4=a(4)/(W*2*pi*Z0*fc);
L5=Z0*a(5)/(W*2*pi*fc);
C5=W/(2*pi*fc*Z0*a(5));
L6=Z0*W/(2*pi*fc*a(6));
C6=a(6)/(W*2*pi*Z0*fc);
L7=Z0*a(7)/(W*2*pi*fc);
C7=W/(2*pi*fc*Z0*a(7));
L8=Z0*W/(2*pi*fc*a(8));
C8=a(8)/(W*2*pi*Z0*fc); %换算带通元件参数
for p=1:6000
fff(p)=p/1000;
A=zeros(2,2);
g1=((2*pi)*fff(p)*L1-1/((2*pi)*fff(p)*C1));
g2=((2*pi)*fff(p)*C2-1/((2*pi)*fff(p)*L2));
g3=((2*pi)*fff(p)*L3-1/((2*pi)*fff(p)*C3));
g4=((2*pi)*fff(p)*C4-1/((2*pi)*fff(p)*L4));
g5=((2*pi)*fff(p)*L5-1/((2*pi)*fff(p)*C5));
g6=((2*pi)*fff(p)*C6-1/((2*pi)*fff(p)*L6));
g7=((2*pi)*fff(p)*L7-1/((2*pi)*fff(p)*C7));
g8=((2*pi)*fff(p)*C8-1/((2*pi)*fff(p)*L8));
A=[1,i*g1;0,1]*[1,0;i*g2,1]*[1,i*g3;0,1]*[1,0;i*g4,1]*[1,i*g5;0,1]*[1,0;i*g6,1]*[1,i*g7;0,1]*[1,0;i*g8,1];
%求解A矩阵
A11(p)=A(1,1);
A12(p)=A(1,2);
A21(p)=A(2,1);
A22(p)=A(2,2);
end
s21=20*log10(abs(2./(A11+A12/Z0+Z0*A21+A22)));
s11=20*log10(abs((A11+A12/Z0-Z0*A21-A22)./(A11+A12/Z0+Z0*A21+A22)));
%求解S11和S21
figure(1)
plot(fff(950:100:6000),s11(950:100:6000),'r',fff(950:100:6000),s21(950:100:6000),'b');
title('S11和S21的图像');
xlabel('频率f(GHz)');
ylabel('幅值（dB）');
legend('S11','S21');
%-------------------程序3：用matlab库函数看波特图------------------------------

[Z,P,K]=buttap(N); %用巴特沃斯模型
ff=zeros(1,6000);
f=zeros(1,6000);
for n=1:6000
ff(n)=n/1000;
f(n)=1/W*(ff(n)/fc-fc/ff(n));
hs1(n)=K;
for m=1:N
hs1(n)=hs1(n)/(i*f(n)-P(m));
end
hs2(n)=10*log10((abs(hs1(n)))^2); %求解增益
end
figure(2)
plot(ff(1000:6000),hs2(1000:6000)); %绘出波特图
title('matlab库函数得到的波特图');
xlabel('频率f(GHz)');
ylabel('增益（dB）');

关于FilterSolutions的使用，如图8设置：

图8 FilterSolutions的使用

V、电磁兼容应用实例介绍
1、变电站的接地应用
变电站，尤其是超高压变电站内的电磁环境很恶劣。因此，一些变电站内的二次设备，特别是其中的电子微电子设备，例如微机监测、监控和继电保护装置，常常受到各种电磁干扰而误动、拒动、甚至损坏。近年来随着新型电子元件和大规模、超大规模集成电路的普遍开发和广泛应用，二次电子设备日趋高速化、宽带域化和高密度化，其信号电平越来越低，对电磁干扰更加敏感，对外界电磁环境的要求更加苛刻。因此，研究如何提高变电站二次电子设备的抗干扰水平，对于保证现代电力系统的安全可靠运行，加速新型电子和微电子设备在电力系统中的推广应用，促进超高压变电站的现代化、自动化和智能化进程，都有着重要的意义。接地是提高电子设备电磁兼容性（ＥＭＣ）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，甚至使二次电子设备无法正常工作。电子设备中的许多地方需要接地，不同的接地有不同的目的和特点，不同类型的二次设备对接地有不同的要求。电子设备中的“地”通常有两种含义：一种是指“大地”，另一种是指“系统基准地”。二次电子设备接地的目的通常有两个，其一是为了安全，即保护操作人员免于触电；其二则是为了抑制干扰。接地之所以能抑制干扰，其根本原因在于地电位的相对稳定性。一旦接地点选取不当或接地回路选取和设计欠佳时，接地系统各接地点之间就会因相对电位差的形成而产生差模干扰。
2、电路仪器机柜的屏蔽应用
某系统为机柜、机箱式结构，其中控制部分为机箱结构，子板总线板结构，子板均安装面板。做静电试验时，接触放电＋5.5kv时，对主板面板及左右相邻的面板进行静电试验时，控制板重启或死机，后来在控制板附近的面板之间安装指形簧片，系统在接触放电±6.6kv时运行正常。现在很多系统都是机箱结构，即控制板、采集板、驱动板等都安装在同一机箱中，进行数据交换与控制。安装完成后各电路板会有一定的缝隙，静电脉冲通过面板缝隙，分布电容向主板耦合，使电源失真或控制发生故障系统重启、死机。在面板之间安装指形簧片，使机箱成为一个良好的屏蔽体，由于电荷的“趋肤效应”，当有静电干扰时，静电会沿着表面泄放至大地，对内部电路的影响减小或者消失。
屏蔽机柜对机柜的缝隙和门都进行了处理，缝隙处安装导电簧片，门与机柜接触位置安装导电布衬垫，提高机柜的屏蔽效能，提高机柜整体的抗干扰性，群脉冲干扰的实质是对线路分布电容能量的积累效应，当能量积累到一定程度时就可能引起线路（乃至设备）工作出错。通常测试设备一旦出错，就会连续不断的出错，即使把脉冲电压稍稍降低，出错情况依然不断的现象加以解释。脉冲成群出现，脉冲重复频率较高，波形上升时间短暂，能量较小，一般不会造成设备故障，使设备产生误动作的情况多见。
3.信号电缆抗干扰接地及多媒体系统集成中接地
电磁兼容性( EMC) 是指电子系统在规定的电磁环境中按照设计要求而工作的能力。包括电子系统与周围其它电子系统之间在电磁环境中互相兼顾而相容的能力以及在自然环境中按照设计要求而工作的能力。随着现代电子技术的飞速发展,电子系统组成越来越庞大,各种小信号、大信号;高频、低频;模拟、数字信号并存，电子设备工作的电磁环境非常复杂，电磁兼容性问题已成为电子系统设计过程中不容忽视的问题。为了提高电子设备的电磁兼容性能 ,通常采取去耦、滤波、整形、屏蔽、接地、选材、布局等各种技术手段以达到消除或抑制电磁干扰的目的，其中，正确的接地是EMC设计中的重要环节。
在多媒体应用环境中，各种电路布线错综复杂，而这些电路之间经常会相互影响。接地不仅可以解决多媒体应用环境系统集成中系统的安全问题外，还对噪声抑制与衰减有很大的影响。
VI、参考文献
[1]徐敏锐，王锡良等.2010.微波网络及其应用.北京.科学出版社
[2]赵显升，杨显清等.2012.电磁兼容原理与技术.北京.电子工业出版社