電磁場與電磁兼容

前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，電磁干擾及電磁防護(hù)問題日益突出。為了把國內(nèi)外的技術(shù)和學(xué)術(shù)進(jìn)展、精辟的見解和分析傳播給學(xué)生，需要一本新的適用于電子、通信類專業(yè)的電磁理論基礎(chǔ)課教程，以便使經(jīng)典理論聯(lián)系現(xiàn)代的實際?！　”緯木帉懸环矫嫣貏e注重理論的嚴(yán)密和完整，另一方面也注重講清概念的物理本質(zhì)，聯(lián)系工程實際；通過打好理論基礎(chǔ)，增強學(xué)生的廣泛適應(yīng)性。編寫的思路和所做的工作主要如下：在講解“場”的內(nèi)容時首先加強場論的闡述，使之更加嚴(yán)密和條理化，特別是深入淺出、形象化地講明學(xué)生往往感到抽象的概念和定理的物理含義；注重基本概念，強調(diào)矢量微分算子這一工具的使用?！　§o電場的講法是以場論為綱從數(shù)學(xué)上概括物理的場，而電場與磁場則作為場論的物理實例；同時在場論的亥姆霍茲定理一節(jié)（1。6。3節(jié)）便提出了宏電磁場基本方程，強調(diào)指出了電場與磁場的不可分割，因而每種靜態(tài)場又是統(tǒng)一的時變電磁場的特例，同時也把靜態(tài)場同準(zhǔn)靜態(tài)場的模型進(jìn)行了比較。而為了便于學(xué)習(xí)，減少困難，仍然按靜電場（第2章）、恒定電場（第3章）、恒定磁場（第4章）的順序分別介紹，并把第3、4章與第2章對應(yīng)地介紹。第5章在總結(jié)靜態(tài)場基本方程的基礎(chǔ)上進(jìn)而導(dǎo)出了時變場的基本方程——麥克斯韋方程組，并對其限定形式做了闡述。第6章介紹了電磁兼容的基本概念和基礎(chǔ)理論，對電磁干擾三要素和電磁騷擾源進(jìn)行了分析。第7章介紹了電磁干擾濾波器的工作原理與分類，以及一些常用的濾波元器件，并結(jié)合實際應(yīng)用闡述了濾波器的正確選用與安裝。第8章總結(jié)了編者在長期的電路設(shè)計工作中的經(jīng)驗，論述了PCB的電磁兼容設(shè)計的原則、干擾消除、抗串?dāng)_和PCB接地技術(shù)，詳細(xì)介紹了常見元件的分布參數(shù)模型。　　本書是編者基于多年教學(xué)和科研工作實踐，吸收了一些最新的研究成果和工程經(jīng)驗，以原有的本科教學(xué)講義和培訓(xùn)教材為基礎(chǔ)編寫完成的。本書配有習(xí)題解答和教學(xué)用PPT相關(guān)資料，可在華信教育資源網(wǎng)下載。本書主要由李一玫、解侖、王先梅編寫，胡雪、劉欣、許家銘、弓飛、彭曉蘭、呂振、閆紀(jì)錚、霍磊等參加了部分章節(jié)的文字整理工作?！　∮捎陔姶艃?nèi)容所涉及的技術(shù)領(lǐng)域和服務(wù)對象范圍非常廣，相關(guān)的理論和技術(shù)發(fā)展迅速，加上作者水平有限，因而書中難免存在不妥之處，誠懇歡迎批評、指正。

內(nèi)容概要

解侖等編著的《電磁場與電磁兼容》對電磁場及電磁兼容的基本理論做了系統(tǒng)介紹，全數(shù)共有8章，內(nèi)容包括矢量分析及場論、靜電場、恒定電場、恒定磁場、時變電磁場、電磁兼容基礎(chǔ)、電磁兼容濾波器設(shè)計、PCB的電磁兼容設(shè)計及應(yīng)用。每章除本章小結(jié)外，還附有習(xí)題，供讀者對相關(guān)內(nèi)容做進(jìn)一步探討和復(fù)習(xí)鞏固之用。習(xí)題解答和教學(xué)用ppt
相關(guān)資料可在華信教育資源網(wǎng)（www.hxedu.com.cn）下載。
《電磁場與電磁兼容》可以作為電子、通信、自動化控制等專業(yè)的“電磁場理論及應(yīng)用”課程的本科生教材，也可以作為相近專業(yè)的教學(xué)參考書。

書籍目錄

第1章 矢量分析及場論
1.1 矢量場和標(biāo)量場
 1.1.1 場的分類
 1.1.2 場的表示方法
 1.1.3 矢量運算
 本節(jié)思考與練習(xí)
1.2 正交曲線坐標(biāo)系
 1.2.1 直角坐標(biāo)系
 1.2.2 圓柱坐標(biāo)
 1.2.3 球坐標(biāo)
 1.2.4 長度、面和體的微分元及積分
 本節(jié)思考與練習(xí)
1.3 標(biāo)量場的梯度
 1.3.1 方向?qū)?shù)
 1.3.2 梯度
 本節(jié)思考與練習(xí)
1.4 矢量場的通量、散度和散度定理
 1.4.1 通量和通量源
 1.4.2 散度
 1.4.3 散度定理
 本節(jié)思考與練習(xí)
1.5 矢量場的環(huán)量、旋度和斯托克斯定理
 1.5.1 環(huán)量和渦旋源
 1.5.2 旋度
 1.5.3 斯托克斯定理
 本節(jié)思考與練習(xí)
1.6 若干定理
 1.6.1 格林定理
 1.6.2 唯一性定理
 1.6.3 亥姆霍茲定理
1.7 標(biāo)量場和矢量場的MATLAB基本運算和仿真
 本節(jié)思考與練習(xí)
 本章小結(jié)
習(xí)題一
第2章 靜電場
2.1 庫侖定律
 2.1.1 電荷
 2.1.2 電場強度
 2.1.3 庫侖定律與疊加原理
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.2 真空中靜電場的基本方程
 2.2.1 立體角
 2.2.2 靜電場的通量和散度
 2.2.3 靜電場的環(huán)量和旋度
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.3 電位
 2.3.1 電位的引入及電位的物理意義
 2.3.2 電位的計算方法
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.4 介質(zhì)中的高斯定律
 2.4.1 電偶極子
 2.4.2 介質(zhì)的極化
 2.4.3 介質(zhì)中的高斯定律
 2.4.4 本構(gòu)關(guān)系
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.5 靜電場的邊界條件
 2.5.1 兩種介質(zhì)分界面上的邊界條件
 2.5.2 介質(zhì)與導(dǎo)體分界面上的邊界條件
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.6 電位的二階微分方程
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.7 分離變量法
 2.7.1 直角坐標(biāo)系分離變量法
 2.7.2 圓柱坐標(biāo)系分離變量法
 2.7.3 球坐標(biāo)系的分離變量法
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.8 鏡像法
 2.8.1 平面鏡像法
 2.8.2 圓柱面鏡像法
 2.8.3 球面鏡像法
 2.8.4 電軸法
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.9 多導(dǎo)體系統(tǒng)及部分電容
 2.9.1 電容的概念
 2.9.2 多導(dǎo)體系統(tǒng)間的部分電容
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.10 靜電場能量及靜電力
 2.10.1 靜電場能量
 2.10.2 靜電力
 本節(jié)思考與練習(xí)
2.11 靜電場的MATLAB運算和仿真
 本節(jié)思考與練習(xí)
 本章小結(jié)
習(xí)題二
第3章 恒定電場
3.1 電流密度
 3.1.1 電流強度和電流密度
 3.1.2 電流密度和電荷密度
 3.1.3 歐姆定律和焦耳定律
 本節(jié)思考與練習(xí)
3.2 恒定電場的基本方程
 3.2.1 電流連續(xù)性方程及恒定電場基本方程
 3.2.2 電動勢
 本節(jié)思考與練習(xí)
3.3 恒定電場的邊界條件
 本節(jié)思考與練習(xí)
3.4 恒定電場與靜電場的比擬
 本節(jié)思考與練習(xí)
3.5 恒定電場的MATLAB運算和仿真
 本節(jié)思考與練習(xí)
 本章小結(jié)
習(xí)題三
第4章 恒定磁場
4.1 安培力定律、磁感應(yīng)強度
 4.1.1 安培力定律
 4.1.2 磁感應(yīng)強度、畢奧—沙伐定律
 4.1.3 洛侖茲力
 本節(jié)思考與練習(xí)
4.2 真空中磁場的基本方程
 4.2.1 磁通連續(xù)性方程
 4.2.2 安培環(huán)路定律
 本節(jié)思考與練習(xí)
4.3 矢量磁位
 4.3.1 矢量磁位
 4.3.2 磁偶極子
 本節(jié)思考與練習(xí)
4.4 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定律
 4.4.1 介質(zhì)的磁化
 4.4.2 介質(zhì)中的安培環(huán)路定律
 本節(jié)思考與練習(xí)
4.5 恒定磁場的邊界條件
 4.5.1 法向邊界條件和切向邊界條件
 4.5.2 折射關(guān)系
 4.5.3 用矢量位表示的邊界條件
 本節(jié)思考與練習(xí)
4.6 標(biāo)量磁位
 4.6.1 標(biāo)量磁位及其方程
 4.6.2 標(biāo)量磁位的多值性
 4.6.3 介質(zhì)磁化的磁荷模型及其標(biāo)量磁位
 本節(jié)思考與練習(xí)
4.7 電感
 4.7.1 自感系數(shù)和互感系數(shù)
 4.7.2 自感和互感的計算
 本節(jié)思考與練習(xí)
4.8 磁場能量和磁場力
 4.8.1 磁場能量
 4.8.2 磁場力
 本節(jié)思考與練習(xí)
4.9 恒定磁場的MATLAB運算和仿真
 本節(jié)思考與練習(xí)
 本章小結(jié)
習(xí)題四
第5章 時變電磁場
5.1 法拉第電磁感應(yīng)定律
 本節(jié)思考與練習(xí)
5.2 位移電流
 本節(jié)思考與練習(xí)
5.3 麥克斯韋方程組
 5.3.1 麥克斯韋方程組
 5.3.2 本構(gòu)關(guān)系
 5.3.3 無源區(qū)的麥克斯韋方程組
 5.3.4 無源區(qū)的波動方程
 本節(jié)思考與練習(xí)
5.4 時變電磁場的邊界條件
 5.4.1 兩種媒質(zhì)分界面上的邊界條件
 5.4.2 理想導(dǎo)體表面的邊界條件
 本節(jié)思考與練習(xí)
5.5 動態(tài)位電磁波的一般概念
 5.5.1 動態(tài)位方程
 5.5.2 動態(tài)位方程的解
 5.5.3 平面波的一般概念
 本節(jié)思考和練習(xí)
本章小結(jié)
習(xí)題五
第6章 電磁兼容基礎(chǔ)
6.1 電磁干擾的數(shù)學(xué)描述方法
 6.1.1 周期性函數(shù)的傅里葉變換
 6.1.2 非周期性干擾信號的頻譜分析
 6.1.3 脈沖信號的傅里葉積分及快速時/頻域轉(zhuǎn)換
6.2 分貝的概念與應(yīng)用
 6.2.1 分貝的定義及換算關(guān)系
 6.2.2 分貝的應(yīng)用
6.3 電磁環(huán)境及電磁污染途徑
 6.3.1 自然電磁環(huán)境
 6.3.2 人為電磁干擾
 6.3.3 電磁干擾三要素
本章小結(jié)
習(xí)題六
第7章 電磁兼容濾波器設(shè)計
7.1 電磁干擾濾波器
 7.1.1 電磁干擾濾波器的工作原理
 7.1.2 電磁干擾濾波器的主要特性
 7.1.3 低通濾波器的結(jié)構(gòu)選擇
7.2 電磁干擾常用濾波器元件
 7.2.1 電容器
 7.2.2 電感
 7.2.3 濾波連接器
7.3 電磁干擾濾波器的選用與安裝
 7.3.1 電磁干擾濾波器的選用
 7.3.2 電磁干擾濾波器的安裝
習(xí)題七
第8章 PCB的電磁兼容設(shè)計及應(yīng)用
8.1 一般設(shè)計原則
 8.1.1 印制電路板的布局和布線
 8.1.2 單面板和雙面板幾種地線的分析
 8.1.3 多層板
8.2 旁路和去耦
 8.2.1 物理特性
 8.2.2 電容
 8.2.3 引線電感
8.3 變頻器應(yīng)用中的電磁兼容應(yīng)用
 8.3.1 干擾來源
 8.3.2 傳播方式
 8.3.3 電磁兼容對策
習(xí)題八

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   20-H原則 這是W.Michael King提出的。具體表述如下：所有的具有一定電壓的印制板都會向空間輻射電磁能量，為減小這個效應(yīng)，印制板的物理尺寸都應(yīng)該比最靠近接地板的物理尺寸小20H，其中H是兩層印制板的間距。在一定頻率下，兩個金屬板的邊沿場會產(chǎn)生輻射。減小一塊金屬板的邊界尺寸使其比另一個接地板小，輻射將減小。當(dāng)尺寸小至10H時，輻射強度開始下降；當(dāng)尺寸小至20H時，輻射強度下降70％。根據(jù)20-H原則，按照一般典型印制板尺寸，20H一般為3 mm左右。 2-W原則 當(dāng)兩條印制線間距比較小時，兩線之間會發(fā)生電磁串?dāng)_。串?dāng)_會使有關(guān)電路功能失常。為避免發(fā)生這種騷擾，應(yīng)保持任何線條間距不小于2倍的印制線條寬度，即不小于2W，W為印制線條的寬度。印制線條的寬度取決于線條阻抗的要求，太寬會減小布線的密度，增加成本；太窄會影響傳輸?shù)浇K端的信號的波形和強度。 印制板地線是印制板設(shè)計的另一個基本問題。首先，要建立分布參數(shù)的概念，當(dāng)高于一定頻率時，任何金屬導(dǎo)線都要看成是由電阻、電感構(gòu)成的器件。所以，接地引線具有一定阻抗并且構(gòu)成電氣回路，不管是單點接地還是多點接地，都必須構(gòu)成低阻抗回路進(jìn)入真正的地或機架。25 mm 長的典型印制線會分布15～20 nH的電感，加上分布電容的存在，就會在接地板和設(shè)備機架之間構(gòu)成諧振電路。其次，接地電流流經(jīng)接地線時，會產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和天線效應(yīng)。當(dāng)線的長度為波長的1／4時，可以呈現(xiàn)出很高的阻抗，接地線實際上是開路的，接地線反而成為向外輻射的天線。最后，接地板上充滿高頻電流和騷擾形成的渦流，從而在接地點之間構(gòu)成許多回路，而這些回路的直徑（或接地點間距）應(yīng)小于最高頻率波長的1／20。選擇恰當(dāng)?shù)钠骷窃O(shè)計成功的重要因素，特別在選擇邏輯器件時，盡量選上升時間大于5 ns的器件，決不要選比電路要求時序快的邏輯器件。 在PCB設(shè)計中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟，可以說前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的，在整個PCB中，以布線的設(shè)計過程限定最高、技巧最細(xì)、工作量最大。但如果布線不當(dāng)，則會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。因此，為了合理地進(jìn)行PCB布線，使設(shè)計出的產(chǎn)品具有更好的電磁兼容性，應(yīng)遵循以下一些基本原則： ①印制導(dǎo)線的布設(shè)。導(dǎo)線的布設(shè)應(yīng)盡量短，在高頻回路中更應(yīng)如此，同一元件的各條地址線或數(shù)據(jù)線盡量保持一樣長；印制導(dǎo)線的拐彎應(yīng)成圓角，因為直角或尖角在高頻電路和布線密度高的情況下會影響電氣性能；當(dāng)雙面板布線時，雙面的導(dǎo)線應(yīng)相互垂直、斜交或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸入及輸出用的印制導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好在這些導(dǎo)線之間加接地線。

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