[讨论] 电源线通讯系统在室内的电磁辐射

fighting 2006-7-17 10:16 楼主

2006年7月17日 10:18:07 星期一

电源线通讯系统在室内的电磁辐射

Indoor radiated emission associated with power line communications systems

1 前言
    近几年来，利用无线电频率（1-30MHz）的新型电源线通讯（PLC）系统的发展，使得数据传输速率达到了约几兆bit/s，主要问题是这种系统的电磁辐射。大多数关于PLC电磁辐射的研究，是考虑PLC信号沿架空线或地下电缆传播的室外辐射。本文评估PLC系统的室内辐射。
    首先测量几种不同建筑物的注入电源网络的信号及其辐射电磁场，对得出的实验数据加以讨论。并指出了用平面波近似假定测磁场的标准方法来评估电场是不准确的。最后，用NEC2码估算PLC的电磁辐射估算，并与实验数据进行比较。

2 室内PLC辐射实验特性表示
2.1耦合因子定义
    为表示给定地点的PLC系统辐射，引入用于计算PLC系统任意输入时的辐射场的转换函数。此函数常称作耦合因子。定义为：

或 :

式中，E（f）为测得的电场；U（f）为注入网络的谐波电压。耦合因子取决于频率，PLC网络拓朴以及观察点位置。
与此相似辐射磁场的耦合因子定义为：

或：

    当电磁波为平面波时，电与磁耦合因子的关系通过自由空间阻抗Z0表示为：
KE(f)=KH(f)·Z0        (5)
或:
KEdB(f)=KHdB(f)+51.5dB         (6)
    由于难以测量电场，有人建议先测量磁场，再用平面波近似假定来确定电场耦合因子。
2.2测量过程

图1为测量装置。通过定向耦合器和平衡器，将频率为9kHz~30kHz的谐波信号注入到电源网络。注入电压的典型值为1~6V。分别用环形天线和单极天线相应的测量磁场的三个分量和电场的垂直分量。将它们用通用接口总线（GPIB）接到个计算机（PC）上，取得数据。
2.3测量结果
测量地点为两座居民楼。

图2为电源网络拓朴。测量点在房间中部。图3为测得的磁场幅值（总磁场Htot及三个分量Hx，Hy ，H2）。以图3可见，磁场幅值频率增高而显著增大（每十倍频率约15dB）。在几兆赫以上，磁场变化较不规则，有时磁场还会下降。另外，磁场各个分量的相对变化随频率的变化而极为不同。

图4表示电场垂直分量（用单极天线直接测得）与总电场（从测得的磁场和平面波近似候定求得）的比较。从图4可见，总电场并不总是大于垂直分量。也就是平面波近似法不适用，从而造成对电场幅值低估。
为了评估观察点位置和电源网络负载对耦合因子的影响，也进行了测量。图5表示不同负条件下的磁场耦合因子。负载接成三种结构：1、全部照明灯打开，全部计算机关闭；2、全部灯与全部计算机都关闭；3、全部灯与全部计算机都开启。从图5看出耦合因子对负载变化很敏感，尤其是频率超过10MHz。

    图6表示观察点位置对磁场耦合因子影响。可以看出，耦合因子随观察点位置不同而显著变化。
    图5和图6表明，耦合因子强烈依赖于观察点位置也在一定程度上依赖于电。因此，很难用合适的实验来表征PLC系统的电磁辐射。必须在各种不同位置，不同负载下进行大量的实验。

3 数字仿真及与实验数据比较
    精确的PLC 仿真，是预测电磁辐射的有效工具。有人最先试用半波偶极近似法对PLC的室内电磁辐射仿真。本文采用众所周知的数字电磁码（NEC-2）来解频域中的电场积分方程。

为说明平面波近似法的不适用求室内电场幅值，对图2拓朴并计算给定点（图2中所示的离PLC网络3m处）的E/H比与频率的关系。结果示于图7。图7表明，在40MHz以下，E/H比与自由空间阻抗差别很大。从图8的仿真结果也得出近似结论。图8是在固定频率下，E/H随离PLC网络距离Y的变化。

    图9表示NEC仿真与总磁场实验数据的比较。采用了三种模型：（1）仅考虑低压网络；（2）再考虑接地将地假设为完全导电的平面；（3）再考虑用钢筋混凝土密封。
    从图9可以看出，3种仿真都不能精确预测磁场。其差异在最低频率（5MHz·3下）下最显著。不过，在较高频率（7~30MHz）下，第三种模型与测量结果的差异在±5dB以内。

4 结论
    本文讨论了电源线通讯系统的室内电磁辐射。结果表明，用磁场测量和平面波近似假定来间接确定电场会造成对电场的低估。实验结果证明，电磁辐射强烈依赖于观察点位置和在一定程度上也依赖于网络电负载。
    进行对PLC系统的室内电磁辐射用简易的E种模型进行仿真，实验数据进行比较。结果表明，如果仿真时仔细考虑建筑特金属结构接地，钢筋、混凝土等等，则对室内辐射的预测效果最佳，还需作进一步研究。

参考文献：
IEEE  Int  Symp EMC  2001 年    D3-A2-01

文章作者：杨仁富译