| 电源线通讯系统在室外的电磁辐射 Outdoor radiated emission associated with power line communications systems |
1 前言 最先在郊区开发PLC网。低压配电网中，用得越来越多的是埋地电缆。好处是可以避免电力网遭雷击和噪声，同时也保持了外部环境美观。 本文将集中研究注入到低压地下电缆上的PLC信号（频率1~30MHz）的电磁辐射。说明为什么要选择共模传播而不是差模，或者两者共同来表征电磁辐射。提出一个初始模型来讨论共模方式中的所有传播现像和地的性质。以天线理论为基础进行一些仿真，并用一些实验来验证。从所得结果可获知传播波的极化与衰减，地中的波长与自由空间比较，以及电缆与地之间的能量交换。 2 低压（LV）埋地电缆初始模型  图1表示HN33S33埋进电缆的结构。从图可见，HN33S33无对称面。并且其屏蔽钢带与中线有电连接。 正常条件下，在中线和相线之间差式注入信号。所建立的差模传播，并非唯一的考虑因素。钢带可看作屏蔽，可屏蔽来自差式信号注入的辐射。 低压配电网中，中线通过电连接接地，使PLC信号在由地组成的第二回路中循环。故可设想，多数辐射只来自共模传播。另外一个因素虽然作用比电连接小，是与用户终端负载有关的非对称效应。非对称也对辐射有影响。其证据之一例是，来自与地无任何电触点的非对称数字用户线（ADSL）网的辐射，由于是非对称终端负载，会受到共模传播的干扰。 考虑到PLC信号在由地形成的第二回路中循环，假定低压埋地电缆和地组成的系统比作同轴电缆：芯体为整体电缆，壳体（屏蔽）为地。这样，假定芯体为完全导体，地具有介电损耗特性。用CRP绝缘材料将芯体与屏蔽隔离。选择芯体半径为13mm，CRP厚度为2mm，且屏蔽半径约为10m、13mm相应于由钢带限定的等效电缆半径值：10m与地中空透深度δg有关。在频率范围为1~30MHz时，可用（1）式计算空透深度：  式中，μ0=4π×10-7H/m，为真空磁导率； ω=2πf，为角频率； δg=10-3s/m，为一般土壤的电导率。 将数字代入（1）式，在f=1MHz时，可得δg≈6.35m。即是地屏蔽半径选择为10m的原因。 图2为共模方式同轴电缆的截面图和侧视图。  3 以天线理论为基础理论的仿真 用NEC4码对低压电缆的共模电磁辐射进行仿真。NEC4也如NEC2一样是以天线理论为基础的。NEC2与NEC4的主要差别是研究的辐射结构镶嵌于那种介质内。采用NEC4，可假设整个介质并非由真空而是由损耗性材料组成，其性能由相对介电常数和有限电导率或介电损耗角表示。计算时用严格的Sommerfeld积分或Fresnel反射系数近似法对损耗进行计算。本文仿真用的是严格的Sommerfeld积分。 以薄线为假定前提时，一直怀疑用NEC4所作的假设简直与NEC2的一样。实际上，对一个用薄线的模型结构，可以设想，每条薄线代表一个半径，其数值远小于在结构中伟播的信号的波长。作为模型结构，须将它离散成许多整齐的单块。设离散级数为δ，注入信号在自由空间的波长为λo。则只有满足（2）式时，所有远场和近场电磁计算才是正确的：  式中α为加权系数，其典型值在10和20之间。 用NEC4对100m长图2所示低压埋地电缆辐射仿真，考虑了两种不同的方案。一种是埋地电缆10m深，电缆周围的地极不确定。第一种是埋地电缆深度为80cm，一般也是实际情况下的典型值。两种情况下的土质不同：第一种的土很湿；第二种的土正常。 所有仿真中，用单色信号发生器发出大小如Eocos(2πfot）的信号，其中Eo=5V，fo [1MHz…30HMz]。给发生器加100Ω的内阻抗。逐个计算电磁场和其幅值，以仿真辐射功率与注入功率相比较。对每种仿真，均要明确对电磁场和研究频率下的所选观察点。  3.1不确定的地中电缆的辐射  首先选用图3模型进行仿真。发生器及其内部阻抗置于X=-49m和X=-48.75m之间，终端负载插入X=-48.75m和X=-49m之间。认为地是一种不确定介质。图4表示根据观察线（OL）所得的在1MHz和30MHz下的电场。观察线按（3）式写成笛卡尔坐标形式，其单位为m。在同样频率下在空间位置ρ1(10m，0，-10m）处研究发电场的极化。 考虑土壤很湿的情况。表1列出土壤特性。图5为研究结果。 OL1={(x，y，z) R31-60≤x≤60，y=0，z=-10}（3）  从图4可明显看出，电波是非横向（TE）传播模式。横向传播式表示在每个传播轴点，所得电场与传播方向正交，因此X分量远没有另两个分量大。观察表明，电波为非横向传播模式，也证明了采用严格的天线理论进行计算是正确的。 研究电波极化还有两个补充理由。首先，通过极化的两维表达式，可以设想，电场的y分量相比于其它两个分量可以忽略。这点已由y=0m的观察线（OL1）定义所证实。其次，可以看出电场椭圆极化中频率和观察点影响。1MHz和30MHz的椭圆几何特性之间差异很大。 通过1MHz和30MHz下电场的三个空间方向分量，来决定电波在地中的衰减量。土壤还是用很湿的那种。对100m长电缆，从求出的电场计算两个典型频率1MHz和30MHz下的平均衰减AE。结果列于表2。很容易看出，电波衰减对频率变化非常敏感，频率越高，衰减越大。   有趣的是，从图4可求得注入信号在地中的波长。两个终端线上的可见振荡，很好地说明子有驻波存在。这种现象的一个重要物理特性是，两个最大振荡之间距离，等于介质中波长之一半，此处的介质是地。因此，通过测量这个距离，可求出PLC信号在地中波长的数值，可推导出速度系数。为了仿真，把观察面设于10m深处。这样，传播现象大多数在结构中心部分绝缘材料中进行，因此，通过考察给定频率下两下终端线的情况，可得到在绝缘材料中和地中的PLC信号波长值。参照图4，设在绝缘材料中和地中的波长分别为λi和λg。根据图4，频率为30MHz时，可得到λi≈6m且λg≈2m。在真空中，波长λ0应为10m。由此可得绝缘材料中和地中的速度因数分别是为  和 。入损耗性介质的复数指数η。它可由相对介电常数εr和电导率σ表示。其定义如（4）式。速度因数θ可通过关系式θ=|η|来表示成η的函数。表3此较了仿真所得的和根据（4）式计算的速度因数。   最后，预算一下埋地电缆与地之间的功率转换，结果列于表4。与电波衰减相反，由于大多数辐射在地中，效率因数与频率无关。  3.2确定的地中电缆的辐射  本节讨论与前面一样的共轴模型，埋地深度为80cm，此为实际深度，由于这种情况更能代表实际工作条件，介绍较为完整的仿真结果，并给予解释。图6示出用NEC4码仿真的结构模型。显而易见，其与先前模型的唯一差别是埋地深度：此处为80cm，先前为10m。发生器和其内阻抗仍放于X=-49m和X=-48.75m之间，终端负载还是插入X=-49m和X=-48.75m之间。观察线OL2与（5）相对应，其单位为m： OL2={(x，y，z) R31-70≤x≤70，y=2，z=5}（5）   对此观察线，再次计算4MHz，10MHz和17MHz三个典型频率下的电磁场分布。其结果分别示于图7和图8。  表5列出仿真模型的辐射功率。从表5看出，辐射功率与输入功率之比随频率增高而下降。这个结果在电缆线之间差模传播中很可能是错的。实际上，此处研究的注入只是共模。在功率预算中，地的非线性特性起了关键作用，因此辐射功率与输入功率的比值随频率增高而下降。还要注意，与先前仿真相反，效率随频率变化很大。其主要原因与此处的埋地深度小于地下穿透深度有关。  最后，表6给出根据（5）式观察线计算的平均电磁场和磁场衰减AE和AH。可以看出衰减与频率列关。另外，磁场衰减比电场衰减约大3dB。 4 实验验证 在郊区埋100m长的HN33S33电缆，用单色信号发生器激励。地点选择在不与其它电缆和管线（长途通讯电缆、水管、电缆…）产生寄生耦合。在中线和金属导体（长1m，如图9所示）之间注入信号，激励共模传播。电缆另一端放置100Ω电阻负载。将HFH2Z1棒形天线（或HFH2Z2环形天线）接到HP4395A频谱分析仪，测量电场（或磁场）垂直分量。 根据（6）式定义的ML测量线进行测量，以比较仿真结果和实验数据。 ML={(x，y，z) R3|5m≤x≤90 m，y=0m，z=1.4m}(6)   图10为注入功率为16dB时电场垂直分量的仿真和实验结果比较。从图10可见，仿真数据与实验数据的最大差值为5dB。产生差值部分原因是通过电缆注入信号的途径，由于要与电缆阻抗匹配，而在发生器注入端口上加耦合器件。耦合器件由可调电感和电容构成，阻抗并不完全匹配。 参考文献 IEEE Int Symp EMC，2001年D3-A2-02 |
| 文章作者： 杨仁富 译 水玉 校编 |
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