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摘要：在电力线载波技术中，接口电路是一个很重要的部分，它实现了PLC系统与电力线网络的信号连接。旨在阐述实用型的接口电路，包括电容耦合、电感耦合和一些混合型设计。将在不同阻抗和信道噪声下，测量接口电路传输信号的能力，并且通过补偿来测得电力线中实际的参数。通过比较不同的耦合电路来体现它们在实际电力线传输中的作用。
关键词：电力线载波；PLC；宽带耦合电路
中图分类号：TM13 ； ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ； ；文章编号：1007-0079（2014）17-0127-02
通过电力线载波技术（Power-line Communication，简称PLC）实现信号的传输，需要将传输信号叠加到电源信号上。这就意味着耦合电路必须进行仔细设计，从而确保两种信号的兼容性。电源信号和载波信号具有截然不同的特点。电源信号频率低、电压高、能量大；而载波信号频率高、电压低、能量小。PLC系统设计的优劣，对耦合电路的了解起着重要作用。PLC信道中两种不同的电信号可以通过多种不同的电流路径来实现。一是差模耦合。在这种耦合模式中，火线作为一端，而零线作为另一端。二是共模耦合。在这种耦合模式中，火线和零线作为同一端，而把地线作为另一端，这种耦合在电信号大于30dB时，传输效果要比差模耦合效果好。在有些地方不被使用，主要是这一技术有潜在的安全隐患。
耦合电路可以实现PLC设备与电网之间的电气隔离。耦合电路有两种耦合方式，即电容耦合和电感耦合。电容耦合会有高达几分贝的信号损失，而电感耦合避免了电网的物理连接，使得它比电容耦合更加安全。另外，电容耦合还可以实现高通滤波。对于实际的耦合电路往往会提供电容和电感两种耦合技术。
一、耦合电路分析
1.耦合电路的组成
各种编码方式的数据通信只能从数据编码的物理概念上解决通讯的可靠性。通讯方式的物理层面设计决定了通讯过程中的质量。电力线载波通讯技术的关键在于耦合电路。为了设计一个合理的耦合电路，必须选择合适的器件，并且明白其各自的作用。将对各部分的功能作简单介绍。
（1）耦合电容：在电力线载波通讯技术中经常被使用。它可以将传输信号耦合到电力线上，也可以作为更复杂的高通滤波器的一部分。这些耦合电容的基本特征已经在ANSI C93.1-1972中进行了标准化。也就是说，应用在电力线载波技术中的电容应该是高频电容，它的自写震荡频率必须比调制频率高。反过来，耦合电容必须过滤掉电源电压及浪涌电压。这也正是需要高压电容的原因。耦合电容的滤波特性有赖于载波特性。
（2）耦合变压器：其主要作用是提供电气隔离和阻抗适配。电源波形具有非常低的频率，与传输信号相比要低 倍。因此，电源波形通常是在进入耦合变压器之前先通过低通滤波器。
（3）隔离电感：需要注意电源频率和电流，防止出现饱和与电压下降，隔离电感必须阻止调制信号，所以自谐振频率必须高于电源的工频。
（4）电阻：一般情况下，应该努力避免使用电阻，电阻的存在意味着造成功率的损失，或传输信号和电源信号的损失。
通过对不同低压电力线支路发射与接收信号的实验，发现我国低压电力线用户的负载情况十分复杂，但是也有一些共同的特征：电力线信号传输频率衰减在20dB以上；频率在100kHz～400kHz的衰减相对较小；衰减会随频率的升高而增加。因此，根据不同的电力线系统特征在100kHz～400kHz频率之间选择一个衰减较小的中心频率。
2.耦合电路实例
一个耦合电路需要有两个耦合电容和一个耦合变压器。耦合电路的电路图如图1所示。该电路由高压滤波电容、宽带变压器和过压保护电路组成。高压电容既可以耦合高频载波信号，又可以滤除50Hz的工频信号。为了防止电网中的强干扰和过压，在电路中接了过压保护电路，由5个二极管组成。耦合变压器不仅具有电气隔离作用，也实现了信号线性平衡与不平衡的变换和阻抗的变换。同时耦合电容与耦合电压的一次绕组组成了高通滤波电路，减少了低频干扰信号。为了进一步优化变压器的工作性能，在制作变压器时采取以下措施：
（1）采用高频铁氧体做变压器的铁芯，减少铁芯的漏磁。
（2）尽量减少变压器一、二次绕组在铁芯上的匝数，增加匝数间距，以减少线圈的分布电容和漏磁。
（3）尽量采用高导磁率的铁芯，加大环形铁芯的截面积，增加一次绕组的电感，从而扩展低频响应。
耦合电路不应该在实际测量过程中影响电力线载波通道中的实际参数。通过对20m长电力线传输信号进行反复测量，发现补偿之后的各频率信号衰减明显减少，如图2所示。同时也发现，不管补偿方式如何，传输信号频率高于60MHz时，数字信号都会出现明显的衰减现象。这就需要在耦合之前对传输信号进行合适的调制，来达到良好的传输效果。
二、电感耦合
1.电感耦合组成和分析
电感耦合是基于变压器电感耦合的原理，将高频的载波信号加载在初级绕组，电力线信号传输到次级绕组上。通过使用适当的高频电感变压器，PLC将信号传输到电网上。当信号接入点阻抗低时，电感耦合的方法接入信号非常有效。典型的信号接入方法是：几个电源线同时接入总电网。电感耦合首选的方法是在低阻抗情况下有更好的性能、更低的功率和使用简便性。电感耦合中变压器的材质选择铁氧体，通过它将电信号传输到电网中。从实用性的角度来看，由于电网和PLC设备之间没有电流传输。这样就使得PLC设备变得相对安全。这是由于：耦合电容的使用降低了耦合点的阻抗，从而提高了耦合效率，同时降低了传输信号的损失。耦合电容作为传输信号的一个途径，传输信号会经过耦合电容。另外，不同的耦合电感的连接方式可以改变信号的传输效率。不同类型耦合电感的连接方式，如图3所示。 对长尾20m，两个端口负载电阻都是50Ω的载波信道进行测试，可以得出以下结论：多电感的连接方式可以很大程度上减少传输过程中信号的损失，提高传输的效率，如图4所示。
2.电感耦合优劣
类比变压器的传输特性可以发现，以下因素可以提高电感耦合的传输效率。
（1）铁芯材料。铁氧体铁芯具有良好的磁导率，铁损小，磁稳定性强，即磁导率随时间和温度的变换不大。根据磁导率和最佳频率范围的关系，选择磁导率在3000～7000H/m范围为宜。
（2）初、次级绕组线圈。考虑到高频信号的传输特点，应选择多股导线作为初级绕组的线圈，从而减少线圈中由于电流的趋肤效应而造成的电阻。另外，选择线径较大的铜线或者铁线作为线圈的导线。根据阻抗匹配的关系，选择初、次级绕组匝数之比应为1∶1或1∶2为好。
（3）耦合装置的结构。耦合装置中铁氧体的体积应尽可能大，而体积一定时，选择形状短而粗的来减少阻抗，强化耦合效果。铁氧体的内径越小，耦合的效果会越好。另外，带有气隙的环形铁氧体磁芯可以有效减少磁饱和。
总之，为了形成一个完整的耦合磁环，在空间允许的情况下，应选择尽量长与厚而且漏磁和磁阻小的铁氧体元件。
三、结束语
低压电力线载波的通信信道环境非常恶劣，所以在电力线载波设备中，良好的耦合技术和合理的耦合电路的选择非常重要。同时，选择合适的电路组件将改善PLC电路的传输性能。在本文中，对PLC宽带电容耦合和电感耦合电路信号的阻抗与噪声进行了相应分析，发现电容耦合衰减相对较小，适宜直接插入电源在家庭内使用；电感耦合是间接耦合，相对安全，适用于电力线抄表和配电间。同时也发现，对于不同的耦合电路可以通过改变其材料、形状、工艺等改善电力线载波中的通信效率。
参考文献：
[1]李晓燕.宽带电力线通信的现状和展望[J].甘肃科技，2012，
（3）：35-30.
[2]孙增友.中压电力线宽带载波通信耦合技术研究[J].中国电力，2012，（8）：6-8.
[3]李建岐.低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置[J].电力系统通信，2004，（4）：13-15.
[4]李祥珍.配电网载波通信耦合方式的探讨[J].电力系统通信，
2007，（4）：23-24.
[5]赖征田.电力线载波信道特性研究及仿真[J].电力系统通信，
2010，（10）：6-8.
（责任编辑：孙晴）
关键词：电力线载波；PLC；宽带耦合电路
中图分类号：TM13 ； ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ； ；文章编号：1007-0079（2014）17-0127-02
通过电力线载波技术（Power-line Communication，简称PLC）实现信号的传输，需要将传输信号叠加到电源信号上。这就意味着耦合电路必须进行仔细设计，从而确保两种信号的兼容性。电源信号和载波信号具有截然不同的特点。电源信号频率低、电压高、能量大；而载波信号频率高、电压低、能量小。PLC系统设计的优劣，对耦合电路的了解起着重要作用。PLC信道中两种不同的电信号可以通过多种不同的电流路径来实现。一是差模耦合。在这种耦合模式中，火线作为一端，而零线作为另一端。二是共模耦合。在这种耦合模式中，火线和零线作为同一端，而把地线作为另一端，这种耦合在电信号大于30dB时，传输效果要比差模耦合效果好。在有些地方不被使用，主要是这一技术有潜在的安全隐患。
耦合电路可以实现PLC设备与电网之间的电气隔离。耦合电路有两种耦合方式，即电容耦合和电感耦合。电容耦合会有高达几分贝的信号损失，而电感耦合避免了电网的物理连接，使得它比电容耦合更加安全。另外，电容耦合还可以实现高通滤波。对于实际的耦合电路往往会提供电容和电感两种耦合技术。
一、耦合电路分析
1.耦合电路的组成
各种编码方式的数据通信只能从数据编码的物理概念上解决通讯的可靠性。通讯方式的物理层面设计决定了通讯过程中的质量。电力线载波通讯技术的关键在于耦合电路。为了设计一个合理的耦合电路，必须选择合适的器件，并且明白其各自的作用。将对各部分的功能作简单介绍。
（1）耦合电容：在电力线载波通讯技术中经常被使用。它可以将传输信号耦合到电力线上，也可以作为更复杂的高通滤波器的一部分。这些耦合电容的基本特征已经在ANSI C93.1-1972中进行了标准化。也就是说，应用在电力线载波技术中的电容应该是高频电容，它的自写震荡频率必须比调制频率高。反过来，耦合电容必须过滤掉电源电压及浪涌电压。这也正是需要高压电容的原因。耦合电容的滤波特性有赖于载波特性。
（2）耦合变压器：其主要作用是提供电气隔离和阻抗适配。电源波形具有非常低的频率，与传输信号相比要低 倍。因此，电源波形通常是在进入耦合变压器之前先通过低通滤波器。
（3）隔离电感：需要注意电源频率和电流，防止出现饱和与电压下降，隔离电感必须阻止调制信号，所以自谐振频率必须高于电源的工频。
（4）电阻：一般情况下，应该努力避免使用电阻，电阻的存在意味着造成功率的损失，或传输信号和电源信号的损失。
通过对不同低压电力线支路发射与接收信号的实验，发现我国低压电力线用户的负载情况十分复杂，但是也有一些共同的特征：电力线信号传输频率衰减在20dB以上；频率在100kHz～400kHz的衰减相对较小；衰减会随频率的升高而增加。因此，根据不同的电力线系统特征在100kHz～400kHz频率之间选择一个衰减较小的中心频率。
2.耦合电路实例
一个耦合电路需要有两个耦合电容和一个耦合变压器。耦合电路的电路图如图1所示。该电路由高压滤波电容、宽带变压器和过压保护电路组成。高压电容既可以耦合高频载波信号，又可以滤除50Hz的工频信号。为了防止电网中的强干扰和过压，在电路中接了过压保护电路，由5个二极管组成。耦合变压器不仅具有电气隔离作用，也实现了信号线性平衡与不平衡的变换和阻抗的变换。同时耦合电容与耦合电压的一次绕组组成了高通滤波电路，减少了低频干扰信号。为了进一步优化变压器的工作性能，在制作变压器时采取以下措施：
（1）采用高频铁氧体做变压器的铁芯，减少铁芯的漏磁。
（2）尽量减少变压器一、二次绕组在铁芯上的匝数，增加匝数间距，以减少线圈的分布电容和漏磁。
（3）尽量采用高导磁率的铁芯，加大环形铁芯的截面积，增加一次绕组的电感，从而扩展低频响应。
耦合电路不应该在实际测量过程中影响电力线载波通道中的实际参数。通过对20m长电力线传输信号进行反复测量，发现补偿之后的各频率信号衰减明显减少，如图2所示。同时也发现，不管补偿方式如何，传输信号频率高于60MHz时，数字信号都会出现明显的衰减现象。这就需要在耦合之前对传输信号进行合适的调制，来达到良好的传输效果。
二、电感耦合
1.电感耦合组成和分析
电感耦合是基于变压器电感耦合的原理，将高频的载波信号加载在初级绕组，电力线信号传输到次级绕组上。通过使用适当的高频电感变压器，PLC将信号传输到电网上。当信号接入点阻抗低时，电感耦合的方法接入信号非常有效。典型的信号接入方法是：几个电源线同时接入总电网。电感耦合首选的方法是在低阻抗情况下有更好的性能、更低的功率和使用简便性。电感耦合中变压器的材质选择铁氧体，通过它将电信号传输到电网中。从实用性的角度来看，由于电网和PLC设备之间没有电流传输。这样就使得PLC设备变得相对安全。这是由于：耦合电容的使用降低了耦合点的阻抗，从而提高了耦合效率，同时降低了传输信号的损失。耦合电容作为传输信号的一个途径，传输信号会经过耦合电容。另外，不同的耦合电感的连接方式可以改变信号的传输效率。不同类型耦合电感的连接方式，如图3所示。 对长尾20m，两个端口负载电阻都是50Ω的载波信道进行测试，可以得出以下结论：多电感的连接方式可以很大程度上减少传输过程中信号的损失，提高传输的效率，如图4所示。
2.电感耦合优劣
类比变压器的传输特性可以发现，以下因素可以提高电感耦合的传输效率。
（1）铁芯材料。铁氧体铁芯具有良好的磁导率，铁损小，磁稳定性强，即磁导率随时间和温度的变换不大。根据磁导率和最佳频率范围的关系，选择磁导率在3000～7000H/m范围为宜。
（2）初、次级绕组线圈。考虑到高频信号的传输特点，应选择多股导线作为初级绕组的线圈，从而减少线圈中由于电流的趋肤效应而造成的电阻。另外，选择线径较大的铜线或者铁线作为线圈的导线。根据阻抗匹配的关系，选择初、次级绕组匝数之比应为1∶1或1∶2为好。
（3）耦合装置的结构。耦合装置中铁氧体的体积应尽可能大，而体积一定时，选择形状短而粗的来减少阻抗，强化耦合效果。铁氧体的内径越小，耦合的效果会越好。另外，带有气隙的环形铁氧体磁芯可以有效减少磁饱和。
总之，为了形成一个完整的耦合磁环，在空间允许的情况下，应选择尽量长与厚而且漏磁和磁阻小的铁氧体元件。
三、结束语
低压电力线载波的通信信道环境非常恶劣，所以在电力线载波设备中，良好的耦合技术和合理的耦合电路的选择非常重要。同时，选择合适的电路组件将改善PLC电路的传输性能。在本文中，对PLC宽带电容耦合和电感耦合电路信号的阻抗与噪声进行了相应分析，发现电容耦合衰减相对较小，适宜直接插入电源在家庭内使用；电感耦合是间接耦合，相对安全，适用于电力线抄表和配电间。同时也发现，对于不同的耦合电路可以通过改变其材料、形状、工艺等改善电力线载波中的通信效率。
参考文献：
[1]李晓燕.宽带电力线通信的现状和展望[J].甘肃科技，2012，
（3）：35-30.
[2]孙增友.中压电力线宽带载波通信耦合技术研究[J].中国电力，2012，（8）：6-8.
[3]李建岐.低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置[J].电力系统通信，2004，（4）：13-15.
[4]李祥珍.配电网载波通信耦合方式的探讨[J].电力系统通信，
2007，（4）：23-24.
[5]赖征田.电力线载波信道特性研究及仿真[J].电力系统通信，
2010，（10）：6-8.
（责任编辑：孙晴）