谐波的基础知识

知识点：谐波

在射频信号链中设备的非线性会产生谐波，谐波是输入频率的倍数。对于谐波，你们是真的了解吗？今天就让我们一起来认识一下。

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何为谐波？

“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

基波，来自网络

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。

谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。

谐波可以区分为偶次与奇次，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。

3次谐波，来自网络

一般来讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。

叠加3、5、7次后的谐波，来自网络

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谐波产生的原因

具有铁磁饱和特性的铁芯设备

主要为变压器、电抗器等，此种设备产生的谐波较少。理论上，变压器正常运行时，本身不产生谐波，但是变压器磁通达到饱和时，主要会产生3次谐波。

以电弧为工作介质的设备

如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等。这类负荷谐波含量大，且有低次、偶次谐波。

以电子元件为基础的开关电源设备

如整流器、逆变器、变频器、相控调速和调压装置、大容量的晶闸管可控开关设备等。

不间断电源系统（UPS）

大功率UPS是通信电源系统中主要的谐波源，采用可控硅整流是UPS产生谐波的主要原因。UPS生产厂家提供的谐波指标通常是满载输出时的数据，而实际情况中UPS不可能运行在满载状态下。

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谐波信号影响

除谐波杂散信号产物外，还有非谐波杂散信号成分，通常称为杂散信号，因为在某些情况下所有杂散信号成分通常都被称为杂散信号，所以可能会造成混淆。从技术上讲，谐波产物是基频的无限整数倍，但是随着谐波阶次的增加，随后谐波的功率电平会下降。这导致在大多数系统中，高次谐波产物大约在三次谐波之后到达本底噪声，因此在单音互调失真（IMD）分析中，高次谐波往往会被忽略。

双平衡混频器，11 GHz~20 GHz，现场可更换2.92mm

根据频率划分，谐波产品可能是受欢迎的，也可能是令人讨厌的。在某些情况下，谐波很容易被滤波，而在其他情况下，谐波可能落在重要通信信号的频带内。在传感应用中，谐波可能非常令人讨厌，因为它们可能与测量值相冲突。当谐波出现在设备的接收频带中并自行产生时，通常称其为自干扰或自退出，因为它可能会导致接收器的减敏现象。

谐波通常以分贝（dBc）表示其相对于基频的信号强度，或者以所有谐波分量信号强度的均方根来表示整个谐波能量。谐波产品强度是基频信号强度的一个可预测的分数。因此，计算和解释射频系统中的谐波失真相对比较容易。

有源3x倍频器，960MHz~1350MHz,SMA

在处理具有宽频带和大频谱范围信道的复杂通信系统时，谐波的设计会遇到挑战。近年来，LTE和WiFi就是这种情况，随着蜂窝通信和无线通信的额外频谱被分配，这种情况正日益受到人们的关注。在某些情况下，来自这些系统的谐波可能会被传输，并对非常灵敏的射频/微波/毫米波传感和成像设备造成干扰。这就是为什么在最新的无线通信系统中可能有更严格的关于谐波失真的标准规定，以防止对其自身灵敏的接收器和附近的其他系统造成干扰。

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