CN101667215B - 一种线缆与金属板平面间谐振阻抗的计算和优化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线缆与金属地平面间谐振阻抗的计算和优化系统，该系统包括有计算机以及存储在计算机中的谐振阻抗优化模块，该谐振阻抗优化模块由参数录入与构形单元(101)、SPICE电路建模单元(102)、谐振频率分析单元(103)和谐振频率优化单元(104)组成；该系统通过计算线缆与其金属信号返回地平面间的谐振阻抗频率点，并通过在线缆与金属地平面间的设置位置L(±x，y)来确定退耦电容连接线缆与金属平面板的位置；然后根据输出阻抗R_A与初始阻抗R_in进行比较，当R_A≥(1+T)×R_in时，增加5％的退耦电容容值；当R_A≤(1-T)×R_in时，减小5％的退耦电容容值。本发明的系统解决了线缆与其金属地平面间的谐振阻抗频率对线缆中有用信号的干扰。

Description

一种线缆与金属板平面间谐振阻抗的计算和优化系统

技术领域

本发明涉及一种应用于电磁干扰和防护技术领域中的线缆信号防护方法，更特别地说，是指一种基于部分元等效电路理论的线缆与金属板平面间谐振阻抗的计算和优化系统。

背景技术

信号线缆一般位于其金属板平面回路的正上方，而且为了避免接受空间的电磁辐射，信号线缆通常与其金属板平面回路距离很近。由于线缆与金属板平面间存在互感和互容，使得线缆与金属板平面间在特定的频率点处发生谐振。当线缆中的信号频谱包含上述谐振频率点时，就会影响到线缆上有用信号的传输。

要获得线缆与其金属板平面间的谐振阻抗频率，需要准确计算线缆与金属板平面间的互感和互容。但是由于金属板平面形状和线缆与金属板平面位置关系的任意性，使得准确求解互感和互容有一定困难。在获得了谐振阻抗频率点之后，通过添加退耦电容的方法改变谐振阻抗频率点的位置，使正常线缆信号不受影响。但是退耦电容的添加位置以及退耦电容容值大小的计算也有一定的困难。

发明内容

为了解决线缆与其金属板平面间的谐振阻抗频率对线缆中有用信号的干扰，本发明提出一种基于部分元等效电路理论的，对信号线缆与其金属板平面回路间的谐振阻抗频率点进行计算，并通过在线缆与金属板平面间添加退耦电容，来优化谐振阻抗频率点的方法。该方法基于部分元等效电路理论，并在计算机机中应用VC++6.0编写了参数录入与构形单元、SPICE电路建模单元、谐振频率分析单元和谐振频率优化单元形成的谐振阻抗优化模块。

本发明的一种线缆与金属板平面间谐振阻抗的计算和优化系统，该系统包括有计算机，以及存储在计算机中的谐振阻抗优化模块，该谐振阻抗优化模块由参数录入与构形单元(101)、SPICE电路建模单元(102)、谐振频率分析单元(103)和谐振频率优化单元(104)组成；

参数录入与构形单元(101)根据参数录入界面记录的构形参数，以及线缆和金属板的相对坐标关系得到线缆构形图；所述的构形参数包括有单根线缆参数C＝{L，D，σ，H}和金属板参数W＝{W_L，W_W，W_T，W_σ}，L表示单根线缆的长度；D表示单根线缆的直径；σ表示单根线缆所选加工材料的电导率；H表示线缆距离金属板的高度；W_L表示金属板的长度；W_W表示金属板的宽度；W_T表示金属板的厚度；W_σ表示金属板所选加工材料的电导率；

SPICE电路建模单元(102)根据参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形图，采用部分元等效电路理论进行转换处理获得SPICE电路；

谐振频率分析单元(103)采用SPICE电路分析软件对SPICE电路建模单元(102)输出的SPICE电路上，选择加载激励源的位置和设置负载值，并进行时域或频域的分析，从而得出线缆端口处的输出阻抗值R_A；

谐振频率优化单元(104)依据用户输入的信号通信频带内的端口阻抗值R_in，并与谐振频率分析单元(103)输出的端口阻抗值R_A进行比对，当R_A≥(1+T)×R_in时，增加5％的退耦电容容值；当R_A≤(1-T)×R_in时，减小5％的退耦电容容值。

所述的线缆与金属板平面间谐振阻抗的计算和优化系统中，部分元等效电路理论转换处理包括有下列执行步骤：

第一步，离散线缆构形图

SPICE电路建模单元(102)对接收到的参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形图进行离散处理，获得离散线缆构形图；

所述的离散处理是通过用户输入的频率值f_H在自由空间中所对应的波长的十分之一为依据，对线缆构形图按照部分元等效电路理论进行模型离散化处理；

第二步，获取离散线缆构形图参数值

依据部分元等效理论对离散线缆构形图进行计算，得到剖分体的剖分体电阻、剖分体自电感、剖分体自电容以及离散块之间的剖分体互电感和剖分体互电容参数值；

第一剖分体电阻

σ为第一剖分体V的电导率，l为第一剖分体V的长度，a_V为第一剖分体V的截面积，且a_V＝h·b，h表示第一剖分体V的高度，b表示第一剖分体V的宽度；

第一剖分体自电感

μ₀为真空中的磁导率，μ_r为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，a_V为第一剖分体的截面积，

为空间格林函数

在第一剖分体V上的两重积分，为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，dv、dv′为第一剖分体V在空间上的两重积分的变量；

第一截面的自电容

ε₀为真空中的介电常数，ε_r为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，a_V为第一剖分体V的截面积，

为空间格林函数

在第一截面上的两重积分，

为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，ds、ds′为第一剖分体V上的第一截面的两重积分变量；

第一剖分体V与第二剖分体W的互电感

μ₀为真空中的磁导率，μ_r为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，a_V为第一剖分体V的截面积，a_W为第二剖分体W的截面积，

为空间格林函数

在第一剖分体V、第二剖分体W上的积分，分别为第一剖分体V与第二剖分体W在空间上的两个矢量位置，dv为第一剖分体V在空间上的积分变量、dw为第二剖分体W在空间上的积分变量；

第一截面与第二截面的互电容

ε₀为真空中的介电常数，ε_r为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，a_V为第一剖分体V的截面积，a_W为第二剖分体W的截面积，为空间格林函数在第一截面与第二截面上的积分，

分别为第一截面与第二截面在空间上的两个矢量位置，dv′为第一截面在空间上的积分变量、dw′为第二截面在空间上的积分变量。

第三步，SPICE电路建立

依据线缆的连接关系和参数间的电磁耦合关系，对第一剖分体电阻第一剖分体自电感

第一截面的自电容

第一剖分体V与第二剖分体W的互电感和第一截面与第二截面的互电容

进行有效连接得到SPICE表征的SPICE电路。

本发明的一种线缆与金属板平面间谐振阻抗的计算和优化系统的优点在于：

(1)将连接设备间的线缆采用部分元等效电路理论等效为SPICE等效电路，从而在时域或频域中都可以对线缆与金属板平面间的端口阻抗进行分析。

(2)利用计算机的计算能力与谐振阻抗优化模块的配合，能够实时构建线缆模型，并为设计者提供方便的参数计算。

(3)利用SPICE电路建模单元对接收的线缆构形参数进行部分元等效电路理论转换处理，从而获得由分离元件组成的SPICE电路，该SPICE电路的外端可以方便地添加任意形式的外部连接电路。

(4)利用谐振频率优化单元对SPICE等效电路添加退耦电容，从而改变谐振阻抗频率点的位置，该SPICE电路的内部可以方便地在任意位置添加任意容量大小的退耦电容。

(5)采用部分元等效电路理论计算线缆与其金属板平面间谐振阻抗频率的精度高、计算时间短。

附图说明

图1是本发明谐振阻抗优化模块的结构图

图1A是本发明参数录入与构形单元的界面。

图1B是本发明参数录入与构形单元中当点击添加/更新时线缆坐标录入界面。

图1C是本发明干扰强度分析单元中激励源及负载的参数设置界面。

图1D是本发明谐振频率优化单元参数设置界面。

图2A是本发明SPICE电路建模单元中的第一剖分体V的等效结构图。

图2B是本发明SPICE电路建模单元中的第二剖分体W的等效结构图。

图3是本发明实施例中线缆与其金属板平面的结构图。

图4是本发明实施例中线缆与其金属板平面的端口阻抗图。

图5是本发明实施例中优化后的线缆与其金属板平面的端口阻抗图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D所示，本发明是一种基于部分元等效电路理论的，线缆与金属板平面间谐振阻抗的计算和优化系统，该系统通过计算线缆与其金属信号返回地平面间的谐振阻抗频率点，并通过在线缆与金属板平面间的设置位置L(±x，y)来确定退耦电容连接线缆与金属平面板的位置；然后根据谐振频率分析单元的输出阻抗R_A与初始阻抗R_in(用户输入的通信频带内阻抗值，一般设定为50Ω)进行比较，当R_A≥(1+T)×R_in时，增加5％的退耦电容容值；当R_A≤(1-T)×R_in时，减小5％的退耦电容容值。本发明的系统解决了线缆与其金属板平面间的谐振阻抗频率对线缆中有用信号的干扰。

为了实现线缆与金属板平面间谐振阻抗的计算和优化，本发明通过在一公知计算机中，应用计算机的计算与存储能力和采用软件编写程序的方式，发明人应用VC++6.0编写了谐振阻抗优化模块。该谐振阻抗优化模块由参数录入与构形单元101、SPICE电路建模单元102、谐振频率分析单元103和谐振频率优化单元104组成。

在本发明中，设置位置L(±x，y)是按照线缆长度L方向布局的，并且线缆长度L的中心点位置记为L_o，退耦电容布局在中心点位置L_o的左边方向记为-x，退耦电容布局在中心点位置L_o的右边方向记为+x，由于线缆是布局在金属平面板上的，将垂直于y方向的位置记为0，则设置位置改写为L(±x，0)。

计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。在本发明中，计算机的最低配置为：主频1.24GB、内存512M、硬盘10GB；计算机的操作系统为Windows2000/2003/XP。

在本发明中，谐振阻抗优化模块采用VC++语言编写(版本号VC++6.0)。

(一)参数录入与构形单元101

参见图1A、图1B所示，参数录入与构形单元101首先通过“参数录入界面”将构形参数记录入计算机的存储器中；然后依据线缆和金属板的相对坐标关系得到在参数录入界面左上角显示的图示，该图示称为线缆构形图。

构形参数包括有单根线缆参数C＝{L，D，σ，H}和金属板参数W＝{W_L，W_W，W_T，W_σ}；其中，L表示单根线缆的长度；D表示单根线缆的直径；σ表示单根线缆所选加工材料的电导率；H表示线缆距离金属板的高度；W_L表示金属板的长度；W_W表示金属板的宽度；W_T表示金属板的厚度；W_σ表示金属板所选加工材料的电导率。

金属板的坐标起始点默认为坐标原点，即O(0，0，0)点。点击“线缆参数录入”中的“添加/更新”按钮后会弹出如图1B所示的界面提示输入当前线缆所需的坐标起点。

在本发明中，参数录入与构形单元101将实际的线缆与其金属板返回地平面转化输出为实际电路的等效模型(即作为SPICE电路建模单元102的输入量)。构形所需参数通过“参数录入界面”录入。

(二)SPICE电路建模单元102

在本发明中，SPICE电路建模单元102根据参数录入与构形单元101输出的线缆构形图，采用部分元等效电路理论进行转换处理获得由分离元件组成SPICE电路(简称为SPICE电路)；

所述的部分元等效电路理论转换处理包括有下列执行步骤：

第一步，离散线缆构形图

SPICE电路建模单元102对接收到的线缆构形图进行离散处理，获得以各个离散块来表达的线缆构形(简称为离散线缆构形图)；

在步骤中，用户需要输入一个的参数，该参数为线缆中用于传输信息的信号频率的最高值f_H。当然也可将该参数值设置大于f_H，用于观察更宽范围内的线缆的端口阻抗值。

在本发明中，步骤的离散处理是以f_H在自由空间中所对应的波长的十分之一为依据，对参数录入与构形单元输出的线缆构形图按照部分元等效电路理论进行模型离散化处理。

第二步，获取离散线缆构形图参数值

参见图2A、图2B所示，依据部分元等效理论对离散线缆构形图进行计算，得到各个离散块(也称为剖分体)的剖分体电阻、剖分体自电感、剖分体自电容以及离散块之间的剖分体互电感和剖分体互电容参数值。

第一剖分体电阻

σ为第一剖分体V的电导率，l为第一剖分体V的长度，a_V为第一剖分体V的截面积，即ABCD形成的第一截面，且a_V＝h·b，h表示第一剖分体V的高度，b表示第一剖分体V的宽度。

第一剖分体自电感

μ₀为真空中的磁导率，μ_r为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，a_V为第一剖分体的截面积，

为空间格林函数

在第一剖分体V上的两重积分，

为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，dv、dv′为第一剖分体V在空间上的两重积分的变量。

第一截面的自电容

ε₀为真空中的介电常数，ε_r为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，a_V为第一剖分体V的截面积，为空间格林函数在第一截面上的两重积分，

为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，ds、ds′为第一剖分体V上的第一截面的两重积分变量。

在本发明中，第二剖分体W上的EFGH形成的第二截面，第二剖分体W的长度记为j，第二剖分体W的高记为i，第二剖分体W的宽记为k，第二截面的面积a_W＝i·k，i表示第二剖分体W的高度，k表示第二剖分体W的宽度。

第一剖分体V与第二剖分体W的互电感

μ₀为真空中的磁导率，μ_r为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，a_V为第一剖分体V的截面积，a_W为第二剖分体W的截面积，

为空间格林函数

在第一剖分体V、第二剖分体W上的积分，

分别为第一剖分体V与第二剖分体W在空间上的两个矢量位置，dv为第一剖分体V在空间上的积分变量、dw为第二剖分体W在空间上的积分变量。

第一截面与第二截面的互电容

ε₀为真空中的介电常数，ε_r为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，a_V为第一剖分体V的截面积，a_W为第二剖分体W的截面积，

为空间格林函数

在第一截面与第二截面上的积分，分别为第一截面与第二截面在空间上的两个矢量位置，dv′为第一截面在空间上的积分变量、dw′为第二截面在空间上的积分变量。

第三步，SPICE电路建立

根据各个离散元件间的相互关系对其进行连接，得到SPICE电路；依据线缆的连接关系以及参数间的电磁耦合关系，对上述各个部分体参数进行有效连接得到SPICE形式的电路。

(三)谐振频率分析单元103

参见图1C所示，谐振频率分析单元103在接收到的SPICE电路上选择加载激励源的位置和设置负载值，然后导入SPICE电路分析软件中进行时域或频域的分析从而得出线缆端口处的输入阻抗值。

在本发明中，负载是指设备的输入阻抗值。

在本发明中使用的SPICE电路分析软件为ADS2005A。

(四)谐振频率优化单元104

谐振频率分析单元103获得的线缆端口处的阻抗值R_A可能并不满足信号传输的要求，因此需要谐振频率优化单元104对其进行修正。

谐振频率优化单元104依据用户输入的信号通信频带内的端口阻抗值R_in，并与谐振频率分析单元103输出的端口阻抗值R_A进行比对，T为阻抗值容差。当(1-T)×R_in≤R_A≤(1+T)×R_in时，不需要谐振频率优化单元104对SPICE等效电路进行优化。否则，当通信频带中心频率在与其最接近的谐振阻抗频率点的左侧时，退耦电容位于布局在中心点位置L_o的右边线缆的正中间位置，即L(+x，0)；当通信频带中心频率在与其最接近的谐振阻抗频率点的右侧时，退耦电容位于布局在中心点位置L_o的左边线缆的正中间位置，即L(-x，0)。在确定好退耦电容的位置后，并在该位置的线缆与金属地平板间添加初始退耦电容MD_C，从而得到修正后的SPICE电路。最后对修改后的SPICE电路进行时域或频域的分析，得出线缆端口处的输入阻抗值R_A。当R_A≥(1+T)×R_in时，增加5％的退耦电容容值MD_C；当R_A≤(1-T)×R_in时，减小5％的退耦电容容值MD_C。将修改退耦电容容值后的SPICE等效电路重复迭代进行上述时域或频域的分析、输入阻抗值比较，当重复10次后输入阻抗值仍然不能满足要求时，需要对退耦电容的位置进行进一步的修改。修改以最后一次输入阻抗值为依据，以当前退耦电容的位置作为新的中心点位置L_o进行退耦电容位置的确定。确定好新的退耦电容的位置后，再次进行退耦电容容值的变化，如此迭代直到输入阻抗值R_A满足要求，则谐振频率优化单元运行结束，最终得到满足输入阻抗值R_A的SPICE等效电路输出阻抗值R_out。

当经过优化后的信号通信频带内的阻抗满足要求时，在实际的电路与等效电路中退耦电容位置相对应处添加同优化电容容值相同的电容。如此即可满足实际线缆中信号传输时所需的阻抗要求。当电路的连接方式不变，只是传输的信号频段改变，则只需重新进行谐振优化单元的相应计算。当电路的连接方式改变时，则四个单元都需要重新运行。

实施例

在铜板(铜板尺寸W_L＝500mm，W_W＝250mm，W_T＝0.5mm，W_σ＝5.8×10⁷S/m)上布置一根铜线缆(如图3所示)，线缆(端口A至端口B)的长度L＝500mm、直径D＝1mm、电导率σ＝5.8×10⁷S/m、距离金属板高度H＝10mm，线缆的坐标起点为X＝0mm、Y＝125mm。

根据本发明的计算和优化线缆与金属板平面间谐振阻抗的系统，线缆及其铜板采用如图3所示的结构。激励源位置设在端口A，端口B添加无源的50Ω负载。计算机选取主频2.59GB、内存1G、硬盘80GB预装Windows XP系统，VC++语言编写的谐振阻抗优化模块。

将图3所示电路结构输入到谐振阻抗优化模块得到线缆端口A处的阻抗图如图4所示。从图4中可以看出，在频率为80×10⁶Hz时，端口A阻抗值为74.3dBΩ(即5188Ω)。当线缆中传输的信号的频率也为80×10⁶Hz时，将会严重影响信号的有效传输。为此，将上述结果输入到优化模块，设置信号通信频带的中心频率为80×10⁶Hz、带宽为2×10⁶Hz、目标阻抗为34dBΩ(即50Ω)、容差为5％。经过优化后的端口A阻抗值如图5所示，添加退耦电容的位置为图3所示的L_o处，其容值为19.5pF。

Claims (4)

1.一种线缆与金属板平面间谐振阻抗的优化系统，其特征在于：该谐振阻抗优化系统由参数录入与构形单元(101)、SPICE电路建模单元(102)、谐振频率分析单元(103)和谐振频率优化单元(104)组成；参数录入与构形单元(101)输出线缆构形图给SPICE电路建模单元(102)；SPICE电路建模单元(102)输出SPICE电路给谐振频率分析单元(103)；谐振频率分析单元(103)输出线缆端口处的输入阻抗值给谐振频率优化单元(104)；

参数录入与构形单元(101)根据参数录入界面记录的构形参数，以及线缆和金属板的相对坐标关系得到线缆构形图；所述的构形参数包括有单根线缆参数C＝{L，D，σ，H}和金属板参数W＝{W_L，W_W，W_T，W_σ}，L表示单根线缆的长度；D表示单根线缆的直径；σ表示单根线缆所选加工材料的电导率；H表示线缆距离金属板的高度；W_L表示金属板的长度；W_W表示金属板的宽度；W_T表示金属板的厚度；W_σ表示金属板所选加工材料的电导率；

SPICE电路建模单元(102)根据参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形图，采用部分元等效电路理论进行转换处理获得SPICE电路；加载在所述SPICE电路上的激励源有脉冲激励源、正弦激励源或者方波激励源；

谐振频率分析单元(103)采用SPICE电路分析软件对SPICE电路建模单元(102)输出的SPICE电路进行选择加载激励源的位置和设置负载值，并进行时域或频域的分析，从而得出线缆端口处的输入阻抗值R_A；

谐振频率优化单元(104)依据用户输入的信号通信频带内的端口阻抗值R_in，并与谐振频率分析单元(103)输出的线缆端口处的输入阻抗值R_A进行比对，当R_A≥(1+T)×R_in时，T为阻抗值容差，增加5％的退耦电容容值；当R_A≤(1-T)×R_in时，减小5％的退耦电容容值；

所述的部分元等效电路理论转换处理包括有下列执行步骤：

第一步，离散线缆构形图

SPICE电路建模单元(102)对接收到的参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形图进行离散处理，获得离散线缆构形图；

所述的离散处理是通过用户输入的频率值f_H在自由空间中线缆有用信号受干扰所对应的波长的十分之一为依据，对线缆构形图按照部分元等效电路理论进行模型离散化处理；

第二步，获取离散线缆构形图参数值

依据部分元等效理论对离散线缆构形图进行计算，得到所述离散线缆构形图中各个剖分体的剖分体电阻、剖分体自电感、剖分体自电容以及离散块之间的剖分体互电感和剖分体互电容参数值；

第一剖分体电阻

σ为第一剖分体V的电导率，l为第一剖分体V的长度，a_V为第一剖分体V的截面积，记为第一截面，且a_V＝h·b，h表示第一剖分体V的高度，b表示第一剖分体V的宽度；

第一剖分体自电感

μ₀为真空中的磁导率，μ_r为金属板或线缆介质的相对磁导率，

为空间格林函数

在第一剖分体V上的两重积分，

为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，dv、dv′为第一剖分体V在空间上的两重积分的变量；

第一剖分体V的截面积a_V的自电容ε₀为真空中的介电常数，ε_r为金属板或线缆介质的相对介电常数，ds、ds′为第一剖分体V上的第一截面积a_V的两重积分变量；

第一剖分体V与第二剖分体W的剖分体互电感

a_W为第二剖分体W的截面积，记为第二截面，

为空间格林函数

在第一剖分体V和第二剖分体W上的积分，

分别为第一剖分体V与第二剖分体W在空间上的两个矢量位置，dw为第二剖分体W在空间上的积分变量；

第一剖分体V与第二剖分体W的剖分体互电容

为空间格林函数

在第一截面积a_V与第二截面积a_W上的积分，分别为第一截面积a_V与第二截面积a_W在空间上的两个矢量位置，dv′为第一截面积a_V在空间上的积分变量、dw′为第二截面积a_W在空间上的积分变量；

第三步，SPICE电路建立

依据线缆的连接关系和参数间的电磁耦合关系，对第一剖分体电阻

第一剖分体自电感

第一截面积的自电容

第一剖分体V与第二剖分体W的互电感

和第一截面积a_V与第二截面积a_W的互电容

进行有效连接得到SPICE表征的SPICE电路。

2.根据权利要求1所述的线缆与金属板平面间谐振阻抗的优化系统，其特征在于：加载在SPICE电路上的脉冲激励源中应当包括有低电平、高电平、延时时间、上升沿时间、下降沿时间、脉冲宽度和脉冲周期相关参数。

3.根据权利要求1所述的线缆与金属板平面间谐振阻抗的优化系统，其特征在于：加载在SPICE电路上的正弦激励源应当包括有幅度和频率相关参数；方波激励源应当包括有幅度、频率和占空比相关参数。

4.根据权利要求1所述的线缆与金属板平面间谐振阻抗的优化系统，其特征在于：谐振频率分析单元(103)中采用的SPICE电路分析软件为ADS2005A。

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