CN101901286A - 一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法 - Google Patents

Abstract

一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法，它有三大步骤：步骤一：按照复杂线缆、机箱等几何结构的实际大小和摆放位置，在仿真软件FEKO中建立它们的物理模型；步骤二：在上述模型上添加一回路并在回路中设置一个电阻R，分别设置其阻值为R1和R2，应用数值法获取等效干扰源模型中流过电阻R的电流分别为I1和I2；步骤三：分别列出电阻R1和R2的等效电路方程，组成方程组

，解方程组可得U和r，最后得到线缆和机箱在复杂电磁环境下的等效干扰源模型。本发明是针对如何建立电路板电磁兼容敏感度行为级模型而提出的一种等效为干扰源建模方法，它建模过程简单，参数提取容易，在电磁仿真技术领域里具有实用价值和广阔地应用前景。

Description

一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法

(一)技术领域

本发明涉及一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法，即针对暴露在复杂电磁环境下的线缆和机箱建立其等效电路模型的方法。这种方法可以为建立电路板敏感度的自顶向下的行为级模型做准备。属于电子工程学的电磁仿真技术领域。

(二)背景技术

根据国家标准GB/T4365电磁兼容(EMC)术语中的阐述，电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容(EMC)包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两个方面。电磁干扰是电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。而电磁敏感度是指存在有电磁骚扰的情况下，设备或系统不能避免性能降低的能力。若电磁敏感度高，则抗扰度低，其实二者是一个问题的两个方面，即从不同角度反映设备或系统的抗干扰能力。电磁兼容(EMC)从大到小可分为系统级、设备级、电路板级和芯片级四个方面。印制电路板也称PCB(Printed Circuit Board)板，是电子设备或系统的基本组成单元，其板级电磁兼容性在很大程度上决定了系统内部和系统之间的电磁兼容性。

在板级电磁兼容仿真分析方面，目前主要做的工作是信号完整性仿真分析，即如何设计PCB板，使信号能够正常无误的传输，并且使其电磁辐射控制在允许的范围内，但还没有对电路板敏感度进行全面的研究。要想求解电路板的电磁兼容敏感度，就需要建立电路板的干扰源行为级模型、敏感元器件行为级模型和干扰通路行为级模型。行为级模型是指元器件在不知道内部参数的情况下所表现出来的外部特性的等效电路模型。本发明就是针对如何建立电路板电磁兼容敏感度行为级模型而提出的建立干扰源行为级等效电路模型的一种方法。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法，该方法采用等效电路法对线缆和机箱在复杂电磁环境的条件下建立其等效电路模型，是电路板级电磁兼容敏感度量化行为级分析中建模的一个组成部分。

2、技术方案：本发明一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：按照复杂线缆、机箱等几何结构的实际大小和摆放位置，在仿真软件FEKO中建立它们的物理模型。

使用仿真软件FEKO，其建模方法如下：

首先用FEKO中的矩形工具画出机箱的模型。机箱的材料选用FEKO中默认的良导体(电阻率很小的材料，如银、铜、铝、钨、铁、碳、铁铬铝合金、镍铜合金等)，形状按机箱的实际形状在FEKO中画出，然后按照实际机箱的孔缝的位置、大小在刚画出的机箱模型上用抠除工具抠除孔缝，直到得到精确的机箱模型。其次分析机箱中的线缆分布情况，考虑线缆的粗细、长度、位置，用FEKO中的画线工具画出，线缆的材料也选用良导体。外界电磁干扰中的平面波可以用FEKO中的平面波工具加上，平面波的频率、场强大小、方向等参数可以按实际情况中周围环境的电磁场分布情况手动设置。外界的干扰天线可以先在FEKO中画出一条直线，直线的一端加上端口，给端口提供电压源激励。天线的长度和频率可以根据周围环境中天线的分布设置。

将复杂线缆、机箱等几何结构等效为一个接收天线，它们接收了外界电磁的干扰后，就可以看成是一个等效电压源，这个等效电压源包括两个部分，等效电压U和等效内阻r(如图2虚线框所示)。

步骤二：为了求解等效电压U和等效内阻r，需要外接一个电阻R(如图2所示)，计算出线缆上感应出的感应电流。在步骤一中的模型上添加一个回路，在回路中设置一个电阻R(单位Ω)，电阻的阻值可以手动设置。分别设置电阻的阻值为R1(单位Ω)和R2(单位Ω)这两种情况，应用数值法获取等效干扰源模型中流过电阻R的电流分别为I1(单位A)和I2(单位A)。

步骤三：列出等效电路方程，计算出等效电压和等效内阻。等效电路方程为U＝I(r+R)，方程中U为等效电压的幅值，单位V；r为等效内阻，单位Ω；R为电阻的阻值，单位Ω。分别列出电阻的阻值为R1和R2这两种情况下的等效电路方程，组成方程组

解方程组可得U(单位V)和r(单位Ω)。由于外界干扰为正弦波，因此实际的等效电压应为V＝U sin wtlw＝2πf(f为外界干扰源的频率，单位Hz；w为外界干扰源的角频率，单位rad/s)。最后得到线缆和机箱在复杂电磁环境下的等效干扰源模型(如图3所示)。

3、优点及功效：本发明一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法的优点在于：

(1)解决了线缆和机箱等效为干扰源的通用建模方法问题，干扰源的建模过程简单，参数提取容易，不管对简单模型还是复杂模型都有很好的适应性。

(2)能够分析环境中存在一个或多个平面波的情况下，线缆和机箱的等效源模型的建模问题。

(3)首次研究线缆和机箱存在多个干扰源情况下，线缆和机箱的等效源模型的建模方法；

(4)首次建立在复杂电磁环境条件下板级电磁兼容敏感度分析的行为级干扰源模型及分析方法；

(四)附图说明

图1是本发明中线缆和机箱以及外部电磁干扰的模型示意图。

图2是本发明中求解线缆和机箱等效源模型参数的电路原理图。

图3是本发明中线缆和机箱在外部电磁环境下的等效干扰源模型示意图。

图4是本发明的实例中线缆和机箱以及外部电磁干扰的总体模型示意图。

图5是本发明的实例中线缆和机箱的模型示意图。

图6是本发明的实例中线缆和机箱在外部电磁环境下的等效干扰源模型示意图。

图7是本发明的求解线缆和机箱在外部电磁环境下的等效干扰源模型的流程图。

图中符号说明如下：

PCB  印制电路板；IC1芯片1；IC2芯片2；R负载；r等效源的内阻；U等效源的等效电压；1机箱；2线缆；3外部电磁干扰。

(五)具体实施方式

下面将结合附图和实施例子对本发明做进一步的详细说明。

本发明一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法，该方法可以将线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为行为级仿真模型，即等效电路模型。有了线缆和机箱的等效源模型就可以对机箱中的PCB板进行分析，从而实现电路板级电磁兼容敏感度设计的“事先设计”，而不是目前普遍使用的“事后分析”。

参见图1所示，本发明一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法，需要用到一台可以运行FEKO软件的电脑。该等效干扰源模型包括线缆、机箱以及外部的电磁干扰。

步骤一：按照复杂线缆、机箱等几何结构的实际大小和摆放位置，在仿真软件FEKO中建立它们的物理模型。建模方法如下：

首先用FEKO中的矩形工具画出机箱的模型。机箱的材料选用铝板，形状按机箱的实际形状在FEKO中画出，如果不要求机箱的厚度，可以用面组成机箱，如果机箱的厚度也要考虑，就需用立方体拼出机箱的形状。然后按照实际机箱的孔缝的位置、大小在刚画出的机箱模型上用抠除工具抠除孔缝，如果孔缝的大小远小于(一般指小于十分之一的外界电磁干扰的波长)外界电磁干扰的波长，那么它对结果影响会很小，为了提高仿真效率，可以不考虑这样的孔缝(如果计算机性能很强，可以建立尽可能精确的模型)。按同样方法，扣除其他的小洞，直到得到精确的机箱模型。其次分析机箱中的线缆分布情况，考虑线缆的粗细、长度、位置，用FEKO中的画线工具画出，线缆的材料选用铜。外界电磁干扰中的平面波可以用FEKO中的平面波工具加上，平面波的频率、场强大小、方向等参数可以按实际情况中周围环境的电磁场分布情况手动设置。外界的干扰天线可以先在FEKO中画出一条直线，直线的一端加上端口，给端口提供电压源激励。天线的长度和频率可以根据周围环境中天线的分布设置。

将复杂线缆、机箱等几何结构等效为一个接收天线，它们接收了外界电磁的干扰后，就变成了一个等效电压源，这个等效电压源包括两个部分，等效电压U和等效内阻r(如图2虚线框所示)。

步骤二：为了求解U和r，需要外接上一个电阻R(如图2所示)，设置电阻R的值分别为R1和R2这两种情况，应用数值法获取等效干扰源模型中流过电阻R的电流分别为I1(单位A)和I2(单位A)。

步骤三：根据图2列方程组

方程组中U为等效电压的幅值，单位V；r为等效内阻，单位Ω；R1和R2为两次设置的电阻的阻值，单位Ω；I1和I2为流过两个电阻R1和R2的电流，单位A。解方程组可得U和r。由于外界干扰为正弦波，因此实际的等效电压源应为V＝U sin wtlw＝2πf(f为外界干扰源的频率，单位Hz；w为外界干扰源的角频率，单位rad/s)。最后得到线缆和机箱在复杂电磁环境下的等效干扰源模型(如图3所示)。

本发明将线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源的建模方法，可以获得线缆和机箱在复杂电磁环境中的等效干扰源模型，从而可以对机箱内线缆和PCB板的电磁敏感度进行相应的分析。

线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源的建模方法是电路板级电磁兼容敏感度的行为级建模方法的基础，有了这个基础后将可以在板级设计阶段对敏感元器件处受到的干扰值进行量化表征，对敏感元器件的抗电磁干扰能力进行定量的描述，可以实现板级电磁兼容敏感度的“事先评估”，以便及早发现可能出现的问题，为采取预防措施提供具体的技术指标，这将对板级电磁兼容设计具有重大的指导意义。

实施例1：

步骤一：在仿真软件FEKO中建立线缆和机箱的模型，如图5所示，具体建模方法如下：

首先建立机箱的模型，机箱的大小为20cm×10cm×10cm，采用单层机箱，机箱的材料为铝板。用FEKO中画立方体的工具画出20cm×10cm×10cm的立方体，将立方体的内部设成空的，用这个空的立方体来表示机箱，在机箱的右侧有一个半径为0.5cm的圆形小洞，线缆从小洞中穿过，小洞的圆心距机箱后侧和底部的距离都为2cm，在FEKO中所画机箱的相应位置画个半径为0.5cm的圆，用抠除工具从箱体上抠除这个圆，机箱的前侧正中开一个10cm×1cm的缝隙，缝隙的上边缘与机箱的顶部距离为2cm。在FEKO中相应位置画一个10cm×1cm的矩形，用抠除工具从箱体上抠除。

其次建立线缆的模型，铜质线缆长度L为30cm+0.5cm+30cm+0.5cm，形成一个回路，线缆半径为0.15cm，线缆深入机箱内的长度为7cm，深入机箱内线缆的最左端的那一段线缆的中间部分接一个电阻R；线缆的粗细可在剖分时设置，在这里用画线工具画出30cm+0.5cm+30cm+0.5cm的回路表示线缆。在线缆的最左端的那段线缆上加端口，给端口上加上负载电阻R。

步骤二：设置两个电场强度为1V/m，频率为100MHz的平面波入射到机箱和线缆模型上。如图4所示。在球坐标下，一个平面波的入射方向为

另一个平面波的入射方向为

两个平面波的极化方向都为90°线极化。

在机箱的后侧1m处，设置一根长度为1.5米的天线，底部的坐标为(-0.2m，-1m)，天线的激励为1V/m，频率为100MHz。

依所构建的电路原理图(如图2所示)，让线缆上的负载R的值分别为R1＝1000Ω和R2＝1500Ω，使用矩量法仿真得到流过负载R的电流分别为和。

步骤三：根据图2列方程组

求解方程组得到

由于两个平面波和天线的激励的频率都为100MHz，所以可以得到线缆和机箱在复杂电磁环境下的等效干扰源模型f＝100MHz(如图6所示)。

图7是本发明的求解线缆和机箱在外部电磁环境下的等效干扰源模型的流程图。

Claims (2)

1.一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：按照线缆和机箱几何结构的实际大小和摆放位置，在仿真软件FEKO中建立它们的物理模型；首先用FEKO中的矩形工具画出机箱的模型，机箱的材料选用FEKO中默认的良导体，形状按机箱的实际形状在FEKO中画出，然后按照实际机箱的孔缝的位置、大小在刚画出的机箱模型上用抠除工具抠除孔缝，直到得到精确的机箱模型；其次分析机箱中的线缆分布情况及线缆的粗细、长度、位置，用FEKO中的画线工具画出，线缆的材料也选用良导体；外界电磁干扰中的平面波用FEKO中的平面波工具加上，平面波的频率、场强大小、方向参数按实际情况中周围环境的电磁场分布情况手动设置；外界的干扰天线先在FEKO中画出一条直线，直线的一端加上端口，给端口提供电压源激励；天线的长度和频率可以根据周围环境中天线的分布设置；将线缆和机箱几何结构等效为一个接收天线，它们接收了外界电磁的干扰后，就可以看成是一个等效电压源，这个等效电压源包括两个部分，即等效电压U和等效内阻r；

步骤二：在上述模型上添加一回路并在回路中设置一个电阻R，电阻R的阻值可以手动设置，分别设其阻值为R1和R2，应用数值法获取等效干扰源模型中流过电阻R的电流分别为I1和I2；

步骤三：分别列出电阻R1和R2的等效电路方程，组成方程组

解方程组可得U和r；其中，U为等效电压的幅值，单位V；r为等效内阻，单位Ω；R为电阻的阻值，单位Ω；由于外界干扰为正弦波，因此实际的等效电压应为V＝Usin wtlw＝2πf；其中，f为外界干扰源的频率，单位Hz；w为外界干扰源的角频率，单位rad/s，最后得到线缆和机箱在复杂电磁环境下的等效干扰源模型。

2.根据权利要求1所述的一种线缆和机箱在复杂电磁环境下等效为干扰源建模方法，其特征在于：步骤一中所述的机箱、线缆的材料选用的良导体是指电阻率很小的银、铜、铝、钨、铁、碳、铁铬铝合金和镍铜合金。

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