CN102539929A - 一种基于共模阻抗修正模型的辐射目标重构方法 - Google Patents

Abstract

一种基于共模阻抗修正模型的辐射目标重构方法包括如下步骤：一：采用辐射线缆长度l=0.5m的pcb板，令波长λ=4l，并计算其对应的频率f=c/ λ，二：将辐射线缆共模电流频谱按照f划分为两个区域，即为f ₁和f ₂，其中f ₁<f，而f ₂>f；按照l<λ/4、 l>λ/4分别采用偶极子天线模型、细长直天线辐射模型计算辐射线缆共模阻抗，三：对于频段f ₁而言，采用偶极子天线模型计算辐射线缆共模阻抗：

四：对于频段f ₂而言，采用细长直天线模型计算辐射线缆共模阻抗：其中：c是光速，l是pcb辐射线缆长度，λ是波长，k是波数;将由第三和四步得到的辐射线缆共模阻抗代入电压驱动模型中，即实现辐射线缆共模阻抗修正。

Description

一种基于共模阻抗修正模型的辐射目标重构方法

技术领域

本发明涉及的是对高速数字电路测定电路参数分析和预估电路近场辐射特性的方法，尤其涉及一种基于共模阻抗修正模型的辐射目标重构方法，具体说是基于电压测量的高频电路空间电磁辐射特性分析与预估方法，为辐射性电磁干扰（EMI）噪声的机理判断以及抑制提供前提，属于电磁兼容技术领域。

背景技术

 目前辐射目标重构与机理描述研究大都采用电波暗室等标准电磁环境，能够精确获知辐射场强，据此判断其是否通过电磁兼容强制标准。为了有效解决辐射电磁兼容问题，有必要研究辐射目标机理包括共模噪声和差模噪声，从而设计相应的噪声抑制方案。然而，标准电磁环境研究无法实现辐射目标重构与机理描述。因此，有必要开展辐射目标重构方法研究。

 目前电波暗室等标准电磁环境研究已在军工等高科技行业开展，然而此类仪器均较为昂贵，中小企业难以承受，而且此类系统只能给出场强大小的结果，而不能对电路的辐射特性（即共模辐射或差模辐射）给出推断，即不能对电路辐射干扰原因提出指导性建议。目前虽然有些学者已经开展了辐射目标重构方面的研究，但仍然存在一些问题。

发明内容

所要解决的技术问题：针对以上不足本发明提供了一种基于共模阻抗修正模型的辐射目标重构方法。该方法通过直接测量电路参数，分析电路中辐射电磁干扰噪声的相对强弱以及电路空间电磁场变化规律。

技术方案：为了解决以上问题本发明提供一种基于共模阻抗修正模型的辐射目标重构方法，包括如下步骤：

第一步：采用辐射线缆长度l=0.5m的PCB板，令波长λ=4l，并计算其对应的频率f=c/λ，其中：c表示光速，λ是波长；

第二步：将辐射线缆共模电流频谱按照f划分为两个区域，即为f ₁和f ₂，其中f ₁<f，而f ₂>f；按照l<λ/4采用偶极子天线模型计算辐射线缆共模阻抗，l>λ/4采用细长直天线辐射模型计算辐射线缆共模阻抗进行划分；

第三步：对于频段f ₁而言，采用偶极子天线模型计算辐射线缆共模阻抗：

其中：l表示PCB辐射线缆长度，λ表示波长；

第四步：对于频段f ₂而言，采用细长直天线模型计算辐射线缆共模阻抗：

其中：l表示PCB辐射线缆长度，λ表示波长，k表示波数;

将由第三步和第四步得到的辐射线缆共模阻抗代入电压驱动模型中，即实现辐射线缆共模阻抗修正。

有益效果：本发明结合电偶极子辐射模型与细长直天线辐射模型，利用洛仑兹条件修正辐射线缆共模阻抗模型，以克服现有方法仅取辐射线缆共模阻抗为100Ω，而未考虑辐射线缆长度与噪声波长产生的影响，进一步提高了方法精度与鲁棒性。当辐射线缆长度远小于噪声波长时即为电偶极矩辐射，此时辐射线缆共模阻抗与辐射线缆长度平方成正比，与噪声波长平方成反比。然而，随着辐射线缆长度达到与噪声波长同数量级时即为天线辐射，采用洛仑兹条件可得辐射线缆共模阻抗。特别地，当辐射线缆长度等于噪声波长一半时，辐射线缆共模阻抗为73.2Ω。因此通过分析辐射线缆共模电流分布及其辐射功率即可得到较为精确的辐射线缆共模阻抗，从而大大提高方法精度。

附图说明

图1为电压驱动模型；

图2为3m暗室测量结果；

图3为现有辐射目标重构方法预估结果；

图4为采用本发明方法的辐射目标预估结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

如图1所示，V _DM 为PCB电压信号（差模信号），C _DM 为PCB板分布电容，Ct-c为辐射线缆与PCB间的分布电容，I _CM 为辐射线缆共模电流。对于图1所示的辐射模型可认为是辐射线缆本身与辐射线缆中的共模电流引起的辐射电磁干扰噪声。此外，由于辐射线缆中的共模电流与PCB电压信号V _DM 、PCB分布电容C _DM 、辐射线缆与PCB间的分布电容Ct-c、辐射线缆输入电容Cin、辐射线缆长度l、辐射线缆共模电流分布和辐射线缆阻抗Z有关，同时，仅考虑电小尺寸模型，根据辐射电磁场E场强与辐射线缆共模电流I _CM 之间的关系可建立辐射电磁干扰噪声与PCB电路参数间的关系。

            （1）

式中，P _rad 为辐射功率，E为辐射电磁场场强，η ₀ 为自由空间波阻抗（120π Ω），R _rad 为辐射线缆共模阻抗，r为测试距离，I _CM 为辐射线缆共模电流。若考虑偶极子天线模型，其辐射线缆共模阻抗可认为是100 Ω，则由此产生辐射电磁场场强为

                 （2）

通常，辐射电磁干扰噪声测试是在半波暗室中进行，因此综合考虑地面反射问题，上述计算需乘以2作为补偿。

在半波暗室中，估算的辐射电磁场要乘以2以补偿最坏情况下地面的反射。PCB板和辐射线缆之间的CM电流（CM标示共模）可以用等效CM电压来表示，最大辐射场为：

                 （3）

式中，V _CM 为共模电压信号。如图1所示，共模电压信号与PCB板电压信号之间的关系为

                        （4）

式中，C _t-c为辐射线缆与PCB板间的分布电容，C _in为辐射线缆输入电容。

据此，仅需测量PCB板中的电路参数，即可预估辐射电磁干扰噪声大小，从而实现辐射目标重构。但是，该方法中存在一个问题，采用一个固定值100Ω代替总体辐射线缆共模阻抗，未考虑辐射线缆长度随辐射噪声频率变化效应。因此，我们将结合偶极子天线辐射模型与半波天线辐射模型进行重构，提出辐射线缆共模阻抗修正方法，从而进一步提高电压驱动模型的精度。

电偶极子辐射模型

若选坐标原点在电荷分布区域内，则的数量级为辐射线缆长度l。以R表示由原点到测试点 x 的距离（），r为由被测设备

到测试点 x 的距离，可得

                           （5）

式中，n为沿 R 方向的单位矢量。考虑电小尺寸情况，即辐射线缆长度远小于辐射线缆共模电流对应的波长，辐射线缆长度远小于测试距离（l<<λ和l<<r），偶极子天线的辐射线缆共模阻抗。

                 （6）

（公式中l表示线缆长度，λ表示波长）

细长直天线辐射模型

当辐射线缆的长度l与辐射线缆中电流对应的波长为λ同一数量级时，需采用细长直线天线辐射模型。对于非半波天线而言，采用专用数学计算软件Mathematica 8.0计算其推迟势 A ，辐射电磁场 B 和 E ，辐射线缆（辐射天线）的平均能流密度

和总辐射功率P（计算过程中保留两位有效数字），从而得到辐射线缆共模阻抗R（计算过程中保留两位有效数字）。

                                                              （7）

式中，Si(x)、Ci(x)分别为积分正弦函数和积分余弦函数。

由式（6）、式（7）可见，偶极子天线和细长直天线对应的辐射线缆共模阻抗失不一样，因此需要根据辐射线缆长度及辐射线缆共模电流对应的波长，确定辐射线缆共模阻抗。

图2是标准3m电波暗室测量结果，图3是现有辐射目标预估方法，图4是采用阻抗修正模型预估的辐射发射仿真结果。分析结果可知：在100Mhz以下的低频段，采用阻抗修正模型预估方法较为准确；100Mhz以上高频段，阻抗修正模型预估方法虽然与标准3m暗室测量结果仍有较大差距，但预估精度较现有方法已有较大提高。

在实际应用中，设计一个由5V电压源、10Mhz晶振、100欧姆电阻组成的电路进行辐射发射预估，需按照如下步骤进行：

第一步：采用辐射线缆长度l=0.5m的PCB板，令波长λ=4l，并计算其对应的频率f，f=c/λ=150MHz

其中：c表示光速，λ是波长；

第二步：将辐射线缆共模电流频谱按照f=150MHz划分为两个区域，即为f ₁和f ₂，其中f ₁<f，而f ₂>f，其中f ₁<150MHz，而f ₂>150MHz。按照l<λ/4采用偶极子天线模型计算辐射线缆共模阻抗，l>λ/4采用细长直天线辐射模型计算辐射线缆共模阻抗进行划分；

第三步：对于频段f ₁而言，可采用偶极子天线模型计算辐射线缆共模阻抗：

其中：l表示PCB辐射线缆长度，λ表示波长；

第四步：对于频段f ₂而言，可采用细长直天线模型计算辐射线缆共模阻抗：

其中：l表示PCB辐射线缆长度，λ表示波长，k表示波数;

将由第三步和第四步得到的辐射线缆共模阻抗代入电压驱动模型中，即实现辐射线缆共模阻抗修正。

虽然本发明已以较佳实施实例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (1)

1.一种基于共模阻抗修正模型的辐射目标重构方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：采用辐射线缆长度l=0.5m的PCB板，令波长λ=4l，并计算其对应的频率 f=c/λ，其中：c表示光速，λ是波长；

第二步：将辐射线缆共模电流频谱按照f划分为两个区域，即为f ₁和f ₂，其中f ₁<f，而f ₂>f；按照l<λ/4采用偶极子天线模型计算辐射线缆共模阻抗，l>λ/4采用细长直天线辐射模型计算辐射线缆共模阻抗进行划分；

第三步：对于频段f ₁而言，采用偶极子天线模型计算辐射线缆共模阻抗：

其中：l表示PCB辐射线缆长度，λ表示波长；

第四步：对于频段f ₂而言，采用细长直天线模型计算辐射线缆共模阻抗：

其中：l表示PCB辐射线缆长度，λ表示波长，k表示波数;

将由第三步和第四步得到的辐射线缆共模阻抗代入电压驱动模型中，即实现辐射线缆共模阻抗修正。

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