CN103176089A - 一种电磁耦合薄弱路径的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁耦合薄弱路径的确定方法，属于电磁兼容技术领域。该方法通过将设备的工作原理图转化为电磁干扰耦合网络，再将耦合网络转化为耦合有向图并对耦合有向图进行化简，最后采用最短路径寻迹的算法寻找出耦合网络中电磁耦合路径的薄弱环节，解决了以往对电子系统电磁兼容排故的针对性不强，费时费力的问题。考虑电磁干扰耦合网络中，耦合路径有主次之分，采用最短路径寻迹寻找电磁干扰耦合的薄弱路径，准确的了解干扰信号的主要耦合过程，使电磁兼容问题的整改工作更具有针对性和有效性。

Description

一种电磁耦合薄弱路径的确定方法

技术领域

本发明属于电磁兼容技术领域，涉及一种寻找电磁兼容性故障或隐患的耦合薄弱路径的方法，更确切地说，是一种干扰对在单一干扰频点处电磁耦合薄弱路径的确定方法。

背景技术

在多个电子设备的协同工作中，某一设备产生的电磁干扰会通过传导发射（CE）和辐射发射（RE）的方式耦合至另一设备上，造成另一设备性能的下降，甚至无法正常工作。随着系统设备日益精密化和复杂化，系统的电磁兼容性受到人们广泛的关注。

干扰设备与敏感设备间存在着复杂的电磁耦合关系，干扰能量可以通过多条耦合路径影响敏感设备。在对设备间的电磁兼容问题采取电磁加固措施时，将电磁兼容问题定位到具体的干扰耦合路径上，对于选取最佳的电磁加固措施和提高设备间的电磁兼容加固效率具有重要的指导意义。

发明内容

在电子系统的电磁兼容性设计和整改阶段，为了能够快速、准确、有效的实现电子系统的电磁兼容性故障或隐患的加固，本发明通过将单一干扰源和敏感点之间的耦合关系转化为有向图，采用最短路径寻优的方法在电磁干扰耦合网络中寻找出干扰频点处最易引起敏感设备产生干扰的薄弱耦合路径，然后在薄弱耦合路径上针对性的采取相应的电磁兼容措施，从而达到电磁兼容性故障的修复和加固。所述的干扰源和敏感点间的干扰是单一干扰频点。

本发明通过采用有向图最小路径寻优的方法，解决了以往依靠经验逐点排查针对性不强，费时费力的问题，根据该方法寻找薄弱耦合路径的内容包括下列步骤：

第一步：根据电子系统的工作原理图将系统内的干扰耦合路径进行分类，获取系统内干扰源到敏感点之间的电磁干扰耦合网络；

第二步：将电磁干扰耦合网络转换成电磁干扰耦合有向图；

第三步：根据电磁干扰耦合有向图顶点的度和分支，实现有向图的简化；

第四步：确定电磁干扰耦合有向图中边对应的数值。

第五步：采用Dijkstra算法确定有向图的最短路径——电磁耦合薄弱路径。

通过上述方法得到电子系统的电磁耦合薄弱路径，并采用屏蔽、滤波、接地等措施进行加固，就可以实现对电子系统电磁兼容性的改善；加固后可以重复第一步～第五步，直到电磁干扰耦合符合要求。

本发明基于从干扰源到敏感点的耦合网络中寻找出不同耦合路径电磁能量损耗最小的耦合路径进行整改，其优点在于：

(1)针对电子设备间的电磁兼容干扰问题，在电磁干扰耦合网络中寻找出干扰频点能量损耗最小的路径，对电子系统电磁兼容性的整改更具有针对性。

(2)通过将电磁干扰耦合网络转化为电磁干扰耦合有向图，在电磁干扰耦合有向图中寻找出电磁能量损耗最小的路径，从干扰能量传输的主要途径进行入手，可以低成本、准确、有效的解决电磁兼容问题。

(3)采取电磁耦合薄弱路径的确定方法，可以在电磁干扰耦合网络中寻找出主要的薄弱路径，不仅能解决设备的电磁兼容问题，通过反复寻优还可以进一步改善设备的电磁兼容性。

附图说明

图1是本发明提供的电磁耦合薄弱路径的确定方法的流程；

图2是一种电磁干扰耦合网络示意图；

图3是图2中所述电磁干扰耦合网络的耦合有向图；

图4(a)、4(b)、4(c)是耦合有向图的化简方法示意图；

图5是实施例中某系统的工作原理图；

图6是实施例中根据工作原理图得到的耦合网络图；

图7是实施例中根据耦合网络图得到并化简后的耦合有向图。

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。

在以往的电子设备排故和整改中，往往通过逐点排查的方法来实现设备故障的定位，然后采取相应的电磁兼容整改措施，从而实现设备电磁兼容性的加固。但传统的方法往往找不到电磁干扰的最薄弱环节，只能在非主要的耦合路径采取电磁加固的措施，这样不仅耗时、耗力、耗财，而且设备在使用阶段容易出现电磁兼容性故障，并难以进行维护，抗干扰能力弱。采用本发明提供的电磁耦合薄弱路径的确定方法来实现电子系统的电磁兼容性加固，可以准确地定位电磁干扰的主要耦合路径，可以更高效率的解决电子系统的电磁兼容性问题。明确电磁干扰耦合的主要途径对系统电磁兼容性故障的排查和维护具有重要的意义。

单个干扰对的耦合网络在某个频点的干扰能量在传递的过程中可能包含的损耗有：滤波器损耗L_f、线缆损耗L_l、线缆间耦合A_l、天线-线缆耦合A_tl、天线-孔缝耦合A_ta、天线间耦合A_tr等，将各损耗量用dB进行表示，则该链路上的总损耗量为：

L=L_f+L_l+A_l+A_tl+A_ta+A_tr

当某耦合路径是电磁干扰耦合网络中所有路径干扰能量损耗最小的路径时，即是干扰能量从干扰源到敏感点的电磁干扰耦合有向图中路径最短的路径，对该路径上的设备采取电磁兼容措施可以有效的解决电子系统的电磁兼容性问题。本发明提供的电磁耦合薄弱路径的确定方法的流程如图1所示，主要包括以下步骤：

第一步：根据电子系统的工作原理图将电磁兼容系统内电磁干扰耦合路径进行分类，获取电子系统内的电磁干扰耦合网络（简称耦合网络）；

在《电磁兼容性工程设计手册》第56页中，图3-1-3表示了系统内部的干扰耦合关系，并将系统内的电磁干扰传播方式主要分为：天线-天线，天线-线缆，机壳-机壳，线-线，共阻抗六类。在系统的工作原理图和电路原理图中，根据电磁干扰传播的分类方法，从系统的工作原理图中找出可能的电磁干扰耦合路径，并按照图3-1-3所示，画出系统内部干扰源到敏感点的干扰耦合网络图。获取电磁兼容耦合网络图的具体方法为：根据电磁波的传播特性和耦合特性与系统信号的工作链路，找出干扰信号的耦合路径，并将干扰信号途经的设备端口连接在一起。某机载电子设备系统的耦合网络如图2所示，其中耦合方式包括了以黑色实线表示的传导耦合和黑色虚线表示的辐射耦合。耦合路径包括了天线A-天线B，天线A-线缆A，天线A-线缆B，天线A-线缆C，天线A-线缆D，天线A-线缆E，天线A-电源线A，天线A-电源线B，天线A-单元A，天线A-单元B，天线A-单元C，天线A-单元D，天线A-单元E，线缆C-线缆E，线缆C与电源线B，将相关的设备按照耦合方式连接在一起，从而形成电磁干扰耦合网络图（简称耦合网络图）。

其中数值编号表示为：1：天线A端口；2：天线B端口；3：线缆A与单元A的连接端口；4：单元A电源端口；5：公共电源端口；6：单元B电源端口；7：电源滤波器输出端口；8：单元C电源端口；9：单元D电源端口；10：线缆C与单元D的连接端口；11：线缆B与单元A的连接端口；12：线缆B与单元B的连接端口；13：线缆D与单元C的连接端口；14：线缆D与单元D的连接端口；

第二步：在第一步获得耦合网络的基础上，将耦合网络转化为耦合有向图。具体的转化步骤为：

（1）将耦合网络中的设备端口1～端口14都一一映射为耦合有向图的顶点。

（2）根据耦合网络的耦合关系和能量传输方向将各顶点连接起来，并在耦合有向图中标明信号的传播方向。从而实现了耦合网络图向耦合有向图的转化，如图3所示。

第三步：根据图论的知识计算出耦合有向图中各个顶点的度，并标出耦合有向图的分支，根据顶点的度和分支实现耦合有向图的简化，具体简化步骤为：

（1）删除耦合有向图中顶点的度为0的顶点，即去除系统中不干扰任何其他设备，也不会被其他设备所干扰的设备，如图4（a）所示，删除图中不与任何节点相连的节点A4；其中A1为干扰源，A3为敏感点。

（2）删除耦合有向图中与源点和终点不连通的子图，即去除系统中干扰能量不通过的设备，如图4（b）所示，删除图中由节点B4,B7,B8形成的不参与能量传输的子图；其中B1为干扰源，B3为敏感点。

（3）删除耦合有向图中不在源点和终点连通路径上的顶点，即去除系统中不在干扰源到敏感设备路径上的设备，如图4（c）所示，删除图中的节点C4和节点C7；其中C1，C3为敏感点。

第四步：根据设备的电路原理图对耦合有向图进行赋值，在电磁干扰耦合网络中，设端口v₁到端口v₂的电磁干扰信号的损耗值为L₁₂,则耦合有向图中顶点v₁到v₂的一条边的数值为L₁₂，且方向为1→2。其中能量的损耗值L₁₂可以采用仿真或者测试的方法得到；对于电磁波在空间耦合(天线-天线，天线-线缆，机壳-机壳，线-线)的损耗值可以采用电磁场仿真软件FEKO建立相应的模型，计算出设备端口之间的隔离度，从而得到任意两个端口之间干扰信号的损耗值；对于干扰信号在系统工作链路上的损耗值，可以使用ADS软件建立相应的电路仿真模型得出在工作链路上的干扰信号衰减量。测试则可采用矢量网络分析仪、测试接收机等仪器得到端口之间的损耗值。

第五步：基于Dijkstra算法（戴克斯特拉算法）的最短路径寻迹，所谓最短路径是指在耦合有向图中，寻找从一个顶点到另一个顶点的路径中长度最短的路径。其中路径长度为赋值有向图中一个顶点到另一个顶点耦合路径上所涉及的边的和。

设D＝＜V,A＞是带赋值的耦合有向图，其中V表示顶点集，A表示边集，对D的每一条边a＝＜v_i,v_j＞都指定一个实数的权

其中v_i,v_j表示耦合有向图的第i个和第j个顶点，＜v_i,v_j＞表示顶点v_i到顶点v_j的边，

表示边a的数值。如果

则令在带赋值的耦合有向图D中，给定一个称为始点的节点v_s和一个称为终点的节点v_j，P(v_j)是从v_s到v_j的通路中长度最小的通路，并称P(v_j)的数值为从v_s到v_j的距离，表示为P(v_j)＝d(v_s,v_j)。T(v)表示任意一个节点v到节点v_s的距离的上界，λ(v_j)表示从v_s到v_j的最短路径上v_j的前一个点的下标。S_i表示进行到第i步时，已经被标号的顶点的集合。

Dijkstra最短寻迹算法求解最短路径步骤如下：

(1)开始(i=0)令S₀＝{v_s},P(v_s)＝0,λ(v_s)＝0，对每一个v≠v_s，令T(v)＝+∞，令k=s；k表示上一次最短路径的顶点值。

(2)如果S_i＝V,寻找完毕，算法终止，这时，对每个v∈S_i,d(v_s,v)＝P(v)；否则转入(3)进行迭代计算，v表示耦合有向图的任意一个顶点。

(3)考查每个使(v_s,v_j)∈A且

的点v_j。

如果T(v_j)＞P(v_k)+w_kj，则把T(v_j)修改为P(v_k)+w_kj，把λ(v_j)修改为k;否则转入(4)。

(4)令

表示第i步时，到v_j的最短距离。

如果

则把

的T标号变成P标号令

把i换成i+1，转入(2);否则终止，这时对每一个v∈S_i,d(v_s,v)＝P(v)，而对每一个

d(v_s,v)＝T(v)，获得最短路径。

迭代终止时，根据各点的λ(v)值，就可以得到从v_s到终点的最短路径，其中P保存了最短路径的量值。

有向图的最短路径即耦合网络中的薄弱耦合路径，对薄弱耦合路径上的电缆、机箱、滤波器、天线等设备采取相应电磁兼容措施，使链路上的电磁损耗增加，并再次进行判断设备是否仍被干扰，若干扰则采用本发明提出的方法继续寻找最短路径，直到满足要求。

实施例

在某由电台和处理机组成的电子系统中发现电台在某个频点受到干扰，导致耳机出现了强烈的噪音，令操作人员难以忍受。通过分析，将故障来源定位于某处理机。该电子系统的工作原理图如图5所示。

由于天线A与天线B的辐射频率在1GHz以上，远高于天线C的接收频段，所以忽略了天线A、天线B对天线C的影响。通过对处理机干扰电台的可能干扰链路进行分析，可以得到处理机与电台间的干扰耦合网络，如图6所示。处理机和电台间的电磁干扰耦合网络，主要包括以下路径：

1）处理机通过电源线串扰进入公用电源，对电台产生干扰；

2）处理机通过公共地进入电台产生干扰；

3）处理机的信号线缆向空间进行辐射，与电台信号线缆产生耦合，对电台产生干扰；

4）处理机机箱内的杂散信号通过孔缝向空间进行辐射，与电台线缆产生耦合，对电台产生干扰；

5）处理机的干扰信号通过天线A向空间辐射，与电台线缆产生耦合，对电台产生干扰；

6）处理机的干扰信号通过天线B向空间辐射，与电台线缆产生耦合，对电台产生干扰；

图6中，实线为传导耦合，虚线为辐射耦合，数字编号的含义为：D1：天线A端口；D2：线缆B与处理机的连接端口；D3：处理机的地线端口；D4：线缆C与处理机的连接端口；D5：线缆A与处理机的连接端口；D6：线缆A与单元A的连接端口；D7：天线B端口；D8:处理机的电源端口；D9：公共电源线端口；D10：滤波器输出端口；D11：电源线B与电台的连接端口；D12：电台的地线端口；D13：线缆D与电台的连接端口；D14：线缆D与单元B的连接端口；

将处理机与电台之间的电磁干扰耦合网络转换成耦合有向图。并对耦合有向图进行简化，在该例中使用了第三种简化方式，去除了顶点D6和D14得到耦合有向图如图7所示。

通过仿真计算和实测对图7中的边进行赋值，得到赋值后的有向图如图7所示。使用Dijkstra最短路径寻迹算法，求得处理机到电台的最短路径长度为15，最短耦合路径为：处理机→处理机电源线A→电源滤波器→电台电源线B→电台。结果显示，处理机对电台产生的干扰主要由处理机串扰到电源线的干扰信号进入公用电源，对超短波电台产生了干扰。在上述结果的基础上，本领域内的技术人员只需要对上述的路径进行加固就可以实现电磁兼容性的改善。

Claims (4)

1.一种电磁耦合薄弱路径的确定方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：根据电磁兼容系统的工作原理图将电磁兼容系统内干扰耦合通道进行分类，获取电磁兼容系统内的耦合网络；

第二步：将耦合网络转换成耦合有向图；

第三步：根据耦合有向图顶点的度和分支，实现耦合有向图的简化；

第四步：对耦合有向图进行赋值，确定耦合有向图的顶点和边对应的数值；

第五步：采用Dijkstra算法确定有向图的最短路径——电磁耦合薄弱路径。

2.根据权利要求1所述的一种电磁耦合薄弱路径的确定方法，其特征在于：所述的干扰耦合通道分为：天线-天线，天线-线缆，机壳-机壳，线-线，共阻抗六类。

3.根据权利要求1所述的一种电磁耦合薄弱路径的确定方法，其特征在于：第二步具体的转换步骤为：

（1）将耦合网络中的设备端口都一一映射为耦合有向图的顶点；

（2）根据耦合网络的耦合关系和能量传输方向将各顶点连接起来，并在耦合有向图中标明信号的传播方向，从而实现了耦合网络图向耦合有向图的转化。

4.根据权利要求1所述的一种电磁耦合薄弱路径的确定方法，其特征在于：第三步中所述耦合有向图的简化，具体简化步骤为：

（1）删除耦合有向图中顶点的度为0的顶点；

（2）删除耦合有向图中与源点和终点不连通的子图；

（3）删除耦合有向图中不在源点和终点连通路径上的顶点。

Images