CN104537261B - 一种基于场路耦合的含贯穿线缆机箱内电路干扰预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机箱电磁兼容设计领域，具体是一种基于场路耦合的含贯穿线缆机箱内电路干扰预测方法，通过对内部电子系统进行部分等效源电路法(PEEC)建模，提取了其电路微带线的高频等效电路模型，并用其代替传统方法中低频路理论，能够计算机箱内复杂电子系统电磁敏感性(EMS)问题的同时，还能完整描述内部复杂电路高频效应，如线路间高频串扰等，提高了传统场路混合分析方法在高频段的精度；通过将含贯穿线缆机箱划分为内外空间子域，并针对外部空间线缆和机箱壳体采用矩量法(MOM)进行分析，而内部电路则采用部分等效源电路法(PEEC)进行建模，有效降低了模型的复杂度。

Description

一种基于场路耦合的含贯穿线缆机箱内电路干扰预测方法

技术领域

本发明涉及机箱电磁兼容设计领域，具体是一种基于场路耦合的含贯穿线缆机箱内电路干扰预测方法。

背景技术

军用电子设备工作于恶劣的电磁环境中，高功率微波武器以及高空核爆等都会产生强电磁干扰，处于屏蔽机箱内的电子设备由于机箱电磁屏蔽作用会受到一定的保护，但系统间的贯穿线缆耦合空间中电磁干扰，产生感应电流，并沿线缆传导至机箱内电子系统，内部电路会对上述干扰产生电压(电流)响应，这些干扰信号轻则使系统性能降级，重则使系统无法工作甚至造成永久性损伤。

21世纪初Er-Ping Li、Weiliang Yuan和H.N.Phyu提出了一种场路混合(MOM-MNA)解决方法，采用矩量法(MOM)求解外部空间中电磁波在线缆上的感生电流，并基于诺顿等效定理获得贯穿线缆外部电磁干扰等效激励源电路模型，而内部空间中电子系统的响应则应用传统路理论进行时频域的求解，这种方法集合了全波算法计算精度高以及路解决方法高效快速的特点。

但该方法中由于采用纯路理论分析内部电子系统，受其分析频率范围的限制，无法保证高频段的计算精度，更无法反应内部电子系统微带线之间的耦合、辐射等高频效应，未能对内部电子系统的电磁效应进行完整建模。

所以应对上述场路混合方法进行改进，使其在保持原有特点的情况下提升其在高频段的建模精度，在设计初期就应当分析电磁波通过贯穿线缆耦合进入屏蔽机箱而在内部电路上引起的干扰，从而在研发初始阶段就对电子系统设计提出一定的电磁兼容性要求，并规避干扰峰值频点，这对工程中提升电子设备电磁兼容性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中处理电磁敏感性问题的方法对于内部空间的电磁敏感性无法保证高频段的计算精度以及无法反应内部电子系统微带线之间的耦合、辐射等高频效应，不能对内部电子系统的电磁效应进行完整建模的问题。

为此，本发明提供了一种基于场路耦合的含贯穿线缆机箱内电路干扰预测方法，包括如下步骤：

步骤101、对机箱外部电磁波干扰源进行建模，确定外部空间电磁干扰；

步骤102、划分研究对象模型为内外空间子域，外部空间子域包含屏蔽机箱壳体、与机箱相接的线缆，内部空间子域包含内部电路系统；

步骤103、采用矩量法对外部空间中电磁波在线缆上的耦合效应进行建模，求解其在外部电磁干扰辐照下的感生电流，基于诺顿等效定理同时添加描述贯穿线缆进入机箱和与内部电子系统连接方式的集总电路元件，获得贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源模型；

步骤104、采用部分等效源电路法对电子设备机箱内部电路进行建模，提取印制电路板微带线‘骨架’的等效电路模型，添加复杂电路元件；

步骤105、将步骤103所获取的贯穿线缆电磁干扰的等效激励源模型作为激励，加载于步骤104所提取的内部电子系统部分等效源电路法模型；

步骤106、采用修正节点分析法求解步骤105所示电路网络，计算得内部电子系统各个节点的时频域响应，进行屏蔽机箱内部电子系统特性分析；

上述步骤103、采用矩量法对外部空间中电磁波在线缆上的耦合效应进行建模，求解其在外部电磁干扰辐照下的感生电流，基于诺顿等效定理同时添加描述贯穿线缆进入机箱和与内部电子系统连接方式的集总电路元件，获得贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源模型包括如下步骤：

步骤201、建立屏蔽机箱壳体以及与之相连的线缆模型，并添加步骤101所得外部电磁干扰辐射源；

步骤202、应用矩量法求解线缆在电磁波照射下的感生电流，由诺顿定理可知线缆与机箱连结点处的电流值即为等效源的短路电流I_SC；

步骤203、在连结点处施加δ激励电压，再次运用矩量法计算连结点处的电流值，由式[Z_in]＝[V_n(ω)]/[I_n(ω)]求得贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源输入阻抗，其中[V_n(ω)]和[I_n(ω)]分别是节点的外加电压和感应电流矩阵，[Z_in]为阻抗矩阵；

步骤204、确定表征线缆进入机箱方式和与内部电路连接形式的集总元件R_T、L_T、R_C、C_C，其中，R_C、C_C分别代表线缆与机箱的漏阻以及电容；

步骤205、将步骤202、203和204所得结果进行组集连接，生成贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源；利用R、X、I分别代表等效电流源的电阻、电抗和电流幅值；使用电路原理求解时，X通过下面的公式转化为集总电容或电感，或两者的组合：

X(f)＝jωL(f) or

X(f)＝1/(jωC(f)) or

X(f)＝jωL(f)+1/(jωC(f))

其中，L(f)和C(f)分别代表随着频率变化的电感和电容，由等效源模型输出阻抗实部和虚部决定，X(f)为线缆外部电磁干扰等效激励源模型的电抗，ω为干扰电磁波角频率。

上述步骤104、采用部分等效源电路法对电子设备机箱内部电路进行建模，首先提取印制电路板微带线‘骨架’的等效电路模型，添加复杂电路元件，包括如下步骤：

步骤1041、选取内部电路微带线‘骨架’作为内部电子系统建模对象；

步骤1042、根据单元尺寸小于十分之一最小波长的原则，划分单元网格，包括体电流单元、面电荷单元和介质单元；

步骤1043、采用解析公式计算划分网格后模型的部分电感矩阵[L]，同时计算模型的部分电位系数矩阵[C]；

步骤1044、生成内部电路微带线‘骨架’的等效电路网表，并添加原始电路中包含的各种元件和负载，同时将步骤103所获取的贯穿线缆外部电磁干扰等效激励源施加于线缆与内部电路的连结点，生成内部电路系统的完整等效电路网表；

步骤1045、求解步骤1044生成的完整等效电路网表，计算得内部电路系统各个节点的响应，并分析其电磁敏感性特性。

本发明的有益效果：本发明提供的这种基于场路耦合的含贯穿线缆机箱内电路干扰预测方法，通过对内部电子系统进行部分等效源电路法(PEEC)建模，提取了其电路微带线的高频等效电路模型，并用其代替传统方法中低频路理论，能够计算机箱内复杂电子系统电磁敏感性(EMS)问题的同时，还能完整描述内部复杂电路高频效应，如线路间高频串扰等，提高了传统场路混合分析方法在高频段的精度；通过将含贯穿线缆机箱划分为内外空间子域，并针对外部空间线缆和机箱壳体采用矩量法(MOM)进行分析，而内部电路则采用部分等效源电路法(PEEC)进行建模，有效降低了模型的复杂度。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的含贯穿线缆机箱内电路EMS问题计算流程图。

图2是本发明的贯穿线缆电磁干扰等效源模型示意图。

图3是本发明的机箱内电路PEEC建模流程图。

图4是本发明实施例中EMS计算模型示意图。

图5是本发明实施例中机箱内电路板以及网格划分示意图。

图6是本发明实施例中等效电流源电流值随频率的变化曲线。

图7是本发明实施例中等效电流源输入阻抗实部随频率变化曲线。

图8是本发明实施例中等效电流源输入阻抗虚部随频率变化曲线。

图9是本发明实施例中机箱内部电路响应。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1：

为了提供如图1所示的含贯穿线缆机箱内电路EMS问题解决方法，该方法通过矩量法建立外部线缆耦合电磁干扰的等效激励源模型，同时采用部分等效源电路法(PEEC)对电子设备机箱内部电路进行建模，最后将线缆等效激励源加载于内部电路模型，求解外界电磁干扰在屏蔽机箱内电路上的响应

该基于场路耦合的含贯穿线缆机箱内电路干扰预测方法，包括如下步骤：

步骤101、对机箱外部电磁波干扰源进行建模，确定外部空间电磁干扰；

步骤102、划分研究对象模型为内外空间子域，外部空间子域包含屏蔽机箱壳体、与机箱相接的线缆，内部空间子域包含内部电路系统；

步骤103、采用矩量法(MOM)对外部空间中电磁波在线缆上的耦合效应进行建模，求解其在外部电磁干扰辐照下的感生电流，基于诺顿等效定理同时添加描述贯穿线缆进入机箱和与内部电子系统连接方式的集总电路元件，获得贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源模型；

步骤104、采用部分等效源电路法(PEEC)对电子设备机箱内部电路进行建模，提取印制电路板(PCB)微带线‘骨架’的等效电路模型，添加复杂电路元件；

步骤105、将步骤103所获取的贯穿线缆电磁干扰的等效激励源模型作为激励，加载于步骤104所提取的内部电子系统部分等效源电路法模型；

步骤106、采用修正节点分析法(MNA)求解步骤105所示电路网络，计算得内部电子系统各个节点的时频域响应，进行屏蔽机箱内部电子系统(EMS)特性分析；

上述步骤103、采用矩量法对外部空间中电磁波在线缆上的耦合效应进行建模，求解其在外部电磁干扰辐照下的感生电流，基于诺顿等效定理同时添加描述贯穿线缆进入机箱和与内部电子系统连接方式的集总电路元件，获得贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源模型包括如下步骤：

步骤201、在电磁仿真软件(FEKO)建立屏蔽机箱壳体以及与之相连的线缆模型，并添加步骤101所得外部电磁干扰辐射源；

步骤202、应用矩量法(MOM)求解线缆在电磁波照射下的感生电流，由诺顿定理可知线缆与机箱连结点处的电流值即为等效源的短路电流I_SC；

步骤203、在连结点处施加δ激励电压，再次运用矩量法计算连结点处的电流值，由式[Z_in]＝[V_n(ω)]/[I_n(ω)]求得贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源输入阻抗，其中[V_n(ω)]和[I_n(ω)]分别是节点的外加电压和感应电流矩阵，[Z_in]为阻抗矩阵；

步骤204、确定表征线缆进入机箱方式和与内部电路连接形式的集总元件R_T、L_T、R_C、C_C，其中，R_C、C_C分别代表线缆与机箱的漏阻以及电容；主要描述了线缆与屏蔽机箱壳体的连接情况，但线缆与屏蔽机箱壳体无电连接时(最常见情况)，R_C→∞、C_C→0，R_T、L_T为连接等效电阻和电感，由线缆与内部电子系统的连接形式决定，在连接正常的情况下，这两个值都非常小，在建模中可忽略不计；

步骤205、将步骤202、203和204所得结果进行组集连接，生成贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源，如图2所示；利用R、X、I分别代表等效电流源的电阻、电抗和电流幅值；使用电路原理求解时，X通过下面的公式转化为集总电容或电感，或两者的组合：

X(f)＝jωL(f) or

X(f)＝1/(jωC(f)) or

X(f)＝jωL(f)+1/(jωC(f))

其中，L(f)和C(f)分别代表随着频率变化的电感和电容，由等效源模型输出阻抗实部和虚部决定，X(f)为线缆外部电磁干扰等效激励源模型的电抗，ω为干扰电磁波角频率。

上述步骤104、采用部分等效源电路法对电子设备机箱内部电路进行建模，如图3所示，首先提取印制电路板微带线‘骨架’的等效电路模型，添加复杂电路元件，包括如下步骤：

步骤1041、选取内部电路微带线‘骨架’作为内部电子系统(PEEC)建模对象；

步骤1042、根据单元尺寸小于十分之一最小波长的原则，划分单元网格，包括体电流单元、面电荷单元和介质单元；这是对PCB板介质基板进行建模。

步骤1043、采用解析公式计算划分网格后模型的部分电感矩阵[L]，同时应用FastCap软件计算模型的部分电位系数矩阵[C]；

步骤1044、生成内部电路微带线‘骨架’的等效电路网表，并添加原始电路中包含的各种元件和负载，同时将步骤103所获取的贯穿线缆外部电磁干扰等效激励源施加于线缆与内部电路的连结点，生成内部电路系统的完整等效电路网表；

步骤1045、通过Pspice软件求解步骤1044生成的完整等效电路网表，计算得内部电路系统各个节点的响应，并分析其电磁敏感性特性。

实施例2：

1.仿真对象

如图4、图5所示，其中屏蔽箱体结构尺寸参数为：L×W×H＝400mm×312mm×325mm，位于屏蔽机箱外部空间Ω₂中线缆长度l₂为500mm，半径为0.5mm，SMA连接件(型号为KFD220)位于屏蔽壳体上，中心介质半径为2mm，导电铜芯半径为0.5mm，在屏蔽机箱内部空间Ω₁中内置双层PCB板，其长为50mm，宽为50mm，厚度为2mm，相对介电常数ε_r为4.5。PCB板上包含有两条长50mm相距3mm的微带线，其截面尺寸为1mm×0.2mm，除与线缆连接的端口外，其余三端皆通过50Ω电阻连接至地平面。电磁干扰为平面波，由下式决定：

其中，为干扰电磁波，为直角坐标系单位向量，E₀、k分别为干扰电磁波幅值和波数。在仿真模型中平面波电场幅度E₀＝1V/m，电场极化方向垂直于线缆，求解频带100MHz-1GHz。

2.仿真结果

1)外部线缆等效激励电流源电流幅值如图6所示，为了建立等效源集总模型，等效电流源的阻抗需转化为随着频率变化的电阻、电容或者电感的组合。输入阻抗的实部和虚部随频率变化的曲线分别如图7和8所示，可知复阻抗的实部为电路的电阻，虚部为电抗。由于电抗小于零，整个电路阻抗呈容性，这样等效源的输入阻抗可以转化为一个电阻和一个电容的组合。可见等效电流源输入阻抗实部大小随着频率呈波动性的变化，且频率越高，波峰的峰值就越小。其虚部随着频率的增大而不断减小并趋于平缓。

2)如图9所示，响应电压值较大的为TraceⅠF端电压响应，文中所提方法(红色正方形标识曲线)与商用电磁软件计算结果CST(黄色星型标识曲线)吻合良好，几乎重叠，说明文中所提方法在高低频阶段都能保证较高的计算精度，下表为两种方法在各个频点的误差，频率单位为MHz，误差单位为mV。

在289MHz处，误差最大为6.8e-6mV，误差均方根值为4.28e-6mV，说明文中所提方法具有较高的精度，同时利用PEEC在场路混合方面的优势，降低了系统建模的复杂程度。如图9所示，F端电压响应随着频率变化而波动，最高值大约为20mV，在300MHz左右，因为外部线缆长度为500mm，对应的半波长频率为300MHz，此时在线缆作为接收天线耦合电磁能量效率最高，线上的感应电流值最大，同时由于内部电子系统仅为简单微带线，不含非线性元件，所以在300MHz时响应电压值最大。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于场路耦合的含贯穿线缆机箱内电路干扰预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101、对机箱外部电磁波干扰源进行建模，确定外部空间电磁干扰；

步骤102、划分研究对象模型为内外空间子域，外部空间子域包含屏蔽机箱壳体、与机箱相接的线缆，内部空间子域包含内部电路系统；

步骤103、采用矩量法对外部空间中电磁波在线缆上的耦合效应进行建模，求解其在外部电磁干扰辐照下的感生电流，基于诺顿等效定理同时添加描述贯穿线缆进入机箱和与内部电子系统连接方式的集总电路元件，获得贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源模型；

步骤104、采用部分等效源电路法对电子设备机箱内部电路进行建模，提取印制电路板微带线‘骨架’的等效电路模型，添加复杂电路元件；具体包括如下步骤：

步骤1041、选取内部电路微带线‘骨架’作为内部电子系统建模对象；

步骤1042、根据单元尺寸小于十分之一最小波长的原则，划分单元网格，包括体电流单元、面电荷单元和介质单元；

步骤1043、采用解析公式计算划分网格后模型的部分电感矩阵[L]，同时计算模型的部分电位系数矩阵[C]；

步骤1044、生成内部电路微带线‘骨架’的等效电路网表，并添加原始电路中包含的各种元件和负载，同时将步骤103所获取的贯穿线缆外部电磁干扰等效激励源施加于线缆与内部电路的连结点，生成内部电路系统的完整等效电路网表；

步骤1045、求解步骤1044生成的完整等效电路网表，计算得内部电路系统各个节点的响应，并分析其电磁敏感性特性；

步骤105、将步骤103所获取的贯穿线缆电磁干扰的等效激励源模型作为激励，加载于步骤104所提取的内部电子系统部分等效源电路模型；

步骤106、采用修正节点分析法求解步骤105所示电路网络，计算得内部电子系统各个节点的时频域响应，进行屏蔽机箱内部电子系统特性分析。

2.如权利要求1所述的基于场路耦合的含贯穿线缆机箱内电路干扰预测方法，其特征在于，所述步骤103、采用矩量法对外部空间中电磁波在线缆上的耦合效应进行建模，求解其在外部电磁干扰辐照下的感生电流，基于诺顿等效定理同时添加描述贯穿线缆进入机箱和与内部电子系统连接方式的集总电路元件，获得贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源模型包括如下步骤：

步骤201、建立屏蔽机箱壳体以及与之相连的线缆模型，并添加步骤101所得外部电磁干扰辐射源；

步骤202、应用矩量法求解线缆在电磁波照射下的感生电流，由诺顿定理可知线缆与机箱连结点处的电流值即为等效源的短路电流I_SC；

步骤203、在连结点处施加δ激励电压，再次运用矩量法计算连结点处的电流值，由式[Z_in]＝[V_n(ω)]/[I_n(ω)]求得贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源输入阻抗，其中[V_n(ω)]和[I_n(ω)]分别是节点的外加电压矩阵和感应电流矩阵，[Z_in]为阻抗矩阵；

步骤204、确定表征线缆进入机箱方式和与内部电路连接形式的集总元件R_T、L_T、R_C、C_C，其中，R_T为连接等效电阻，L_T为连接等效电感，R_C代表线缆与机箱的漏阻，C_C代表线缆与机箱的电容；

步骤205、将步骤202、203和204所得结果进行组集连接，生成贯穿线缆的外部电磁干扰等效激励源；利用R、X、I分别代表等效电流源的电阻、电抗和电流幅值；使用电路原理求解时，X通过下面的公式转化为集总电容或电感，或两者的组合：

X(f)＝jωL(f) or

X(f)＝1/(jωC(f)) or

X(f)＝jωL(f)+1/(jωC(f))

其中，L(f)和C(f)分别代表随着频率变化的电感和电容，由等效源模型输出阻抗实部和虚部决定，X(f)为线缆外部电磁干扰等效激励源模型的电抗，ω为干扰电磁波角频率。