CN106199097B - 一种v型线性阻抗稳定网络电路参数优化方法 - Google Patents

一种v型线性阻抗稳定网络电路参数优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种V型线性阻抗稳定网络电路参数优化方法，按照本发明可以优化设计出在整个工作频段保持阻抗恒定的LISN，这种LISN可以保证传导发射试验结果不受到线性阻抗稳定网络自阻抗变化的影响；并且，采用算法优化的电路参数元器件，保证试验结果不受到电路中隔直电容分压的影响。该电路参数优化方法，对于设计和研制生产性能更好，操作更方便的线性阻抗稳定网络具有指导作用，按照本发明方法，能够根据使用需求设计和研制出适用于不同被试品的线性阻抗稳定网络。

Description

一种V型线性阻抗稳定网络电路参数优化方法
技术领域
本发明涉及一种V型线性阻抗稳定网络电路参数优化，通过该方法设计出在工作频段保持恒定阻抗且满足工作性能要求的线性阻抗稳定网络，属于电磁兼容传导发射测试技术领域。
背景技术
电磁兼容性传导发射试验中，由于被试品所连接的不同类型，不同位置的电源阻抗变化范围大，导致被试品的负载端阻抗变化剧烈，直接影响被试品电源线传导发射的测试结果。为了使不同场地测得的电源线传导发射试验结果具有可比性，在电磁兼容性传导发射试验标准中引入了线性阻抗稳定网络(以下简称LISN，Line Impedancestabilization network)。LISN又被称为人工电源网络(AMN，Artificial mainsnetwork)，是传导发射试验中最重要的测试设备之一。
LISN的本质是耦合/去耦电路，其在传导发射试验中主要有如下三个作用：(1)在工作频段内向被试品电源输入端提供一个稳定阻抗；(2)将被试品电源输入端的干扰电压耦合到电磁发射测试设备上；(3)将被试品电源输入端的干扰电压与供电电源端的干扰信号隔离开，防止供电电源端干扰信号耦合到测试设备中造成设备损坏，同时，防止被试品电源输入端的干扰信号耦合到供电电源中影响其他用电设备。
复杂电子设备在正式交付使用前，大都要进行强制电磁兼容性试验检测，并达到试验标准规定的要求。根据LISN的功能和在电磁兼容性试验中的作用，可以分析出，LISN的输出阻抗和分压系数是影响试验结果最重要的因素之一。当LISN电路的阻抗非恒定欧姆匹配时，对于不同阻抗的被试品，在不同频点的试验结果不具有一致性，其最终试验结果都需要对LISN在其工作频段内不同频点的阻抗进行计算测试后，根据阻抗值进行修正后才能达到试验要求的精度。另外，在实际试验时，LISN电路中的隔直电容会对被试品端口干扰电压进行分压，因此，接收机实际接收到的电压信号并不等于被试品实际耦合出的干扰电压，最终的试验结果也必须通过对LISN分压系数进行计算修正后才能达到试验要求精度。
目前，实验室中使用的LISN基本电路结构都参考自国际无线电干扰特别委员会(CISPR)颁布的有关电磁兼容性试验设备的标准CISPR-16-1-2中关于LISN的分类和规定。现有标准规定的LISN在工作时，特性阻抗随频率变化较大，影响测试结果精度。为了改善现有标准规定LISN存在的问题，得到理想参数性能的LISN电路，本发明提出了一种V型线性阻抗稳定网络电路参数优化方法，并对根据本发明计算得到的验证样品电路进行试验验证。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种V型线性阻抗稳定网络(LISN)电路参数优化方法，通过该方法设计出在工作频段保持恒定阻抗且满足工作性能要求的线性阻抗稳定网络，简化电路的试验测试步骤，提高电路的测试精度。
本发明提供一种V型线性阻抗稳定网络电路参数优化及试验验证方法，具体步骤如下：
步骤一，针对V型LISN(线性阻抗稳定网络)电路，给出优化的目标函数和约束条件的计算公式，
所述目标函数和约束条件的计算公式，
目标函数为：
miny3＝F3(xi)＝20log10[R1//R2+1/jwx1|/(R1//R2)]
s.t.gi(x)≤0,i＝1,2,3
其中，min是指取函数的最小值；x1，x2，x3分别是电路中电阻R1，R2，R3计算过程中的替代自变量；y1，y2、y3分别是电路端口电压在不同源电压计算过程中的替代因变量；ω是电路工作的角频率；R0是产生源电压的信号源内阻；V0是信号源产生的基础电压；C1，C2和L分别是V型LISN电路的电容和电感。初步约束条件为：
初步约束条件为：
x＝(x1,x2,x3，x4，x5)∈X
X＝{(x1,x2,x3，x4，x5)|li≤xi≤ui,i＝1,2,3,4,5}
L＝(l1,l2,l3,l4,l5)
U＝(u1,u2,u3,u4,u5)
其中，L和U分别是V型LISN电路滤波特性的传播系数和隔离系数，L和U的取值由V型LISN电路滤波特性确定；li(i＝1,2,3,4,5)和ui(i＝1,2,3,4,5)分别是L和U的子参数；
步骤二，利用目标函数和约束条件的计算公式对V型电路参数进行优化计算，最终得到V型线性阻抗稳定网络电路的优化参数，最终得到的优化参数为V型LISN电路的所有元器件取值。
上述利用计算公式对V型LISN电路参数进行优化计算的具体过程如下：
采用基于目标函数搜索的多维约束优化算法和遗传算法相结合的最优化算法，对步骤一给出的目标函数进行穷举迭代运算，结合步骤一给出的约束条件，初步计算出V型LISN电路的元器件参数取值结果。
此时求出的最优化结果，很可能不符合实际情况，该元器件取值为实际不存在的理论值。因此，当首次计算的结果不具有可实施性时，重新调整约束条件，再次进行计算，直至得到具有可实施性的典型V型LISN电路的元器件参数结果。优化计算流程如图2所示：
首先，对步骤一计算出的V型LISN电路参数初步优化结果进行初始化运算，得到优化计算的首代族群，对首代族群进行多次优化族群的运算，每次计算后，都要判断V型LISN电路参数计算结果的精度和位置是否满足预设要求。当V型LISN电路参数计算结果满足预设要求时，继续计算，当V型LISN电路参数计算结果不满足预设条件，或者精度不符合要求时，回到步骤一重新进行计算。每次计算后，还需要判断V型LISN电路参数结果是否会陷入错误的局部极值(局部极值为只满足部分约束条件的极值)，当结果陷入局部极值后，也需要回到步骤一重新运算，当所有条件都满足预设要求时，认为已经得到最优化结果。
最后，判断得到的最优化结果是否能够实现，如果不能实现，则说明计算结果无意义，更新约束条件，重新进行计算，直至得到能够实现并满足要求的最优化结果，最终优化结果为可实现的V型LISN电路参数取值。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种V型线性阻抗稳定网络电路参数优化方法，通过试验验证了该方法的正确性和可靠性。目前，尚未有相关的优化方法指导V型LISN的研制和设计。按照本发明可以优化设计出在整个工作频段保持阻抗恒定的LISN，这种LISN可以保证传导发射试验结果不受到线性阻抗稳定网络自阻抗变化的影响。并且，采用算法优化的电路参数元器件，保证试验结果不受到电路中隔直电容分压的影响。本发明的V型LISN电路参数优化方法，对于设计和研制生产性能更好，操作更方便的线性阻抗稳定网络具有指导作用，按照本发明方法，能够根据使用需求设计和研制出适用于不同被试品的线性阻抗稳定网络。
附图说明
图1是标准中规定的LISN电路原理图；
图2是遗传算法优化计算流图；
图3是LISN验证试验组成框图；
图4是本发明提供的一种新型线性阻抗稳定网络参数优化设计方法流图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
根据国际无线电管理委员会对电磁兼容试验用LISN电路(线性阻抗稳定网络电路)的规定，LISN电路分为V型和Δ型两种结构。本发明对V型LISN电路参数提出了一种新的优化计算方法，对V型LISN电路参数进行优化计算，简化电路的试验测试步骤，提高电路的测试精度。
本发明提供的一种新型线性阻抗稳定网络参数优化设计方法流图如图4所示，具体包括如下步骤：
步骤一：V型LISN电路基本原理图如图1所示。电路中的电感L和电容C2构成低通滤波器，用来滤除电源端的高频谐波干扰，防止电源端谐波耦合到被试设备。被试设备产生的干扰信号被低通滤波器隔离后，通过接收机支路的隔直电容C1耦合到接收机回路，隔直电容的另一个作用是防止被试品中干扰信号的直流分量进入接收机而损坏设备，接收机支路电阻R1为电容提供泄放电通路，防止被试品断开时产生尖峰电压而损坏测试设备。被试品端和电源端通过LISN隔离后，保证相同被试品在不同试验场地，采用不同电源试验时，通过LISN测得的传导干扰电压结果具有可重复性和可对比性。
对于参数的滤波约束条件，根据图1所示，在LISN电路中，L，C2，R3构成低通滤波器，该滤波器用于滤除电源中的高频谐波，防止电源噪声干扰被试品；L，C1，R1，R2构成低通滤波器，该滤波器用于滤除被试品的干扰发射，防止被试品的高频发射影响电源。C1为隔直电容，R1为电容泄放电阻，进行最优化计算时，还要考虑C1的隔直性能和R1的泄放电承受性能。
根据电路中元器件的不同作用，提出优化算法的目标函数为：
miny3＝F3(xi)＝20log10[R1//R2+1/jwx1|/(R1//R2)]
s.t.gi(x)≤0,i＝1,2,3
其中，min是指取函数的最小值；x1，x2，x3分别是电路中电阻R1，R2，R3计算过程中的替代自变量；y1，y2、y3分别是电路端口电压在不同源电压计算过程中的替代因变量；ω是电路工作的角频率；R0是产生源电压的信号源内阻；V0是信号源产生的基础电压；C1，C2和L分别是V型LISN电路的电容和电感。初步约束条件为：
初步约束条件为：
x＝(x1,x2,x3，x4，x5)∈X
X＝{(x1,x2,x3，x4，x5)|li≤xi≤ui,i＝1,2,3,4,5}
L＝(l1,l2,l3,l4,l5)
U＝(u1,u2,u3,u4,u5)
其中，L和U分别是V型LISN电路滤波特性的传播系数和隔离系数，L和U的取值由V型LISN电路滤波特性确定；li(i＝1,2,3,4,5)和ui(i＝1,2,3,4,5)分别是L和U的子参数；
步骤二：优化计算流程如图4所示，根据步骤一得到的目标函数和初步约束条件，采用基于目标函数搜索的多维约束优化算法和遗传算法相结合的最优化算法，对权利要求1给出的目标函数进行穷举迭代运算，结合权利要求1给出的约束条件，初步计算出V型LISN电路的元器件参数取值结果。
利用遗传算法进行优化计算的流程如图2所示：
首先，对步骤一计算出的V型LISN电路参数结果进行初始化运算，得到优化计算的首代族群，对首代族群进行多次优化族群的运算，每次计算后，都要判断V型LISN电路参数计算结果的精度和位置是否满足预设要求。当V型LISN电路参数计算结果满足预设要求时，继续计算，当V型LISN电路参数计算结果不满足预设条件，或者精度不符合要求时，回到步骤一重新进行计算。每次计算后，还需要判断V型LISN电路参数结果是否会陷入错误的局部极值(局部极值为只满足部分约束条件的极值)，当结果陷入局部极值后，也需要回到步骤一重新运算，当所有条件都满足预设要求时，认为已经得到最优化结果。
最后，判断得到的最优化结果是否能够实现，如果不能实现，则说明计算结果无意义，更新约束条件，重新进行计算，直至得到能够实现并满足要求的最优化结果，最终优化结果为可实现的V型LISN电路参数取值。
步骤三：按照计算结果制作电路验证样品，并进行试验测试比对。
验证试验布置如图3所示，验证具体步骤包括为：
1、利用阻抗分析仪直接连接验证样品，测量验证样品的阻抗是否满足阻抗恒定的要求。
2、利用矢量网络分析仪直接连接验证样品，测量样品的传输特性是否满足V型LISN的功能指标要求。
3、将接收机连接到样品的信号输出端，将信号源连接到样品的信号输入端，通过比对信号源的输入信号和输出信号，验证样品的试验结果精度是否满足V型LISN的功能指标要求。
通过验证试验可以得到，利用本发明的参数优化计算方法得到的V型结构LISN电路，其阻抗和传输特性及测试结果精度均能达到或优于电磁兼容相关标准的规定。试验验证也证明本发明方法的可行性和可靠性。

Claims (3)

1.一种V型线性阻抗稳定网络电路参数优化方法，其特征在于：
步骤一，针对V型LISN(线性阻抗稳定网络)电路，给出优化的目标函数和约束条件的计算公式，
所述目标函数和约束条件的计算公式，
目标函数为：
miny3＝F3(xi)＝20log10[|R1//R2+1/jwx1|/(R1//R2)]
s.t.gi(x)≤0,i＝1,2,3
其中，min是指取函数的最小值；x1，x2，x3分别是V型LISN电路中电阻R1，R2，R3计算过程中的替代自变量；y1，y2、y3分别是电路端口电压在不同源电压计算过程中的替代因变量；ω是V型LISN电路工作的角频率；R0是产生源电压的信号源内阻；V0是信号源产生的基础电压；C1，C2和L分别是V型LISN电路的电容和电感，初步约束条件为：
x＝(x1,x2,x3，x4，x5)∈X
X＝{(x1,x2,x3，x4，x5)|li≤xi≤ui,i＝1,2,3,4,5}
L＝(l1,l2,l3,l4,l5)
U＝(u1,u2,u3,u4,u5)
其中，L和U分别是V型LISN电路滤波特性的传输系数和隔离系数，L和U的取值由V型LISN电路滤波特性确定；lii和ui，i＝1、2、3、4、5分别是L和U的子参数；
步骤二，利用目标函数和约束条件的计算公式对V型电路参数进行优化计算，最终得到初步优化的V型线性阻抗稳定网络电路元器件取值。
2.根据权利要求1所述的V型线性阻抗稳定网络电路参数优化方法，其特征在于：利用计算公式对V型电路参数进行优化计算的具体过程如下：采用基于目标函数搜索的多维约束优化算法和遗传算法相结合的最优化算法，对目标函数进行穷举迭代运算，结合给出的约束条件计算出初步优化的V型LISN电路的元器件参数取值结果；
当初步优化计算的结果不具有可实施性时，重新调整约束条件，再次进行计算，直至得到具有可实施性的优化的V型线性阻抗稳定网络电路所有元器件取值。
3.根据权利要求2所述的V型线性阻抗稳定网络电路参数优化方法，其特征在于：
(1)对权利要求1所述步骤二中得到的初步优化的V型线性阻抗稳定网络电路元器件取值结果进行初始化运算，得到优化计算的首代族群，对首代族群进行多次优化族群的运算，每次计算后，都要判断V型LISN电路参数计算结果的精度和位置是否满足预设要求；
(2)当V型LISN电路参数计算结果满足预设要求时，继续计算，当V型LISN电路参数计算结果不满足预设条件，或者精度不符合要求时，回到权利要求1所述步骤二中得到的初步优化的V型线性阻抗稳定网络电路元器件结果重新进行计算；每次计算后，还需要判断V型LISN电路参数结果是否会陷入错误的局部极值，局部极值为只满足部分约束条件的极值，当结果陷入局部极值后，也需要回到权利要求1所述步骤二中得到的初步优化的V型线性阻抗稳定网络电路元器件结果重新运算，当所有条件都满足预设要求时，认为已经得到最优化结果；
(3)判断得到的最优化结果是否能够实现，如果不能实现，则说明计算结果无意义，更新约束条件，重新进行计算，直至得到能够实现并满足要求的最优化结果，最终优化结果为可实现的V型LISN电路参数取值。
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