CN106199212A - 一种多导体传输线网络的时频分析方法 - Google Patents
一种多导体传输线网络的时频分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106199212A CN106199212A CN201610530655.9A CN201610530655A CN106199212A CN 106199212 A CN106199212 A CN 106199212A CN 201610530655 A CN201610530655 A CN 201610530655A CN 106199212 A CN106199212 A CN 106199212A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- port
- overbar
- network
- transmission
- parameter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/28—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response
- G01R27/32—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/001—Measuring interference from external sources to, or emission from, the device under test, e.g. EMC, EMI, EMP or ESD testing
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
本发明属于电磁兼容领域,主要解决了非均匀传输线网络的串扰分析问题。结合BLT方程和FDTD方法的优势,提出一种BLT‑FDTD混合方法,能够对含有非均匀传输线的线缆网络进行分析,在保证分析精度的情况下,使计算效率最大化,能够满足实际复杂系统线缆网分析的需求。本发明具有很强的实用价值,能够应用到不同级别的电磁兼容分析当中,在电磁干扰抑制、电磁兼容性能分析评估、电磁防护等领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电磁干扰与电磁兼容分析方法,尤其是涉及一种传输线网络的时频分析方法,可应用于系统级、设备级、电路板级等不同级别的传输线特性分析中。
背景技术
线缆分析是系统级电磁兼容分析中的重要组成部分。相对于通过天线这类信号通道产生的“前门”干扰,通过线缆产生的“后门”干扰往往更为严重。因为,电磁兼容工程师在系统设计阶段很注重信号通道的设计,能够采取很多手段避免电磁干扰的产生,保证信号通道的电磁兼容性;而通过线缆网产生的干扰容易被忽略,且耦合机理更为复杂,涉及到电缆的屏蔽、接头的设计、电缆横截面、线缆束的捆扎、地回路的影响等方面,相当复杂。线缆的电磁兼容设计一般是根据经验通过工程的方法(屏蔽、滤波、接地、搭接等)来进行的。因此,有必要对线缆网的电磁传输特性进行仿真计算,以评估其电磁兼容性能。
对于传输线网络的分析,在低频情况下,可以用电路模型进行建模;而对于高频情况,因为线缆长度可与波长相比拟,信号的相位会出现延迟和周期性的变化,电路模型已经不再适合,只能够使用全波算法或传输线模型进行建模。但全波分析步骤繁琐、计算量大、且求解相对困难。所以基于传输线模型的方法是最合适的。所谓传输线模型,即用一组频域和时域的微分方程组来描述传输线的分布参数,进而在给定的边界条件和初始条件(时域)下求解这些方程。
在对例如汽车、飞机、舰船等复杂大系统的线缆网进行分析时,往往会遇到线缆布局随载体外形变化的情况,部分电缆的分布参数会随空间坐标的变化而变化。在这种情况下,频域的方法不再适用。采用时域方法可以进行求解,但是若线缆数量增大时,时域方法的计算时间又会随之增加。有数据表明,一架“台风”战斗机的电缆总长度为30km,而一架波音747大型客机的电缆总长度达到274km,若模拟核电磁脉冲为激励,则空间离散单元会达到106量级,难以快速求解。
发明内容
本发明针对上述不足,结合BLT方程和FDTD方法的优势,提出一种多导体传输线网络的时频分析方法(即BLT-FDTD混合方法),能够对含有非均匀传输线的线缆网络进行分析,在保证分析精度的情况下,使计算效率最大化,能够满足实际复杂系统线缆网分析的需求。
本发明所采用的技术方案是:
一种多导体传输线网络的时频分析方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步,建立传输线网络的BLT方程;
第二步,采用FDTD方法计算非均匀线段的S参数;
第三步,将非均匀段作为节点,参加网络的计算。
具体的,所述BLT方程表达式为
式中,为节点总电压超向量,即入射波与出射波之和;为激励源超向量;为单位超矩阵;为传输超矩阵,代表网络中所有管道的传输参数,若节点的响应按照管道排序,则为分块对角矩阵,每个子矩阵对应各自的管道;为散射超矩阵,代表网络中所有节点的散射参数,若节点的响应按照管道排序,则为稀疏矩阵。
具体的,所述计算非均匀线段的S参数包括如下步骤:
一段长为L的非均匀传输线从传输线网络独立出来,形成一个两端口网络,将传输线离散为M段,每段长度为Δx,计算出第m离散段的特性阻抗Zcm。
在两端口外接阻抗ZL1,ZL2,并有
式中,Zc1为与端口1相连接离散段的特性阻抗,ZcM为与端口2相连接离散段的特性阻抗;
在端口1外接理想电压源,电压源产生激励的最高频率要事先确定,采用FDTD方法求解两端口负载的电压响应vL1,vL2和电流响应iL1,iL2;
通过FFT变换将vL1,vL2和iL1,iL2变换到频域,得到其频域形式和将入射波和反射波分离,令端口1的归化入射波和归化出射波分别为a1,b1,端口2的归化入射波和归化出射波分别为a2,b2,根据S参数的定义有
则能够得到端口1的反射系数s11和端口1至端口2的传输系数s21为
同样,在端口2外接理想电压源,重复以上步骤,得到
得到端口2的反射系数s22和端口2至端口1的传输系数s12为
综合式(11)和式(13),得到非均匀线段S参量为
本发明的优点是能够对含有非均匀传输线的线缆网络进行分析,
在保证分析精度的情况下,使计算效率最大化,能够满足实际复杂系统线缆网分析的需求。本发明具有很强的实用价值,能够应用到不同级别的电磁兼容分析当中,在电磁干扰抑制、电磁兼容性能分析评估、电磁防护等领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1是非均匀线S参数求解示意图;
图2是双指数场的时域波形;
图3是均匀传输线验证负载端瞬态响应;
图4是均匀传输线验证算例负载端响应频域分布;
图5是含有非均匀段传输线验证算例负载端瞬态响应;
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
第一步,建立传输线网络的BLT方程。
BLT方程是求解传输线网络的频域方法。其表达式为
式中,为节点总电压(入射波与出射波之和)超向量;为激励源超向量;为单位超矩阵;为传输超矩阵,代表网络中所有管道的传输参数,若节点的响应按照管道排序,则为分块对角矩阵,每个子矩阵对应各自的管道;为散射超矩阵,代表网络中所有节点的散射参数,若节点的响应按照管道排序,则为稀疏矩阵,但不一定是分块对角矩阵,这由节点在网络中的连接状态决定。
如果要用频域的传输函数来表示非均匀线的传输情况,理论复杂,编程实现困难,且提高精度的代价很大。对于非均匀线的分析从时域是极其方便的,如果能够将非均匀线段从传输线网络独立出来,采用时域方法进行分析,然后将结果整合入BLT方程,则能够解决含有非均匀传输线的线缆网问题。基于传输线理论对传输线进行分析,关键在解决能量的传输和能量的反射这两个问题,体现在BLT方程中即传输超矩阵和散射超矩阵。传统方法从能量传输方面着手,而本发明结合了能量传输和能量反射两方面,理论更清晰、操作更简单。
第二步,采用FDTD方法计算非均匀线段的S参数。
以理想的上方单传输线为例说明。如图1所示,一段长为L的非均匀传输线从传输线网络独立出来,形成一个两端口网络。将传输线离散为M段,每段长度为Δx,可轻松计算出第m离散段的特性阻抗Zcm。
在两端口外接阻抗ZL1,ZL2,并有
式中,Zc1为与端口1相连接离散段的特性阻抗;
ZcM为与端口2相连接离散段的特性阻抗。
在端口1外接理想电压源,电压源产生激励的最高频率要事先确定。采用FDTD方法求解两端口负载的电压响应vL1,vL2和电流响应iL1,iL2。
通过FFT变换将vL1,vL2和iL1,iL2变换到频域,得到其频域形式和将入射波和反射波分离,令端口1的归化入射波和归化出射波分别为a1,b1,端口2的归化入射波和归化出射波分别为a2,b2,根据S参数的定义有
则能够得到端口1的反射系数s11和端口1至端口2的传输系数s21为
同样,在端口2外接理想电压源,重复以上步骤,得到
得到端口2的反射系数s22和端口2至端口1的传输系数s12为
综合式(11)和式(13),得到非均匀线段S参量为
第三步,传输线网络求解。
在BLT方程中,节点的影响是通过散射超矩阵来体现的。在求出非均匀线段S参数之后,将其节点化,然后采用BLT方程进行整体求解。
下面以两个具有代表性的算例说明本方法的有效性。分别为:简单均匀传输线、含有非均匀段的传输线。
算例1:均匀传输线。考虑一段置于理想大地上方的PEC传输线,线半径为1.5mm,离地高度0.1m,线长30m,一端接带50Ω内阻的电压源,另一端接100Ω电阻负载,电压源的激励为单位幅度的双指数波形,其表达式为
波形如图2所示,当这种波形的幅值达到50kV/m时,一般用来模拟核电磁脉冲。从源端开始将传输线分为6m,15m和9m长的三段,中间一段采用FDTD方法求解,两端采用BLT方法求解。
图3给出了BLT-FDTD混合方法、全FDTD方法计算得出的负载端瞬态电压响应,其中后一种方法作为参考方法。图4给出BLT-FDTD混合方法和全BLT方法计算得出的负载端响应频域分布,其中后一种方法作为参考方法。很明显,不论是频域结果还是时域结果,BLT-FDTD方法的准确性都极高,这表示BLT-FDTD混合方法适用于均匀传输线情况。
算例2:含有非均匀段的传输线。考虑一段如图5中小图所示置于理想大地上方的PEC传输线,线半径为1mm,一端接带50Ω内阻的电压源,另一端接100Ω电阻负载,源端离地高度0.1m,负载端离地高度1m。电压源为高斯脉冲激励,其中时延t0=5ns,脉宽T=1ns。传输线分三段,长度分别为0.6m,1.2m和0.9m,中间一段采用FDTD方法求解,两端采用BLT方法求解。
图5给出了本发明和全FDTD方法计算得出的负载端瞬态电压响应,其中后一种方法作为参考方法。因为负载的不匹配性,能量在传输线上反复振荡,体现在负载电压响应上就是各尖峰,随着能量被负载和源内阻的不断吸收,尖峰的幅值也不断降低;各尖峰之间很明显地出现了一些振荡,这是由于传输线的不均匀性而带来的,若传输线是均匀的则不会出现这种情况。两种方法的计算结果完全一致,说明了本发明的正确性。
Claims (3)
1.一种多导体传输线网络的时频分析方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步,建立传输线网络的BLT方程;
第二步,采用FDTD方法计算非均匀线段的S参数;
第三步,将非均匀段作为节点,参加网络的计算。
2.如权利要求1所述的多导体传输线网络的时频分析方法,其特征在于,所述BLT方程表达式为
式中,为节点总电压超向量,即入射波与出射波之和;为激励源超向量;为单位超矩阵;为传输超矩阵,代表网络中所有管道的传输参数,若节点的响应按照管道排序,则为分块对角矩阵,每个子矩阵对应各自的管道;为散射超矩阵,代表网络中所有节点的散射参数,若节点的响应按照管道排序,则为稀疏矩阵。
3.如权利要求1所述的多导体传输线网络的时频分析方法,其特征在于,所述计算非均匀线段的S参数包括如下步骤:
一段长为L的非均匀传输线从传输线网络独立出来,形成一个两端口网络,将传输线离散为M段,每段长度为Δx,计算出第m离散段的特性阻抗Zcm。
在两端口外接阻抗ZL1,ZL2,并有
式中,Zc1为与端口1相连接离散段的特性阻抗,ZcM为与端口2相连接离散段的特性阻抗;
在端口1外接理想电压源,电压源产生激励的最高频率要事先确定,采用FDTD方法求解两端口负载的电压响应vL1,vL2和电流响应iL1,iL2;
通过FFT变换将vL1,vL2和iL1,iL2变换到频域,得到其频域形式和将入射波和反射波分离,令端口1的归化入射波和归化出射波分别为a1,b1,端口2的归化入射波和归化出射波分别为a2,b2,根据S参数的定义有
则能够得到端口1的反射系数s11和端口1至端口2的传输系数s21为
同样,在端口2外接理想电压源,重复以上步骤,得到
得到端口2的反射系数s22和端口2至端口1的传输系数s12为
综合式(4)和式(6),得到非均匀线段S参量为
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610530655.9A CN106199212A (zh) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | 一种多导体传输线网络的时频分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610530655.9A CN106199212A (zh) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | 一种多导体传输线网络的时频分析方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106199212A true CN106199212A (zh) | 2016-12-07 |
Family
ID=57473954
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201610530655.9A Pending CN106199212A (zh) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | 一种多导体传输线网络的时频分析方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106199212A (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107391785A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-11-24 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 一种多导体传输线系统空间电场描述方法 |
CN108663589A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-10-16 | 电子科技大学 | 点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法 |
CN112417794A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-02-26 | 深圳华大九天科技有限公司 | 一种散射参数计算方法 |
CN114019250A (zh) * | 2021-10-31 | 2022-02-08 | 吉林大学 | 一种随机非均匀传输线电磁辐射分析方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110178748A1 (en) * | 2010-01-19 | 2011-07-21 | Shlepnev Yuriy | System and method for identification of complex permittivity of transmission line dielectric |
CN102411647A (zh) * | 2011-08-03 | 2012-04-11 | 西安电子科技大学 | 有损耗非均匀多导体传输线瞬态响应时域分析法 |
CN105319446A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-02-10 | 哈尔滨工程大学 | 非均匀多导体传输线电感矩阵的直接估算方法 |
CN105677998A (zh) * | 2016-01-13 | 2016-06-15 | 沈阳航空航天大学 | 一种对传输线瞬态响应的分析方法 |
-
2016
- 2016-07-07 CN CN201610530655.9A patent/CN106199212A/zh active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110178748A1 (en) * | 2010-01-19 | 2011-07-21 | Shlepnev Yuriy | System and method for identification of complex permittivity of transmission line dielectric |
CN102411647A (zh) * | 2011-08-03 | 2012-04-11 | 西安电子科技大学 | 有损耗非均匀多导体传输线瞬态响应时域分析法 |
CN105319446A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-02-10 | 哈尔滨工程大学 | 非均匀多导体传输线电感矩阵的直接估算方法 |
CN105677998A (zh) * | 2016-01-13 | 2016-06-15 | 沈阳航空航天大学 | 一种对传输线瞬态响应的分析方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
王为 等: "BLT-FDTD时频结合分析传输线瞬态响应", 《微波学报》 * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107391785A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-11-24 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 一种多导体传输线系统空间电场描述方法 |
CN108663589A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-10-16 | 电子科技大学 | 点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法 |
CN112417794A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-02-26 | 深圳华大九天科技有限公司 | 一种散射参数计算方法 |
CN112417794B (zh) * | 2020-12-04 | 2024-03-08 | 深圳华大九天科技有限公司 | 一种散射参数计算方法 |
CN114019250A (zh) * | 2021-10-31 | 2022-02-08 | 吉林大学 | 一种随机非均匀传输线电磁辐射分析方法 |
CN114019250B (zh) * | 2021-10-31 | 2023-09-29 | 吉林大学 | 一种随机非均匀传输线电磁辐射分析方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106199212A (zh) | 一种多导体传输线网络的时频分析方法 | |
CN101923139B (zh) | 一种输电线路单端行波故障测距智能方法 | |
Passerini et al. | Smart grid monitoring using power line modems: Effect of anomalies on signal propagation | |
CN104021287B (zh) | 一种预估外界瞬态的电磁干扰引起的pcb微带传输线串扰大小的方法 | |
CN105677998A (zh) | 一种对传输线瞬态响应的分析方法 | |
Huai et al. | Single-ended line fault location method for multi-terminal HVDC system based on optimized variational mode decomposition | |
CN104573376B (zh) | 一种时域有限差分法计算电磁散射的瞬态场远场外推方法 | |
Deng et al. | A method for distribution network line selection and fault location based on a hierarchical fault monitoring and control system | |
CN104406509A (zh) | 基于hht电力电缆长度测量方法 | |
CN110502785A (zh) | 一种三维时域计算波导s参数的电磁数值方法 | |
CN110175351A (zh) | 一种换流变压器建模方法 | |
CN105631105A (zh) | 一种含外加场耦合的线缆等效电路建模方法 | |
Gaur et al. | New ground fault location method for three-terminal transmission line using unsynchronized current measurements | |
CN105223467B (zh) | 基于分维计算和mallat分解的配电网故障选线方法 | |
CN105933035A (zh) | 一种基于网络参数的电力线信道特性分析方法 | |
CN105403812A (zh) | 一种基于故障行波沿线分解及距离标定的三角环网线路单端故障测距方法 | |
CN106093516B (zh) | 基于多频带分解的输电线路故障电流行波波形的重现方法 | |
Verrax et al. | Low-complexity graph-based traveling wave models for HVDC grids with hybrid transmission lines: Application to fault identification | |
Auzanneau et al. | A simple and accurate model for wire diagnosis using reflectometry | |
CN106056479A (zh) | 配电网三相建模方法 | |
Swetha et al. | A novel technique for the location of fault on a HVDC transmission line | |
Achar et al. | Full-wave analysis of high-speed interconnects using complex frequency hopping | |
Xie et al. | Analysis of EMP coupling to a device from a wire penetrating a cavity aperture using transient electromagnetic topology | |
CN104931849A (zh) | 一种供电线路弧光接地故障测距方法 | |
CN105703859A (zh) | 一种中压配电网载波通信技术的信道建模方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20161207 |