CN108663589A - 点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，应用于电磁干扰领域，具有算法简洁、结果准确、效率高等优点，本发明通过将线缆上的电压波传播通道与空间电磁场传播通道以信号管道进行表示，将具有能量反射的位置以节点进行表示，建立反映系统电磁能量流动情况的信号流图，并采用磁流元辐射代替小孔透射，建立整个系统信号管道上的传播方程以及所有节点上的散射方程，综合得到系统电磁干扰的扩展BLT(Baum‑Liu‑Tesche)方程，并对扩展BLT方程进行求解得到线缆上的干扰强度，实现对点源辐射场透过带孔无限大屏蔽层耦合到传输线的电磁干扰的准确计算，本发明方法有效降低对计算资源的依赖并提高效率。
Description
技术领域
本发明属于电磁干扰领域，特别涉及一种点源辐射场对带孔无限大屏蔽层另一侧线缆干扰的计算方法。
背景技术
随着工业电气化程度的提高和无线通信技术的发展，电磁环境的复杂程度呈指数级增加。外界电磁波可透过电子设备机箱上的小孔耦合到设备内部的线缆上，对敏感电路形成电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)。干扰强度可用线缆上感生的电压幅值作为衡量指标，其受到干扰源特性、孔尺寸、线缆结构以及它们之间相对位置的影响。由电磁场理论可知，复杂干扰源可以看作为多个点源的叠加，而频率较高时机箱带孔面板可以近似为无限大屏蔽层，故研究点源辐射场对带孔无限大屏蔽层另一侧线缆干扰强度的计算方法具有实际意义，可为电子设备的电磁干扰强度预测提供理论指导。
计算电磁学(Computational Electromagnetics,CEM)方法能够精确计算复杂的小孔耦合和电磁干扰问题，但必须借助强大的计算机并消耗较长的计算时间。因此，开发简便易用、快速、准确的解析方法对点源辐射场对带孔无限大屏蔽层另一侧线缆干扰强度进行计算，能够有效降低对计算资源的依赖并提高效率，具有重要的理论价值和实际意义。
Qi-Feng Liu和Wen-Yan Yin等提出了一种基于时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)的数值计算方法用于计算线缆贯穿腔体在外部电磁脉冲激励下的电磁干扰强度。此方法在电磁干扰计算领域中具有重要意义，但是还是存在一些不足。
①该方法属于数值方法，需要耗费大量的时间和计算资源；
②该方法借助于多导体传输线理论处理场线耦合问题，需要联合使用FDTD、多导体传输线理论等，计算复杂且难于实施；
③该方法需要进行建模、网格剖分、施加边界等一系列的前处理工作，实施起来相对比较麻烦。
Frederick M.Tesche和C.M.Butler提出了一种基于BLT方程的解析方法用于计算点源辐射场对无限大地平面上传输线的电磁干扰。该方法存在以下不足：
①该方法未考虑电磁场的小孔耦合，不能用于实际电子设备机箱的耦合分析和电磁干扰强度计算；
②该方法的重点是给出建立系统扩展BLT方程的方法，没有给出带孔无限大屏蔽层的散射参数的具体计算方法；
③该方法适用于开域电磁场耦合问题，不适用于闭域电磁场耦合问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，通过建立信号流图，并采用磁流元辐射代替小孔透射，得到系统电磁干扰的扩展BLT(Baum-Liu-Tesche)方程，从而求解得到线缆上的干扰强度，算法简洁，结果准确。
本发明采用的技术方案为：点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，包括：
S1、将电压波传播通道与空间电磁场传播通道作为信号管道，将具有能量反射的位置作为节点建立系统信号流图；
S2、根据电磁场理论和传输线理论结合系统信号流图，得到各信号管道上的传播方程，通过对所有信号管道上的传播方程进行整合，得到系统的传播方程；
S3、根据电磁场理论结合系统信号流图，得到各节点处的散射方程，通过对所有节点处的散射方程进行整合，得到系统的散射方程；
针对节点为无限大屏蔽层上的小孔时，该节点处的散射系数求解具体为：根据小孔处电场计算该小孔的等效磁流元，根据镜像原理计算磁流元在无线大屏蔽层另一侧的辐射电场，得到小孔的散射参数；
S4、根据步骤S2系统的传播方程以及步骤S3系统的散射方程，得到系统的扩展BLT方程；
S5、通过对步骤S4得到的BLT方程进行求解，得到线缆负载处的干扰电压。
进一步地，所述节点还包括：散射体、线缆以及线缆上的负载。
进一步地，所述电压波传播通道为电压波在线缆上的传播通道。
更进一步地，所述空间电磁场传播通道包括：点源辐射的电磁波在散射体和无限大屏蔽层上小孔之间的传播通道、透过小孔的电磁波在无限大屏蔽层与线缆之间的传播通道。
进一步地，当节点为线缆时，该节点处的散射系数求解具体为：基于Hallen积分方程计算其天线模式电流，得到该节点处的散射参数。
进一步地，当节点为线缆上的负载电阻时，该节点处的散射系数根据负载的电阻值以及线缆的特性阻抗计算。
进一步地，当节点为散射体时，该节点处的散射系数根据散射体处的散射场与入射场计算。
本发明的有益效果：本发明通过将线缆上的电压波传播通道与空间电磁场传播通道以信号管道进行表示，将具有能量反射的位置以节点进行表示，建立反映系统电磁能量流动情况的信号流图，并采用磁流元辐射代替小孔透射，建立整个系统信号管道上的传播方程以及所有节点上的散射方程，综合得到系统电磁干扰的扩展BLT(Baum-Liu-Tesche)方程，并对扩展BLT方程进行求解得到线缆上的干扰强度，实现对点源辐射场透过带孔无限大屏蔽层耦合到传输线的电磁干扰的准确计算，具有算法简洁、结果准确、效率高等优点。
附图说明
图1是本发明的方案流程图。
图2是本发明实施例提供的点源、带孔无限大屏蔽层、线缆的几何结构示意图。
图3是本发明实施例提供的包含各管道与节点的反映系统电磁能量流动情况的信号流图。
图4是本发明实施例提供的本发明方法计算结果和仿真结果的比较示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示为本发明的方案流程图，本发明的技术方案为：点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，包括：
S1、将电压波传播通道与空间电磁场传播通道作为信号管道，将具有能量反射的位置作为节点建立系统信号流图；具体如图2所示，本发明中线缆由两根相互平行且相距为d的单线组成，线缆末端分别连接两个电阻值为ZL1和ZL2的电阻负载，点源与散射体之间的距离为r2，点源与孔之间的距离为r1，散射体与孔之间的距离为r0，孔与传输线之间的距离为rL，各物体之间的相对角度关系用ψ0,ψ1,ψ2,ψL,ψS描述，ψ0为散射体散射场传播至孔的方向与无限大屏蔽层之间的夹角，ψ1为点源辐射场传播至孔的方向与电偶极矩方向之间的夹角，ψ2为点源辐射场传播至散射体的方向与电偶极矩方向之间的夹角，ψL为透过孔的电磁场传播至线缆的方向与线缆长度方向之间的夹角，ψS为点源辐射场传播至孔的方向与无限大屏蔽层之间的夹角，如附图2所示，本实施例中涉及到的频率范围为10MHz-1GHz；本发明实施例中将空间电磁波的传播与线缆上电压波的传播进行统一并用管道(tubes)表示，将空间电磁波的反射与线缆上电压波的反射进行统一并用节点(nodes)表示，得到表示系统电磁能量流动情况的信号流图；
如图3所示为本发明实施例中反映系统电磁能量流动情况的信号流示意图。其中，管道1(Tube 1)表示电压波在线缆上传播；管道2(Tube 2)表示点源(Source)辐射的电磁波在散射体和无限大屏蔽层上小孔之间的传播；管道3(Tube 3)表示透过小孔的电磁波在无限大屏蔽层与线缆之间传播；节点1(Node 1)和节点2(Node 2)表示线缆上的负载电阻，线缆上的电压波在这两个节点处被反射；节点3(Node 3)表示散射体，空间电磁波在此处被反射，如果没有散射体存在，则该处没有反射；节点4(Node 4)表示无限大屏蔽层上的小孔，屏蔽层两侧的空间电磁波在此处被反射；节点5(Node 5)表示线缆，为场线耦合节点，屏蔽层右侧的电磁波可以通过此节点耦合到线缆上，形成电压波，线缆上的交变电流也可通过此节点产生辐射电磁波。
由节点1传向节点2的电压波在节点1处记为在节点2处记为由节点2传向节点1的电压波在节点1处记为在节点2处记为由节点3传向节点4的电场波在节点3处记为在节点4处记为由节点4传向节点3的电压波在节点3处记为在节点4处记为由节点4传向节点5的电场波在节点4处记为在节点5处记为由节点5传向节点4的电压波在节点4处记为在节点5处记为
S2、根据电磁场理论和传输线理论结合系统信号流图，得到各信号管道上的传播方程，通过对所有信号管道上的传播方程进行整合，得到系统的传播方程；以下以散射体不存在为例进行计算：
其中，γ为线缆的传播常数，k为真空中的波数，L为线缆长度，a3为点源同一侧散射体的尺寸(若无散射体，则等于零)，a4为孔的直径，a5为线缆的长度，Z0为真空中的波阻抗，Zc为线缆的特性阻抗，F1和F2为场线耦合因子，S1和S2表示点源的辐射因子，F1、F2、S1、S2的表达式分别为：
S1＝-jωμ0Idlsin2(ψ1)/4π
S2＝-jωμ0Idlsin2(ψ2)/4π
其中，j为虚数单位，ω为角频率，μ0为真空的磁导率，Idl为电偶极矩，d为线缆间距，r0,r1,r2,rL,ψ0,ψ1,ψ2,ψL,ψS描述点源、孔、散射体、线缆之间的相对位置(如附图2所示)。
S3、根据电磁场理论结合系统信号流图，得到各节点处的散射方程，通过对所有节点处的散射方程进行整合，得到系统的散射方程；
其中，为节点1、2、3、5的散射参数，为节点4的散射参数，的计算公式为：
其中，ZL1和ZL2为线缆两端负载的电阻值。当节点为散射体时，该节点处的散射系数根据散射体处的散射场与入射场计算，如果不存在散射体，则该节点的散射系数为零。
小孔节点的散射参数在时的计算公式具体为：
其中，Γ(·)为伽马函数，go的计算公式具体为：
线缆节点的散射参数的计算公式具体为：
其中，c为真空中的光速，Ω0的表达式为：
Ω0＝2ln(L/a)
针对节点为无限大屏蔽层上的小孔时，该节点处的散射系数求解具体为：根据小孔处电场计算该小孔的等效磁流元，根据镜像原理计算磁流元在无线大屏蔽层另一侧的辐射电场，得到小孔的散射参数；
S4、根据步骤S2系统的传播方程以及步骤S3系统的散射方程，得到系统的扩展BLT方程；联合系统的传播方程和散射方程，综合得到系统的扩展BLT方程具体表示为：
S5、通过对步骤S4得到的BLT方程进行求解，得到线缆负载处的干扰电压。
对扩展BLT方程进行求解，可以得到线缆负载处的电压分别为：
其中，A与B无具体的物理含义，为便于计算引入的中间参数，A与B的具体表达式为：
下面以具体实施例对本发明的点源辐射场对带孔无限大屏蔽层另一侧线缆干扰强度的计算方法作进一步说明。无限大屏蔽层左侧无散射体，则r0,r2,ψ0,ψ2无需定义，此时，小孔处的散射参数可以解析地计算出来，设置如表1所示相应参数。
表1线缆、孔、点源的几何参数及它们之间相对位置参数
| 变量 | L(mm) | d(mm) | r1(mm) | rL(mm) | a4(mm) | ψ1(°) | ψS(°) | ψL(°) |
| 值 | 1000 | 10 | 10000 | 3000 | 10 | 90 | 90 | 90 |
如图4所示，为本发明实施例中对符合表1中参数的点源辐射场对带孔无限大屏蔽层另一侧线缆干扰强度的计算结果(如图中的BLT所示虚线表示的曲线)和仿真结果(如图中的FEKO所示实线表示的曲线)的比较示意图，可见计算结果与仿真结果吻合良好；图4中的横坐标Frequency表示频率，单位为GHz，纵坐标abs表示线缆负载处电流的绝对值，单位为pA(皮安)。在一般配置的计算机上，本发明方法可在一分钟内完成对实施例的计算求解，而FEKO仿真则需要数个小时，可见本发明方法的计算效率非常高。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，其特征在于，包括：
S1、将电压波传播通道与空间电磁场传播通道作为信号管道，将具有能量反射的位置作为节点建立系统信号流图；
S2、根据电磁场理论和传输线理论结合系统信号流图，得到各信号管道上的传播方程，通过对所有信号管道上的传播方程进行整合，得到系统的传播方程；
S3、根据电磁场理论结合系统信号流图，得到各节点处的散射方程，通过对所有节点处的散射方程进行整合，得到系统的散射方程；
针对节点为无限大屏蔽层上的小孔时，该节点处的散射系数求解具体为：根据小孔处电场计算该小孔的等效磁流元，根据镜像原理计算磁流元在无线大屏蔽层另一侧的辐射电场，得到小孔的散射参数；
S4、根据步骤S2系统的传播方程以及步骤S3系统的散射方程，得到系统的扩展BLT方程；
S5、通过对步骤S4得到的BLT方程进行求解，得到线缆负载处的干扰电压。
2.根据权利要求1所述的点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，其特征在于，所述节点还包括：散射体、线缆以及线缆上的负载。
3.根据权利要求1所述的点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，其特征在于，所述电压波传播通道为电压波在线缆上的传播通道。
4.根据权利要求3所述的点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，其特征在于，所述空间电磁场传播通道包括：点源辐射的电磁波在散射体和无限大屏蔽层上小孔之间的传播通道、透过小孔的电磁波在无限大屏蔽层与线缆之间的传播通道。
5.根据权利要求4所述的点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，其特征在于，当节点为线缆时，该节点处的散射系数求解具体为：基于Hallen积分方程计算其天线模式电流，得到该节点处的散射参数。
6.根据权利要求5所述的点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，其特征在于，当节点为线缆上的负载电阻时，该节点处的散射系数根据负载的电阻值以及线缆的特性阻抗计算。
7.根据权利要求6所述的点源辐射场对带孔无限大屏蔽层内线缆干扰的计算方法，其特征在于，当节点为散射体时，该节点处的散射系数根据散射体处的散射场与入射场计算。
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