CN114818562B - 一种对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法，包括：先对单节Pi型和双节Pi型传输线集总参数等效电路模型的远端串扰响应进行仿真，再通过仿真结果比较，建立三导体传输线集总参数等效电路模型；通过矢量匹配法建立出端接频变负载下的三导体传输线集总参数等效电路模型，分别仿真出因传输线长度、干扰信号脉宽、输入信号幅值以及输入信号初始相位不同时引起的远端串扰强度的变化；设计一个等幅移相电路使输入到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中的信号初始相位始终保持在180°。在不改变幅值的前提下抑制了受扰线上的串扰强度，通过本发明可以更好的分析信号完整性，解决产品设计和研究阶段的电磁兼容问题。
Description
技术领域
本发明涉及电磁兼容技术领域，尤其是一种对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法。
背景技术
在现代电气系统中，多导体传输线作为连接电气、电子设备的重要元件，在系统中占据了重要的地位。随着集成化程度越来越高，多导体传输线的串扰问题也越来越严重，各种信号更容易通过传输线耦合进入电路中，对其端接的电子器件、设备工作状态造成影响。Pspice软件中的传输线模型可以精确的仿真传输线的瞬态过程，但是分析不了参数随频率变化的、非均匀的传输线。然而在实际传输线端接负载中，大多为频变负载(参数随频率变化),比如电力系统中的电机和变压器,电子线路中的ECU单元,集成电路中的某些元件等。对这类元件需测量其频域阻抗或导纳,采用矢量匹配法对阻抗或导纳进行拟合,得到以极点和留数表示的有理函数式,然后以电路来表征这些元件，研究适用于端接频变和非线性负载的传输线等效电路模型，再利用仿真软件Pspice进行仿真分析，能够清晰的观察到串扰强度随着信号源的改变而产生的变化。
目前，传输线等效电路模型的建立，一种是建立了无损多导体传输线的等效电路模型，但并没有分析传输线间的串扰且对其进行抑制，另一种是基于CTL-CTM矩阵进行串扰建模抑制，虽然能较好的抑制因传输线间的相对位置不同引起的串扰但无法抑制由于输入信号源变化引起的串扰，目前该领域中对于传输线等效电路模型的建立研究较多，对于传输线间串扰强度与输入信号之间的关系以及如何抑制该种串扰研究较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决端接频变负载下的传输线间信号的串扰耦合问题，可以较好的降低传输线间串扰强度的对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)先对单节Pi型传输线集总参数等效电路模型和双节Pi型传输线集总参数等效电路模型的远端串扰响应进行仿真，再通过仿真结果比较单节Pi型传输线集总参数等效电路模型、双节Pi型的传输线集总参数等效电路模型的频率适应范围后，选择出双节Pi型的传输线集总参数等效电路模型，基于该双节Pi型的传输线集总参数等效电路模型建立三导体传输线集总参数等效电路模型；
(2)通过矢量匹配法将频变元件的阻抗在S域中拟合后通过有理函数表达式表示，该表达式中的实数极点和复数极点通过电阻、电感、电容、电导电路元件等效；采用有限元数值解法提取传输线的电磁分布参数l和c矩阵，获得传输线线间的耦合电容和电感，建立出三导体传输线集总参数等效电路模型；再将频变负载等效的电路元件与三导体传输线集总参数等效电路模型结合成端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型；将正弦信号作为输入信号，脉冲信号作为干扰信号加载到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中，分别仿真出因传输线长度、干扰信号脉宽、输入信号幅值以及输入信号初始相位不同时引起的远端串扰强度的变化；
(3)对步骤(2)中仿真的结果进行分析后，设计一个等幅移相电路使输入到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中的信号初始相位始终保持在180°以抑制串扰。
在步骤(1)中，所述传输线集总参数等效电路模型的建立采用集总Pi型结构，将一个双导体传输线进行等效，设置该传输线的长度为1m，L＝0.5uH/m，C＝200pF/m，特征阻抗为50Ω，传播速度为1×108m/s,对应的单项时延为10ns，结合上述参数，在相同的电压源的前提下，比较单节Pi型和双节Pi型电路的结构。
在步骤(2)中，所述有理函数表达式的公式如下：
其中，cn为残差，an为极点，d和h为实数,f0(s)＝sh+d；
通过拟合得到的有理函数表达式通过电路元件来表征，其中一对实数极点由一个电阻R1和一个电感L1表示，一对共轭复数极点由一个电阻R0、电感L0、电容C0、电导G0表示。
在步骤(2)中，所述电磁分布参数l和c矩阵分别为：
在步骤(2)中，所述将正弦信号作为输入信号，脉冲信号作为干扰信号加载到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中，分别仿真出因传输线长度、干扰信号脉宽、输入信号幅值以及输入信号初始相位不同时引起的远端串扰强度的变化具体包括以下步骤：
(2a)将正弦激励源作为输入信号，脉冲激励源作为干扰信号加载到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中；
(2b)正弦激励源采用E1(t)＝Asin(2×pi×2×107t+φ)V的正弦信号，脉冲激励源采用低电压0V、高电压10V、脉宽为10ns、延迟时间为10ns周期为80ns的脉冲信号，进行正交实验分析远端串扰的强度变化；
(2c)设置干扰信号脉宽为10ns、20ns、30ns、40ns、50ns，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小；
(2d)选择步骤(2c)中串扰强度较小时的脉宽，将该脉宽固定后，设定传输线的长度为0.2m、0.5m、1m、2m，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小；
(2e)选择步骤(2d)中串扰强度较小时的传输线长度，将该传输线长度固定后，将输入信号幅值设定为10v、40v、70v、100v，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小；
(2f)选择步骤(2e)中串扰强度较小时的输入信号幅值，将该输入信号幅值固定后，将输入信号初始相位设定为0°、90°、180°、270°，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小。
在步骤(3)中，所述等幅移相电路的电路表达式为：
其中，w为角频率，Cs为电容，Rs为可变电阻，该等幅移相电路在0°～180°范围内移相，调整Rs的值使输入到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中的信号初始相位始终保持在180°以降低串扰强度。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明通过对单节Pi型和双节Pi型等效电路比较，在频率20MHz以内，单节Pi型和双节Pi型电路结构仿真出的输入端电压和输出端电压均能与传输线模型仿真结果基本一致，在20MHz后双节型等效电路模型频率适应范围会得到扩展，因此通过比较，在端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型建立时采用双节Pi型集总参数等效电路模型；第二，本发明在仿真时将正弦激励源作为输入信号，脉冲激励作为干扰信号，分别对由干扰信号的脉宽、传输线的长度、输入信号的幅值、输入信号的初始相位所引起的传输线间串扰进行仿真，在传输线长度达到1m时脉冲干扰的影响将会很低，串扰也不会随着脉宽的增大而一直增大，但会随着输入信号幅值增大而不断增大，输入信号的初始相位在180°时串扰强度相对较小；第三，本发明根据仿真结果分析设计了一个等幅移相器，并对其进行验证有效性，可将输入信号进行180°移相，当RsCs＝1.59×10-5时可将输入进行90°移相，该等幅移相网络均可以很好的使相位发生变化但不改变幅值，在不改变幅值的前提下将输出信号相位保持在180°以抑制受扰线上的串扰强度，通过该方法可以更好的分析信号完整性，解决产品设计和研究阶段的电磁兼容问题。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的传输线Pi型集总参数等效电路模型输入端响应图；
图3为本发明的传输线Pi型集总参数等效电路模型输出端响应图；
图4为本发明的矢量拟合的导纳等效电路图；
图5为本发明的端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型图；
图6为本发明的受脉冲干扰信号脉宽影响时的远端串扰响应图；
图7为本发明的受传输线长度不同时影响的远端串扰响应图；
图8为本发明的受输入信号幅值影响时的远端串扰响应图；
图9为本发明的受输入信号初始相位影响时的远端串扰响应图；
图10为本发明的等幅移相电路；
图11为本发明的等幅移相电路移相90°的仿真图；
图12为本发明的等幅移相电路移相180°的仿真图；
图13为本发明的对输入信号初始相位为0°时串扰抑制的仿真图；
图14为本发明的对输入信号初始相位为135°时串扰抑制的仿真图。
具体实施方式
如图1所示，一种对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)先对单节Pi型传输线集总参数等效电路模型和双节Pi型传输线集总参数等效电路模型的远端串扰响应进行仿真，再通过仿真结果比较单节Pi型传输线集总参数等效电路模型、双节Pi型的传输线集总参数等效电路模型的频率适应范围后，选择出双节Pi型的传输线集总参数等效电路模型，基于该双节Pi型的传输线集总参数等效电路模型建立三导体传输线集总参数等效电路模型；
(2)通过矢量匹配法将频变元件的阻抗在S域中拟合后通过有理函数表达式表示，该表达式中的实数极点和复数极点通过电阻、电感、电容、电导电路元件等效；采用有限元数值解法提取传输线的电磁分布参数l和c矩阵，获得传输线线间的耦合电容和电感，建立出三导体传输线集总参数等效电路模型；再将频变负载等效的电路元件与三导体传输线集总参数等效电路模型结合成端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型；将正弦信号作为输入信号，脉冲信号作为干扰信号加载到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中，分别仿真出因传输线长度、干扰信号脉宽、输入信号幅值以及输入信号初始相位不同时引起的远端串扰强度的变化；
(3)对步骤(2)中仿真的结果进行分析后，设计一个等幅移相电路使输入到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中的信号初始相位始终保持在180°以抑制串扰。
在步骤(1)中，所述传输线集总参数等效电路模型的建立采用集总Pi型结构，将一个双导体传输线进行等效，设置该传输线的长度为1m，L＝0.5uH/m，C＝200pF/m，特征阻抗为50Ω，传播速度为1×108m/s,对应的单项时延为10ns，结合上述参数，在相同的电压源的前提下，比较单节Pi型和双节Pi型电路的结构。
在步骤(2)中，所述有理函数表达式的公式如下：
其中，cn为残差，an为极点，d和h为实数,f0(s)＝sh+d；
如图4所示，在电力系统中关于瞬态建模通常很难在时域分析中准确地去应对频率相关的一些效应，这种效应由导电材料中的涡流和电介质中的弛豫现象引起的，主要体现为模型中所使用的电阻、电感和电容矩阵的频域变化。通过拟合得到的有理函数表达式通过电路元件来表征，其中一对实数极点由一个电阻R1和一个电感L1表示，一对共轭复数极点由一个电阻R0、电感L0、电容C0、电导G0表示。
在步骤(2)中，所述电磁分布参数l和c矩阵分别为：
在步骤(2)中，所述将正弦信号作为输入信号，脉冲信号作为干扰信号加载到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中，分别仿真出因传输线长度、干扰信号脉宽、输入信号幅值以及输入信号初始相位不同时引起的远端串扰强度的变化具体包括以下步骤：
(2a)将正弦激励源作为输入信号，脉冲激励源作为干扰信号加载到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中；
(2b)正弦激励源采用E1(t)＝Asin(2×pi×2×107t+φ)V的正弦信号，脉冲激励源采用低电压0V、高电压10V、脉宽为10ns、延迟时间为10ns周期为80ns的脉冲信号，进行正交实验分析远端串扰的强度变化；
(2c)设置干扰信号脉宽为10ns、20ns、30ns、40ns、50ns，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小；
(2d)选择步骤(2c)中串扰强度较小时的脉宽，将该脉宽固定后，设定传输线的长度为0.2m、0.5m、1m、2m，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小；
(2e)选择步骤(2d)中串扰强度较小时的传输线长度，将该传输线长度固定后，将输入信号幅值设定为10v、40v、70v、100v，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小；
(2f)选择步骤(2e)中串扰强度较小时的输入信号幅值，将该输入信号幅值固定后，将输入信号初始相位设定为0°、90°、180°、270°，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小。
在步骤(3)中，所述等幅移相电路的电路表达式为：
其中，w为角频率，Cs为电容，Rs为可变电阻，该等幅移相电路在0°～180°范围内移相，调整Rs的值使输入到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中的信号初始相位始终保持在180°以降低串扰强度。
以下结合图1至14对本发明作进一步说明。
如图2、3所示，传输线集总参数等效电路模型的建立采用集总Pi型结构，通过一个双导体传输线，设置传输线的长度为1m，L＝0.5uH/m,C＝200pF/m,特征阻抗为50Ω，传播速度为1×108m/s,对应的单项时延为10ns，结合参数，在相同的电压源的前提下，比较单节Pi型和双节Pi型电路结构，单节Pi型电路分别测得1、3、5端口电压，双节Pi型分别测得2、4、6端口电压得到输出端电压，得出在频率20MHz以内，单节Pi型和双节Pi型电路结构仿真出的输入端电压和输出端电压均能与传输线模型仿真结果基本一致，在20MHz后双节型等效电路模型频率适应范围会得到扩展。
如图4、5所示，为分析端接频变负载下的三导体传输线线间的串扰强度变化与输入信号之间的关系，先建立出频变负载等效的电路后通过有限元数值解法提取出传输线的电磁分布参数建立出三导体传输线集总参数等效电路模型。将频变负载等效电路与三导体传输线集总参数等效电路模型结合成端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型。
如图6所示，仿真干扰信号脉宽分别为10ns、20ns、30ns、40ns、50ns时端口4的串扰响应，脉宽越大时，串扰的强度越大，且在10MHz时达到最大值，但当脉冲宽度达到40ns和50ns时远端串扰强度基本不再发生变化，串扰幅值达到饱和。
如图7所示，输入传输线的长度分别为0.2m、0.5m、1m、2m时，测端口4的串扰响应，当传输线长度为0.2m和0.5m时，远端串扰响应受到脉冲干扰信号影响较大，而当长度达到1m和2m时，波形基本不受影响，说明在长度大于1m时，脉冲干扰影响将会很低,但串扰强度会变强，因为当传输线越长时，电磁分布参数将会越大，信号传输的延迟将越明显，造成的反射也越严重，导致串扰效应变强。
如图8所示，为了降低干扰信号对传输线的影响且让串扰尽量小，选取传输线长度为1m时，观察正弦输入幅值分别为10v、40v、70v、100v时，远端串扰响应的变化，可以得出幅值Vs越大，远端串扰响应也就越强，当幅值增大时，远端串扰响应也将变强。
如图9所示，最后保持以上三个因素不变测试初相位不同时，远端串扰的响应强度，可以看出初始相位在180°时远端串扰强度最小。
如图10、11、12所示，结合串扰强度抑制进行仿真验证，取V1＝4sin(2×pi×1×104t)，R2＝R3＝75K,Cs＝50u，V2＝V3＝12v进行仿真，当RsCs＝0时，Uo/Ui＝-1,可将输入信号进行180°移相，当RsCs＝1.59×10-5时可将输入进行90°移相，得出该等幅移相网络均可以很好的使相位发生变化但不改变幅值。
如图13、14所示，将该等幅移相电路接入端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型图中，进行串扰抑制仿真，分别仿真出初始相位为0°和135°时经过该等幅移相电路串扰抑制后的结果，结果表明通过该移相电路的作用，可使不同初始相位下的串扰强度均明显下降。
综上所述，在不改变幅值的前提下将输出信号相位保持在180°以抑制受扰线上的串扰强度，通过本发明可以更好的分析信号完整性，解决产品设计和研究阶段的电磁兼容问题。
Claims (6)
1.一种对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
(1)先对单节Pi型传输线集总参数等效电路模型和双节Pi型传输线集总参数等效电路模型的远端串扰响应进行仿真，再通过仿真结果比较单节Pi型传输线集总参数等效电路模型、双节Pi型的传输线集总参数等效电路模型的频率适应范围后，选择出双节Pi型的传输线集总参数等效电路模型，基于该双节Pi型的传输线集总参数等效电路模型建立三导体传输线集总参数等效电路模型；
(2)通过矢量匹配法将频变元件的阻抗在S域中拟合后通过有理函数表达式表示，该表达式中的实数极点和复数极点通过电阻、电感、电容、电导电路元件等效；采用有限元数值解法提取传输线的电磁分布参数l和c矩阵，获得传输线线间的耦合电容和电感，建立出三导体传输线集总参数等效电路模型；再将频变负载等效的电路元件与三导体传输线集总参数等效电路模型结合成端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型；将正弦信号作为输入信号，脉冲信号作为干扰信号加载到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中，分别仿真出因传输线长度、干扰信号脉宽、输入信号幅值以及输入信号初始相位不同时引起的远端串扰强度的变化；
(3)对步骤(2)中仿真的结果进行分析后，设计一个等幅移相电路使输入到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中的信号初始相位始终保持在180°以抑制串扰。
2.根据权利要求1所述的对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述传输线集总参数等效电路模型的建立采用集总Pi型结构，将一个双导体传输线进行等效，设置该传输线的长度为1m，L＝0.5uH/m，C＝200pF/m，特征阻抗为50Ω，传播速度为1×108m/s,对应的单项时延为10ns，结合上述参数，在相同的电压源的前提下，比较单节Pi型和双节Pi型电路的结构。
3.根据权利要求1所述的对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述有理函数表达式的公式如下：
其中，cn为残差，an为极点，d和h为实数,f0(s)＝sh+d；
通过拟合得到的有理函数表达式通过电路元件来表征，其中一对实数极点由一个电阻R1和一个电感L1表示，一对共轭复数极点由一个电阻R0、电感L0、电容C0、电导G0表示。
4.根据权利要求1所述的对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述电磁分布参数l和c矩阵分别为：
5.根据权利要求1所述的对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述将正弦信号作为输入信号，脉冲信号作为干扰信号加载到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中，分别仿真出因传输线长度、干扰信号脉宽、输入信号幅值以及输入信号初始相位不同时引起的远端串扰强度的变化具体包括以下步骤：
(2a)将正弦激励源作为输入信号，脉冲激励源作为干扰信号加载到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中；
(2b)正弦激励源采用E1(t)＝Asin(2×pi×2×107t+φ)V的正弦信号，脉冲激励源采用低电压0V、高电压10V、脉宽为10ns、延迟时间为10ns周期为80ns的脉冲信号，进行正交实验分析远端串扰的强度变化；
(2c)设置干扰信号脉宽为10ns、20ns、30ns、40ns、50ns，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小；
(2d)选择步骤(2c)中串扰强度较小时的脉宽，将该脉宽固定后，设定传输线的长度为0.2m、0.5m、1m、2m，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小；
(2e)选择步骤(2d)中串扰强度较小时的传输线长度，将该传输线长度固定后，将输入信号幅值设定为10v、40v、70v、100v，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小；
(2f)选择步骤(2e)中串扰强度较小时的输入信号幅值，将该输入信号幅值固定后，将输入信号初始相位设定为0°、90°、180°、270°，分别进行远端串扰仿真，比较串扰强度大小。
6.根据权利要求1所述的对端接频变负载下传输线间串扰分析与抑制的方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述等幅移相电路的电路表达式为：
其中，w为角频率，Cs为电容，Rs为可变电阻，该等幅移相电路在0°～180°范围内移相，调整Rs的值使输入到端接频变负载下的三导体传输线等效电路模型中的信号初始相位始终保持在180°以降低串扰强度。
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