CN117556750A

CN117556750A - 导线间电磁耦合的快速计算方法、装置、电子设备及介质

Info

Publication number: CN117556750A
Application number: CN202311381019.0A
Authority: CN
Inventors: 江帆; 陈璐露; 叶亮华; 田欣欣; 李健凤; 吴多龙
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2023-10-24
Filing date: 2023-10-24
Publication date: 2024-02-13
Anticipated expiration: 2043-10-24
Also published as: CN117556750B

Abstract

本发明公开了一种导线间电磁耦合的快速计算方法、装置、电子设备及介质，所述方法包括：构建多导线的分布式参数模型，所述分布式参数模型由自感、互感、自电容和互电容组成；提取分布式参数模型的相关电气参数，所述相关电气参数包括所有导线的磁通量、自感量、互感量和电流；根据分布式参数模型的相关电气参数，计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流。本发明在多导线环境中考虑相邻导线影响，将导线间电磁耦合的耦合变化值作为导线电磁兼容性设计时的余量值，从而简化基于双导线模型的评估和设计。

Description

导线间电磁耦合的快速计算方法、装置、电子设备及介质

技术领域

本发明涉及一种导线间电磁耦合的快速计算方法、装置、电子设备及介质，属于电子系统设计技术领域。

背景技术

在复杂的电子系统中，考虑电磁耦合效应的建模是电磁兼容性分析中具有挑战性的一个方面。大量的研究和工程经验表明，导线产生的电磁干扰往往会妨碍系统满足设计规格。因此，研究导线的电磁耦合不仅对电子系统设计至关重要，而且在分析电磁兼容性能方面发挥着关键作用。

因为数字模型通常简化了真实世界的场景，所以有研究纳入了空间的任意弯曲或考虑不确定的导线位置以此来增加模拟精度。然而，邻近导线也会对建模精度产生影响，在处理大量导线时，导线建模就会变得更加复杂和具有挑战性。等效导线束法(ECBM)被提出简化导线束，并扩展到了接地平面、圆柱形空腔和正交接地平面等各种情况。但是，ECBM需要了解每根导线的负载值，而要在所有导线保持工作状态的情况下获得负载值是极具困难的。在工程设计中，有效评估其他导线的影响又是非常有必要的，因此，利用N根导线系统的耦合模型推导出的计算公式，考虑了其他相邻导线参数对两根导线之间耦合的影响，可以提供导线电磁兼容性设计时的余量值，从而与全电磁仿真一起有效评估导线耦合。

综上所述，目前大多是采用等效导线束法(ECBM)简化导线束，缺点是难以在所有导线保持工作状态的情况下获取导线的负载值；因此，需要提供一种导线间电磁耦合的快速计算方法，从而简化基于双导线模型的评估和设计。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种导线间电磁耦合的快速计算方法、装置、电子设备及存储介质，其在多导线环境中考虑相邻导线影响，将导线间电磁耦合的耦合变化值作为导线电磁兼容性设计时的余量值，从而简化基于双导线模型的评估和设计。

本发明的第一个目的在于提供一种导线间电磁耦合的快速计算方法。

本发明的第二个目的在于提供一种导线间电磁耦合的快速计算装置。

本发明的第三个目的在于提供一种电子设备。

本发明的第四个目的在于提供一种存储介质。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种导线间电磁耦合的快速计算方法，所述方法包括：

构建多导线的分布式参数模型，所述分布式参数模型由自感、互感、自电容和互电容组成；

提取分布式参数模型的相关电气参数，所述相关电气参数包括所有导线的磁通量、自感量、互感量和电流；

根据分布式参数模型的相关电气参数，计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，从而得到耦合变化值。

进一步的，所述提取分布式参数模型的相关电气参数，包括：

从多导线的横截面几何参数模型中提取分布式参数模型的相关电气参数。

进一步的，所述根据分布式参数模型的相关电气参数，计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，从而得到耦合变化值，包括：

根据分布式参数模型的相关电气参数，通过分析N导线模型，得到导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流函数，以计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，所述N导线模型包括一根最强动力导线、一根最敏感导线和N-2根相邻导线；

将最敏感导线的耦合电流最大值减去耦合电流最小值，得到耦合变化值。

进一步的，所述导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流函数，如下式：

其中，下标d、s、n∈{1，2，…，(N-2)}分别表示最强动力导线、最敏感导线和其他相邻导线；φ_d、φ_s、φ_n分别表示最强动力导线、最敏感导线和其他相邻导线上的磁通量；i_d、i_s、i_n分别表示最强动力导线、最敏感导线和其他相邻导线上的电流；L_ii和L_ij(i，j∈{d，s})或者L_ii和L_ij(i＝n，j∈{d，s，n})表示各自导线上的自电感和互电感。

进一步的，所述导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流函数推导过程如下：

使分布式参数模型中所有导线的磁通量、自感量、互感量和电流满足以下条件：

假设最强动力导线收到电流i_d的激励，根据基尔霍夫电压定律，在频域内，使最敏感导线和其他所有相邻导线的耦合电流满足：

其中，0是一个(N-2)×1的零矩阵，若对(N-2)根相邻导线按升序由3至N进行编号，那么R_n＝diag([R₃，R₄，...，R_N])，R_j(j∈{3，4，...，N})表示编号为j的相邻导线的接地负载；

从而推导出导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流函数。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种导线间电磁耦合的快速计算装置，所述装置包括：

构建模块，用于构建多导线的分布式参数模型，所述分布式参数模型由自感、互感、自电容和互电容组成；

提取模块，用于提取分布式参数模型的相关电气参数，所述相关电气参数包括所有导线的磁通量、自感量、互感量和电流；

计算模块，用于根据分布式参数模型的相关电气参数，计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，从而得到耦合变化值。

进一步的，所述提取模块中，提取分布式参数模型的相关电气参数，包括：

进一步的，所述计算模块中，根据分布式参数模型的相关电气参数，计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，从而得到耦合变化值，包括：

将最敏感导线上的耦合电流最大值减去耦合电流最小值，得到耦合变化值。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种电子设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的快速计算方法。

本发明的第四个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的快速计算方法。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

其一，本发明在多导线环境中考虑相邻导线影响，通过计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，得到耦合变化值，将该耦合变化值作为导线电磁兼容性设计时的余量值，从而简化基于双导线模型的评估和设计。其二，本发明所提出的快速计算方法在Matlab中的运行时间不超过一秒，比进行一次完整的电磁仿真要快得多。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的应用背景图。

图2为本发明实施例1的导线间电磁耦合的快速计算方法的流程图。

图3为本发明实施例1的多导线的分布式参数模型的示意图。

图4为本发明实施例1的N导线模型示意图。

图5为本发明实施例1的四条导线情形的横截面图。

图6为本发明实施例1的公式计算结果与CST模拟仿真结果的比对图。

图7a～图7d为本发明实施例1的相邻导线位于耦合导线中间时的横截面图和频率与耦合电流的关系图。

图8a～图8d为本发明实施例1的相邻导线位于耦合导线左外侧时的横截面图和频率与耦合电流的关系图。

图9a～图9d为本发明实施例1的相邻导线位于耦合导线右外侧时的横截面图和频率与耦合电流的关系图。

图10a～图10c为本发明实施例1的相邻导线不同参数时特定频率下耦合电流的比对图。

图11为本发明实施例2的导线间电磁耦合的快速计算装置的结构框图。

图12为本发明实施例3的电子设备的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，为本实施例的应用场景，由该图可以看出，数百根长达数百公里的导线被捆绑在狭小的空间中，它们连接着各种电机和传感器；在本实施例中，定义最强动力导线连接最强电机，而最敏感导线连接抗干扰能力弱的传感器，其余导线均为相邻导线。

如图2所示，本实施例提供了一种导线间电磁耦合的快速计算方法，该方法包括以下步骤：

S201、构建多导线的分布式参数模型。

S202、提取分布式参数模型的相关电气参数。

如图3所示，为多导线(多导体无损传输线)的分布式参数模型，该分布式参数模型由自感、互感、自电容、互电容以及各导线的接地负载组成，因此在进行高效的仿真过程中，有必要从多导线的横截面几何参数模型中提取电路模型的相关电气参数，相关电气参数包括所有导线的磁通量、自感量、互感量和电流。

S203、根据分布式参数模型的相关电气参数，计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，从而得到耦合变化值。

具体地，根据分布式参数模型的相关电气参数，通过分析N导线模型，得到导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流函数，以计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，将耦合电流最大值减去耦合电流最小值，得到耦合变化值。

本实施例的N导线模型如图4所示，假设有一根最强动力导线、一根最敏感导线和N-2根相邻导线，其中标号1和标号2的导线分别为最强动力导线和最敏感导线，其余导线为相邻导线，分布式参数模型中所有导线的磁通量、自感量、互感量和电流满足以下条件：

其中，下标d，s，n∈{1，2，…，(N-2)}分别表示最强动力导线、最敏感导线和其他相邻导线；φ_d、φ_s、φ_n分别表示最强动力导线、最敏感导线和其他相邻导线上的磁通量；i_d、i_s、i_n分别表示最强动力导线、最敏感导线和其他相邻导线上的电流；L_ii和L_ij(i，j∈{d，s})或者L_ii和L_ij(i＝n，j∈{d，s，n})表示各自导线上的自电感和互电感；需要注意的是，φ_n、i_n、L_nd和L_ns是(N-2)×1的矩阵，L_nn是一个(N-2)×(N-2)的矩阵。

假设最强动力导线受到电流i_d的激励，根据基尔霍夫电压定律，在频域内，受害导线和其他所有相邻导线的耦合电流满足：

在该公式中，0是一个(N-2)×1的零矩阵，若对(N-2)根相邻导线按升序由3至N进行编号，那么R_n＝diag([R₃，R₄，...，R_N])，其中，R_j(j∈{3，4，...，N})表示编号为j的相邻导线的接地负载。并且根据公式(1)和(2)，可以推导出：

通过公式(3)，可以看出耦合电流i_s是L_ns、L_nd、L_nn和R_n的函数，因此最强动力导线与最敏感导线之间的耦合会受到相邻导线参数的影响，公式(3)即为导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流函数。

本实施例通过选定导线模型，利用CST工作室对特定情况进行仿真模拟，将模拟结果与耦合电流函数公式计算的结果进行比对，验证公式的可行性，具体过程如下：

采用四条导线的模型，即利用一根最强动力导线、一根最敏感导线和两根相邻导线进行验证。如图5所示，是四条导线情形下的横截面图，其中导线1为最强动力导线且受到1A的电流激励，导线2为最敏感导线。在模拟过程中，导线1和导线2有关的参数是固定的，因此，横截面半径设置为r₁＝r₂＝1mm，距地高度分别设置为h₁＝20mm、h₂＝10mm，导线1与导线2的水平距离设置为x₂＝50mm，它们的终端负载分别设置为R₁＝R₂＝1Ω。然而，导线3和导线4的参数则是变量，通过改变导线3和导线4的相关参数，可以得到不同情况下的导线2上的耦合电流i₂。

进一步地，本实施例分析了两种具体情况，一种情况是x₃＝10mm，h₃＝20mm，R₃＝1Ω，x₄＝90mm，h₄＝10mm，R₄＝1Ω；另一种情况是x₃＝25mm，h₃＝5mm，R₃＝50Ω，x₄＝60mm，h₄＝5mm，R₄＝50Ω。

如图6所示，是两种情况下分别利用公式计算和CST工作室仿真得到的结果，其中，用两条不同的粗线表示由公式计算得到的耦合电流i₂，用另两条不同的细线表示由CST模拟仿真得到的耦合电流i₂；可以看到，两种情况下曲线几乎相互重叠，证明了公式的准确性。

本实施例选定导线模型，对比不同情况下，相邻导线参数对耦合电流的影响，从而得到相邻导线影响耦合电流的参数及结论，具体过程如下：

采用了3条导线模型，因为该模型拥有最少的参数，而且更多相邻导线的情况也与之类似；此时，导线1和导线2仍然作为最强动力导线和最敏感导线，那么在该模型中导线3就成为了唯一的相邻导线，此时公式(1)可以写成：

公式(2)可以写成：

同理，导线2和导线3的电流可以表达为：

若要明确求解矩阵的逆，则i₂和i₃可以表示为：

特别地，若相邻导线对导线1和导线2之间的相互耦合不造成影响，例如导线3位于无穷远处或者导线3的终端开路，那么此时导线2的耦合电流i₂可以根据公式(7)简化为

由公式(9)可以看出，耦合电流i₂与导线1和导线2的参数有关。在低频段内，jωL₂₂可以忽略不计，此时曲线的斜率约为L₂₁/R₂；在高频段内，R₂可以忽略不计，此时曲线趋于恒定值L₂₁/L₂₂。

由于导线3的位置会对导线1和导线2间的相互耦合造成影响，图7a～图7d、图8a～图8d、图9a～图9d分别表示了导线3位于不同位置时的横截面图和频率与耦合电流i₂的关系。

如图7a所示，是导线3位于导线1和导线2中间时的横截面图。如图7b～图7d所示，选取了参数x₃∈{10，25，40}mm，h₃∈{5，10，20}mm，R₃∈{1，10，50}Ω，表示了导线3位于导线1和导线2之间时频率与耦合电流i₂的关系。

如图8a所示，是导线3位于导线1左外侧时的横截面图。如图8b～图8d所示，选取了参数x₃∈{-10，-25，-40}mm，h₃∈{5，10，20}mm，R₃∈{1，10，50}Ω，表示了导线3位于导线1左边时频率与耦合电流i₂的关系。

如图9a所示，是导线3位于导线2右外侧时的横截面图。如图9b～图9d所示，选取了参数x₃∈{60，75，90}mm，h₃∈{5，10，20}mm，R₃∈{1，10，50}Ω，表示了导线3位于导线2右边时频率与耦合电流i₂的关系。

由图7b～图7d、图8b～图8d、图9b～图9d可以看出，在低于0.1MHz的频段内，耦合到导线2的电流几乎与频率成正比，随着频率的增加，曲线逐渐趋近于一个常数，该结果也与公式(9)保持一致。

进一步地，选取了导线3不同参数时频率为0.1MHz的耦合电流i₂，如图10a～图10c所示，可以得到，无论导线3的位置参数如何变化，耦合电流i₂总会随着h₃的增加而减少。同时，从图10a～图10c还能看出，当导线3具有较小的负载电阻R₃时，导线2的耦合电流就会相应减少。

更进一步地，导线3位于导线1和导线2中间，其参数为x₃＝25mm，h₃＝5mm，R₃＝50Ω时，耦合电流i₂获得最大值0.0436A；其参数为x₃＝10mm，h₃＝20mm，R₃＝1Ω时，耦合电流i₂获得最小值0.0215A，最大与最小的差值约为6.1dB；导线3位于导线1左边，其参数为x₃＝-40mm，h₃＝5mm，R₃＝50Ω时，耦合电流i₂获得最大值0.0432A；其参数为x₃＝-10mm，h₃＝20mm，R₃＝1Ω时，耦合电流i₂获得最小值0.0316A，最大与最小的差值约为2.7dB；导线3位于导线2右边，其参数为x₃＝90mm，h₃＝5mm，R₃＝50Ω时，耦合电流i₂获得最大值0.0431A；其参数为x₃＝60mm，h₃＝20mm，R₃＝1Ω时，耦合电流i₂获得最小值0.0322A，最大与最小的差值约为2.5dB。

综上所述，如果相邻导线远离耦合导线、靠近地平面且负载电阻较大，则其对导线间相互耦合的影响可以忽略不计。但是，如果相邻导线靠近耦合导线、位于地平面上方较高且负载电阻较小，则会影响导线之间的耦合。当相邻导线位于两根耦合导线之间，它们之间的耦合变化可达6.1dB。当相邻导线位于耦合导线的左外侧或右外侧时，耦合变化则分别为2.7dB和2.5dB。总体而言，虽然相邻导线对导线之间的耦合有影响，但并不显著；因此，在导线电磁兼容设计时，可将这些值作为余量添加到设计规格中，从而简化基于双导线模型的评估和设计。

应当注意，尽管以特定顺序描述了上述实施例的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

实施例2：

如图11所示，本实施例提供了一种导线间电磁耦合的快速计算装置，该装置包括构建模块1101、提取模块1102和计算模块1103，各个模块的具体功能如下：

构建模块1101，用于构建多导线的分布式参数模型，所述分布式参数模型由自感、互感、自电容和互电容组成。

提取模块1102，用于提取分布式参数模型的相关电气参数，所述相关电气参数包括所有导线的磁通量、自感量、互感量和电流。

计算模块1103，用于根据分布式参数模型的相关电气参数，计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，从而得到耦合变化值。

上述各个模块的具体实现参见上述实施例1；需要说明的是，本实施例提供的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

实施例3：

本实施例提供了一种电子设备，如图12所示，其包括通过装置总线1201连接的处理器1202、存储器、输入装置1203、显示装置1204和网络接口1205，该处理器用于提供计算和控制能力，该存储器包括非易失性存储介质1206和内存储器1207，该非易失性存储介质1206存储有操作装置、计算机程序和数据库，该内存储器1207为非易失性存储介质中的操作装置和计算机程序的运行提供环境，处理器1202执行存储器存储的计算机程序时，实现上述实施例1的导线间电磁耦合的快速计算方法，如下：

实施例4：

本实施例提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例1的导线间电磁耦合的快速计算方法，如下：

需要说明的是，本实施例的计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的装置、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行装置、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读存储介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行装置、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读存储介质上包含的计算机程序可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。

上述计算机可读存储介质可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本实施例的计算机程序，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言-诸如Java、Python、C++，还包括常规的过程式程序设计语言-诸如C语言或类似的程序设计语言。程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims

1.一种导线间电磁耦合的快速计算方法，其特征在于，所述方法包括：

构建多导线的分布式参数模型，所述分布式参数模型由自感、互感、自电容、互电容和接地负载组成；

2.根据权利要求3所述的快速计算方法，其特征在于，所述提取分布式参数模型的相关电气参数，包括：

3.根据权利要求1所述的快速计算方法，其特征在于，所述根据分布式参数模型的相关电气参数，计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，从而得到耦合变化值，包括：

将最敏感导线耦合电流最大值减去耦合电流最小值，得到耦合变化值。

4.根据权利要求3所述的快速计算方法，其特征在于，所述导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流函数，如下式：

5.根据权利要求4所述的快速计算方法，其特征在于，所述导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流函数推导过程如下：

假设最强动力导线受到电流i_d的激励，根据基尔霍夫电压定律，在频域内，使最敏感导线和其他所有相邻导线的耦合电流满足：

从而推导出导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流函数。

6.一种导线间电磁耦合的快速计算装置，其特征在于，所述装置包括：

7.根据权利要求6所述的快速计算装置，其特征在于，所述提取模块中，提取分布式参数模型的相关电气参数，包括：

8.根据权利要求6所述的快速计算装置，其特征在于，所述计算模块中，根据分布式参数模型的相关电气参数，计算导线间相互电磁耦合时产生的耦合电流，从而得到耦合变化值，包括：

将耦合电流最大值减去耦合电流最小值，得到耦合变化值。

9.一种电子设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1-5任一项所述的快速计算方法。

10.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1-5任一项所述的快速计算方法。