專利名稱：一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建模方法，即針對(duì)暴 露在復(fù)雜電磁環(huán)境下的線纜和機(jī)箱建立其等效電路模型的方法。這種方法可以為建立電路 板敏感度的自頂向下的行為級(jí)模型做準(zhǔn)備。屬于電子工程學(xué)的電磁仿真技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4365電磁兼容(EMC)術(shù)語(yǔ)中的闡述，電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng) 在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。 電磁兼容(EMC)包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感度(EMS)兩個(gè)方面。電磁干擾是電磁騷擾 引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。而電磁敏感度是指存在有電磁騷擾的情況下， 設(shè)備或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力。若電磁敏感度高，則抗擾度低，其實(shí)二者是一個(gè)問(wèn) 題的兩個(gè)方面，即從不同角度反映設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力。電磁兼容(EMC)從大到小可 分為系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、電路板級(jí)和芯片級(jí)四個(gè)方面。印制電路板也稱PCB(Printed Circuit Board)板，是電子設(shè)備或系統(tǒng)的基本組成單元，其板級(jí)電磁兼容性在很大程度上決定了系 統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間的電磁兼容性。在板級(jí)電磁兼容仿真分析方面，目前主要做的工作是信號(hào)完整性仿真分析，即如 何設(shè)計(jì)PCB板，使信號(hào)能夠正常無(wú)誤的傳輸，并且使其電磁輻射控制在允許的范圍內(nèi)，但還 沒有對(duì)電路板敏感度進(jìn)行全面的研究。要想求解電路板的電磁兼容敏感度，就需要建立電 路板的干擾源行為級(jí)模型、敏感元器件行為級(jí)模型和干擾通路行為級(jí)模型。行為級(jí)模型是 指元器件在不知道內(nèi)部參數(shù)的情況下所表現(xiàn)出來(lái)的外部特性的等效電路模型。本發(fā)明就是 針對(duì)如何建立電路板電磁兼容敏感度行為級(jí)模型而提出的建立干擾源行為級(jí)等效電路模 型的一種方法。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建 模方法，該方法采用等效電路法對(duì)線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境的條件下建立其等效電路模 型，是電路板級(jí)電磁兼容敏感度量化行為級(jí)分析中建模的一個(gè)組成部分。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建模方法， 該方法具體步驟如下步驟一按照復(fù)雜線纜、機(jī)箱等幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)際大小和擺放位置，在仿真軟件 FEKO中建立它們的物理模型。使用仿真軟件FEK0，其建模方法如下首先用FEKO中的矩形工具畫出機(jī)箱的模型。機(jī)箱的材料選用FEKO中默認(rèn)的良導(dǎo) 體(電阻率很小的材料，如銀、銅、鋁、鎢、鐵、碳、鐵鉻鋁合金、鎳銅合金等)，形狀按機(jī)箱的 實(shí)際形狀在FEKO中畫出，然后按照實(shí)際機(jī)箱的孔縫的位置、大小在剛畫出的機(jī)箱模型上用 摳除工具摳除孔縫，直到得到精確的機(jī)箱模型。其次分析機(jī)箱中的線纜分布情況，考慮線纜
3的粗細(xì)、長(zhǎng)度、位置，用FEKO中的畫線工具畫出，線纜的材料也選用良導(dǎo)體。外界電磁干擾 中的平面波可以用FEKO中的平面波工具加上，平面波的頻率、場(chǎng)強(qiáng)大小、方向等參數(shù)可以 按實(shí)際情況中周圍環(huán)境的電磁場(chǎng)分布情況手動(dòng)設(shè)置。外界的干擾天線可以先在FEKO中畫 出一條直線，直線的一端加上端口，給端口提供電壓源激勵(lì)。天線的長(zhǎng)度和頻率可以根據(jù)周 圍環(huán)境中天線的分布設(shè)置。將復(fù)雜線纜、機(jī)箱等幾何結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)接收天線，它們接收了外界電磁的干擾 后，就可以看成是一個(gè)等效電壓源，這個(gè)等效電壓源包括兩個(gè)部分，等效電壓U和等效內(nèi)阻 r (如圖2虛線框所示)。步驟二 為了求解等效電壓U和等效內(nèi)阻r，需要外接一個(gè)電阻R(如圖2所示)，計(jì) 算出線纜上感應(yīng)出的感應(yīng)電流。在步驟一中的模型上添加一個(gè)回路，在回路中設(shè)置一個(gè)電 阻R(單位Ω)，電阻的阻值可以手動(dòng)設(shè)置。分別設(shè)置電阻的阻值為Rl (單位Ω)和R2(單 位Ω)這兩種情況，應(yīng)用數(shù)值法獲取等效干擾源模型中流過(guò)電阻R的電流分別為11(單位 A)和12(單位八)。步驟三列出等效電路方程，計(jì)算出等效電壓和等效內(nèi)阻。等效電路方程為U =I(r+R)，方程中U為等效電壓的幅值，單位V;r為等效內(nèi)阻，單位Ω ；R為電阻的阻值， 單位Ω。分別列出電阻的阻值為Rl和R2這兩種情況下的等效電路方程，組成方程組
U ^ + S)解方程組可得U(單位V)和r(單位Ω)。由于外界干擾為正弦波，因此
實(shí)際的等效電壓應(yīng)為V = U sin wtlw = 2Jif(f為外界干擾源的頻率，單位Hz 為外界 干擾源的角頻率，單位rad/s)。最后得到線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下的等效干擾源模型 (如圖3所示)。3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建模方法 的優(yōu)點(diǎn)在于(1)解決了線纜和機(jī)箱等效為干擾源的通用建模方法問(wèn)題，干擾源的建模過(guò)程簡(jiǎn) 單，參數(shù)提取容易，不管對(duì)簡(jiǎn)單模型還是復(fù)雜模型都有很好的適應(yīng)性。(2)能夠分析環(huán)境中存在一個(gè)或多個(gè)平面波的情況下，線纜和機(jī)箱的等效源模型 的建模問(wèn)題。(3)首次研究線纜和機(jī)箱存在多個(gè)干擾源情況下，線纜和機(jī)箱的等效源模型的建 模方法；(4)首次建立在復(fù)雜電磁環(huán)境條件下板級(jí)電磁兼容敏感度分析的行為級(jí)干擾源模 型及分析方法；


圖1是本發(fā)明中線纜和機(jī)箱以及外部電磁干擾的模型示意圖。圖2是本發(fā)明中求解線纜和機(jī)箱等效源模型參數(shù)的電路原理圖。圖3是本發(fā)明中線纜和機(jī)箱在外部電磁環(huán)境下的等效干擾源模型示意圖。圖4是本發(fā)明的實(shí)例中線纜和機(jī)箱以及外部電磁干擾的總體模型示意圖。圖5是本發(fā)明的實(shí)例中線纜和機(jī)箱的模型示意圖。圖6是本發(fā)明的實(shí)例中線纜和機(jī)箱在外部電磁環(huán)境下的等效干擾源模型示意圖。
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圖7是本發(fā)明的求解線纜和機(jī)箱在外部電磁環(huán)境下的等效干擾源模型的流程圖。圖中符號(hào)說(shuō)明如下PCB印制電路板；ICl芯片1 ；IC2芯片2 ；R負(fù)載；r等效源的內(nèi)阻；U等效源的等 效電壓；1機(jī)箱；2線纜；3外部電磁干擾。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例子對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建模方法，該方法可以將 線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為行為級(jí)仿真模型，即等效電路模型。有了線纜和機(jī)箱 的等效源模型就可以對(duì)機(jī)箱中的PCB板進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)電路板級(jí)電磁兼容敏感度設(shè)計(jì) 的“事先設(shè)計(jì)”，而不是目前普遍使用的“事后分析”。參見圖1所示，本發(fā)明一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建模方 法，需要用到一臺(tái)可以運(yùn)行FEKO軟件的電腦。該等效干擾源模型包括線纜、機(jī)箱以及外部 的電磁干擾。步驟一按照復(fù)雜線纜、機(jī)箱等幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)際大小和擺放位置，在仿真軟件 FEKO中建立它們的物理模型。建模方法如下首先用FEKO中的矩形工具畫出機(jī)箱的模型。機(jī)箱的材料選用鋁板，形狀按機(jī)箱的 實(shí)際形狀在FEKO中畫出，如果不要求機(jī)箱的厚度，可以用面組成機(jī)箱，如果機(jī)箱的厚度也 要考慮，就需用立方體拼出機(jī)箱的形狀。然后按照實(shí)際機(jī)箱的孔縫的位置、大小在剛畫出的 機(jī)箱模型上用摳除工具摳除孔縫，如果孔縫的大小遠(yuǎn)小于(一般指小于十分之一的外界電 磁干擾的波長(zhǎng))外界電磁干擾的波長(zhǎng)，那么它對(duì)結(jié)果影響會(huì)很小，為了提高仿真效率，可以 不考慮這樣的孔縫(如果計(jì)算機(jī)性能很強(qiáng)，可以建立盡可能精確的模型)。按同樣方法，扣 除其他的小洞，直到得到精確的機(jī)箱模型。其次分析機(jī)箱中的線纜分布情況，考慮線纜的粗 細(xì)、長(zhǎng)度、位置，用FEKO中的畫線工具畫出，線纜的材料選用銅。外界電磁干擾中的平面波 可以用FEKO中的平面波工具加上，平面波的頻率、場(chǎng)強(qiáng)大小、方向等參數(shù)可以按實(shí)際情況 中周圍環(huán)境的電磁場(chǎng)分布情況手動(dòng)設(shè)置。外界的干擾天線可以先在FEKO中畫出一條直線， 直線的一端加上端口，給端口提供電壓源激勵(lì)。天線的長(zhǎng)度和頻率可以根據(jù)周圍環(huán)境中天 線的分布設(shè)置。將復(fù)雜線纜、機(jī)箱等幾何結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)接收天線，它們接收了外界電磁的干擾 后，就變成了 一個(gè)等效電壓源，這個(gè)等效電壓源包括兩個(gè)部分，等效電壓U和等效內(nèi)阻r (如 圖2虛線框所示)。步驟二 為了求解U和r，需要外接上一個(gè)電阻R(如圖2所示)，設(shè)置電阻R的值 分別為Rl和R2這兩種情況，應(yīng)用數(shù)值法獲取等效干擾源模型中流過(guò)電阻R的電流分別為 11(單位A)和12(單位八)。步驟三根據(jù)圖2列方程組· = I認(rèn)方程組中U為等效電壓的幅值，單位
V 為等效內(nèi)阻，單位Ω ；Rl和R2為兩次設(shè)置的電阻的阻值，單位Ω ；Il和12為流過(guò)兩個(gè) 電阻Rl和R2的電流，單位Α。解方程組可得U和r。由于外界干擾為正弦波，因此實(shí)際的 等效電壓源應(yīng)為V = U sin wtlw = 2Jif(f為外界干擾源的頻率，單位Hz ；w為外界干擾源的角頻率，單位rad/s)。最后得到線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下的等效干擾源模型(如圖 3所示)。本發(fā)明將線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源的建模方法，可以獲得線纜 和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境中的等效干擾源模型，從而可以對(duì)機(jī)箱內(nèi)線纜和PCB板的電磁敏感 度進(jìn)行相應(yīng)的分析。線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源的建模方法是電路板級(jí)電磁兼容敏 感度的行為級(jí)建模方法的基礎(chǔ)，有了這個(gè)基礎(chǔ)后將可以在板級(jí)設(shè)計(jì)階段對(duì)敏感元器件處受 到的干擾值進(jìn)行量化表征，對(duì)敏感元器件的抗電磁干擾能力進(jìn)行定量的描述，可以實(shí)現(xiàn)板 級(jí)電磁兼容敏感度的“事先評(píng)估”，以便及早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，為采取預(yù)防措施提供具 體的技術(shù)指標(biāo)，這將對(duì)板級(jí)電磁兼容設(shè)計(jì)具有重大的指導(dǎo)意義。實(shí)施例1 步驟一在仿真軟件FEKO中建立線纜和機(jī)箱的模型，如圖5所示，具體建模方法如 下 首先建立機(jī)箱的模型，機(jī)箱的大小為20cmX IOcmX 10cm，采用單層機(jī)箱，機(jī)箱的材 料為鋁板。用FEKO中畫立方體的工具畫出20cmX IOcmX IOcm的立方體，將立方體的內(nèi)部 設(shè)成空的，用這個(gè)空的立方體來(lái)表示機(jī)箱，在機(jī)箱的右側(cè)有一個(gè)半徑為0. 5cm的圓形小洞， 線纜從小洞中穿過(guò)，小洞的圓心距機(jī)箱后側(cè)和底部的距離都為2cm，在FEKO中所畫機(jī)箱的 相應(yīng)位置畫個(gè)半徑為0. 5cm的圓，用摳除工具從箱體上摳除這個(gè)圓，機(jī)箱的前側(cè)正中開一 個(gè)IOcmX Icm的縫隙，縫隙的上邊緣與機(jī)箱的頂部距離為2cm。在FEKO中相應(yīng)位置畫一個(gè) IOcmX Icm的矩形，用摳除工具從箱體上摳除。其次建立線纜的模型，銅質(zhì)線纜長(zhǎng)度L為30cm+0. 5cm+30cm+0. 5cm，形成一個(gè)回 路，線纜半徑為0. 15cm，線纜深入機(jī)箱內(nèi)的長(zhǎng)度為7cm，深入機(jī)箱內(nèi)線纜的最左端的那一 段線纜的中間部分接一個(gè)電阻R ；線纜的粗細(xì)可在剖分時(shí)設(shè)置，在這里用畫線工具畫出 30cm+0. 5cm+30cm+0. 5cm的回路表示線纜。在線纜的最左端的那段線纜上加端口，給端口上 加上負(fù)載電阻R。步驟二 設(shè)置兩個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度為lV/m，頻率為IOOMHz的平面波入射到機(jī)箱和線纜模 型上。如圖4所示。在球坐標(biāo)下，一個(gè)平面波的入射方向?yàn)棣?= 45β_ = 9—，另一個(gè)平面 波的入射方向?yàn)殄X= = ，兩個(gè)平面波的極化方向都為90°線極化。在機(jī)箱的后側(cè)Im處，設(shè)置一根長(zhǎng)度為1.5米的天線，底部的坐標(biāo)為(_0.2m，-lm)， 天線的激勵(lì)為lV/m，頻率為100MHz。依所構(gòu)建的電路原理圖(如圖2所示)，讓線纜上的負(fù)載R的值分別為Rl = 1000 Ω和R2 = 1500Ω，使用矩量法仿真得到流過(guò)負(fù)載R的電流分別為和。
_3]步驟三掘圖2列方程組鬆漂J S，求解方程組翻 二；工二，由
于兩個(gè)平面波和天線的激勵(lì)的頻率都為100MHz，所以可以得到線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境
下的等效干擾源模型 圖7是本發(fā)明的求解線纜和機(jī)箱在外部電磁環(huán)境下的等效干擾源模型的流程圖。
權(quán)利要求
一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建模方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一按照線纜和機(jī)箱幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)際大小和擺放位置，在仿真軟件FEKO中建立它們的物理模型；首先用FEKO中的矩形工具畫出機(jī)箱的模型，機(jī)箱的材料選用FEKO中默認(rèn)的良導(dǎo)體，形狀按機(jī)箱的實(shí)際形狀在FEKO中畫出，然后按照實(shí)際機(jī)箱的孔縫的位置、大小在剛畫出的機(jī)箱模型上用摳除工具摳除孔縫，直到得到精確的機(jī)箱模型；其次分析機(jī)箱中的線纜分布情況及線纜的粗細(xì)、長(zhǎng)度、位置，用FEKO中的畫線工具畫出，線纜的材料也選用良導(dǎo)體；外界電磁干擾中的平面波用FEKO中的平面波工具加上，平面波的頻率、場(chǎng)強(qiáng)大小、方向參數(shù)按實(shí)際情況中周圍環(huán)境的電磁場(chǎng)分布情況手動(dòng)設(shè)置；外界的干擾天線先在FEKO中畫出一條直線，直線的一端加上端口，給端口提供電壓源激勵(lì)；天線的長(zhǎng)度和頻率可以根據(jù)周圍環(huán)境中天線的分布設(shè)置；將線纜和機(jī)箱幾何結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)接收天線，它們接收了外界電磁的干擾后，就可以看成是一個(gè)等效電壓源，這個(gè)等效電壓源包括兩個(gè)部分，即等效電壓U和等效內(nèi)阻r；步驟二在上述模型上添加一回路并在回路中設(shè)置一個(gè)電阻R，電阻R的阻值可以手動(dòng)設(shè)置，分別設(shè)其阻值為R1和R2，應(yīng)用數(shù)值法獲取等效干擾源模型中流過(guò)電阻R的電流分別為I1和I2；步驟三分別列出電阻R1和R2的等效電路方程，組成方程組解方程組可得U和r；其中，U為等效電壓的幅值，單位V；r為等效內(nèi)阻，單位Ω；R為電阻的阻值，單位Ω；由于外界干擾為正弦波，因此實(shí)際的等效電壓應(yīng)為V＝Usin wtlw＝2πf；其中，f為外界干擾源的頻率，單位Hz；w為外界干擾源的角頻率，單位rad/s，最后得到線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下的等效干擾源模型。FSA00000194032300011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建模方法， 其特征在于步驟一中所述的機(jī)箱、線纜的材料選用的良導(dǎo)體是指電阻率很小的銀、銅、鋁、 鎢、鐵、碳、鐵鉻鋁合金和鎳銅合金。
全文摘要
一種線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下等效為干擾源建模方法，它有三大步驟步驟一按照復(fù)雜線纜、機(jī)箱等幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)際大小和擺放位置，在仿真軟件FEKO中建立它們的物理模型；步驟二在上述模型上添加一回路并在回路中設(shè)置一個(gè)電阻R，分別設(shè)置其阻值為R1和R2，應(yīng)用數(shù)值法獲取等效干擾源模型中流過(guò)電阻R的電流分別為I1和I2；步驟三分別列出電阻R1和R2的等效電路方程，組成方程組解方程組可得U和r，最后得到線纜和機(jī)箱在復(fù)雜電磁環(huán)境下的等效干擾源模型。本發(fā)明是針對(duì)如何建立電路板電磁兼容敏感度行為級(jí)模型而提出的一種等效為干擾源建模方法，它建模過(guò)程簡(jiǎn)單，參數(shù)提取容易，在電磁仿真技術(shù)領(lǐng)域里具有實(shí)用價(jià)值和廣闊地應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101901286SQ201010228629
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者姜英杰, 王剛, 王濤, 車明明, 閻照文, 韓雅靜 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)