CN101667216A - 基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的*** - Google Patents

基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的*** Download PDF

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CN101667216A CN200910093472A CN200910093472A CN101667216A CN 101667216 A CN101667216 A CN 101667216A CN 200910093472 A CN200910093472 A CN 200910093472A CN 200910093472 A CN200910093472 A CN 200910093472A CN 101667216 A CN101667216 A CN 101667216A
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Abstract

本发明公开了一种基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，该***包括有一计算机和存储在计算机内的平行线缆间串扰模块，该平行线缆间串扰模块是根据部分元等效电路理论在计算机中应用VC++6.0编写的。参数录入与构形单元依据构形参数获得线缆和金属板的线缆构形图；SPICE电路建模单元根据线缆构形图采用部分元等效电路理论转换处理获得SPICE电路；干扰强度分析单元依据在SPICE电路上加载激励源和负载，从而得出平行线缆的近端设备和远端设备的串扰耦合干扰的强度。本发明采用部分元等效电路理论对线缆间的串扰进行分析，可准确而有效地计算线缆间的耦合电感和耦合电容，并获得线缆间的串扰强度。

Description

基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***
技术领域
本发明涉及一种计算多条线缆间的串扰，更特别地说，是指一种基于部分元等效电路理论对安装在金属板上方的线缆间的串扰进行计算，该计算获得的干扰强度能够为产品使用中的线缆布局和电磁防护提供依据。
背景技术
线缆在设备间短距离通信中有很广泛的应用，如图1所示，在一金属板1上安装有多个设备，这多个设备之间采用线缆实现通信。即A设备21与B设备22之间采用A线缆11实现通信；C设备23与D设备24之间采用B线缆12实现通信；E设备25与F设备26之间采用C线缆13实现通信；但是由于线缆间互感和互容的存在使得串扰现象不可避免。且随着技术的发展，线缆的密度越来越大使串扰现象更显著，成为电磁传导干扰的主要因素。
串扰是电子***中最难解决的问题之一。在电子设计工程中几乎无一例外的都会遇到无意干扰信号的有害影响。为了能够降低串扰的影响，首先需要有效而准确地对线缆间的耦合电感和耦合电容进行建模分析计算，而这并非易事。
发明内容
为了计算安装在金属板上方的线缆间的串扰干扰，本发明提出一种基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***。该***根据部分元等效电路理论在PC机中应用VC++6.0编写了参数录入与构形单元、SPICE电路建模单元和干扰强度分析单元。本发明采用部分元等效电路理论对线缆间的串扰进行分析，可准确而有效地计算线缆间的耦合电感和耦合电容，并获得线缆间的串扰强度。
本发明是一种基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，该***包括有一计算机，以及存储在计算机中的平行线缆间串扰模块；
所述的平行线缆间串扰模块由参数录入与构形单元(101)、SPICE电路建模单元(102)和干扰强度分析单元(103)组成；
参数录入与构形单元(101)根据参数录入界面记录的构形参数，以及线缆和金属板的相对坐标关系得到线缆构形图；所述的构形参数包括有单根线缆参数C＝{L，D，σ，H}和金属板参数W＝{WL，WW，WT，Wσ}，L表示单根线缆的长度；D表示单根线缆的直径；σ表示单根线缆所选加工材料的电导率；H表示线缆距离金属板的高度；WL表示金属板的长度；WW表示金属板的宽度；WT表示金属板的厚度；Wσ表示金属板所选加工材料的电导率；
SPICE电路建模单元(102)根据参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形图，采用部分元等效电路理论进行转换处理获得SPICE电路；
干扰强度分析单元(103)采用SPICE电路分析软件对SPICE电路建模单元(102)输出的SPICE电路上加载激励源和负载进行时域或频域的分析，从而得出平行线缆的近端设备和远端设备的串扰耦合干扰强度。
所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***中，应用部分元等效电路理论转换处理包括有下列执行步骤：
第一步，离散线缆构形图
SPICE电路建模单元(102)对接收到的参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形图进行离散处理，获得离散线缆构形图；
所述的离散处理是通过用户输入的频率值fH在自由空间中所对应的波长的十分之一为依据，对线缆构形图按照部分元等效电路理论进行模型离散化处理；
第二步，获取离散线缆构形图参数值
依据部分元等效理论对离散线缆构形图进行计算，得到剖分体的剖分体电阻、剖分体自电感、剖分体自电容以及离散块之间的剖分体互电感和剖分体互电容参数值；
第一剖分体电阻
Figure A20091009347200061
σ为第一剖分体V的电导率，l为第一剖分体V的长度，aV为第一剖分体V的截面积，且aV＝h·b，h表示第一剖分体V的高度，b表示第一剖分体V的宽度；
第一剖分体自电感
Figure A20091009347200062
μ0为真空中的磁导率，μr为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，aV为第一剖分体的截面积，
Figure A20091009347200071
为空间格林函数
Figure A20091009347200072
在第一剖分体V上的两重积分，
Figure A20091009347200073
为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，dv、dv′为第一剖分体V在空间上的两重积分的变量；
第一截面的自电容
Figure A20091009347200074
ε0为真空中的介电常数，εr为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，aV为第一剖分体V的截面积，
Figure A20091009347200075
为空间格林函数
Figure A20091009347200076
在第一截面上的两重积分，
Figure A20091009347200077
为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，ds、ds′为第一剖分体V上的第一截面的两重积分变量；
第一剖分体V与第二剖分体W的互电感
Figure A20091009347200078
μ0为真空中的磁导率，μr为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，aV为第一剖分体V的截面积，aW为第二剖分体W的截面积，
Figure A20091009347200079
为空间格林函数
Figure A200910093472000710
在第一剖分体V、第二剖分体W上的积分，
Figure A200910093472000711
分别为第一剖分体V与第二剖分体W在空间上的两个矢量位置，dv为第一剖分体V在空间上的积分变量、dw为第二剖分体W在空间上的积分变量；
第一截面与第二截面的互电容ε0为真空中的介电常数，εr为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，aV为第一剖分体V的截面积，aW为第二剖分体W的截面积，
Figure A200910093472000713
为空间格林函数
Figure A200910093472000714
在第一截面与第二截面上的积分，
Figure A200910093472000715
分别为第一截面与第二截面在空间上的两个矢量位置，dv′为第一截面在空间上的积分变量、dw′为第二截面在空间上的积分变量。
第三步，SPICE电路建立
依据线缆的连接关系和参数间的电磁耦合关系，对第一剖分体电阻
Figure A200910093472000716
第一剖分体自电感
Figure A200910093472000717
第一截面的自电容
Figure A20091009347200081
第一剖分体V与第二剖分体W的互电感
Figure A20091009347200082
和第一截面与第二截面的互电容
Figure A20091009347200083
进行有效连接得到SPICE表征的SPICE电路。
本发明的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***的优点在于：
(1)将连接两个设备间的线缆采用部分元等效电路理论等效为SPICE等效电路，从而在时域或频域中都可以对线缆的耦合进行分析。
(2)利用计算机的计算能力与平行线缆间串扰模块的配合，能够实时构建线缆模型，并为设计者提供方便的参数计算。
(3)利用SPICE电路建模单元对接收的线缆构形参数进行部分元等效电路理论转换处理，从而获得由分离元件组成的SPICE电路，该SPICE电路的外端可以方便地添加任意形式的外部连接电路。
(4)干扰强度分析单元将激励源和负载加载在SPICE电路建模单元构建的SPICE电路上，有利于对线缆间的耦合电感和耦合电容进行建模分析计算，从而得出线缆的近端设备处和远端设备处的串扰耦合干扰的强度。
(5)采用部分元等效电路理论计算安装在金属板上方的线缆间串扰耦合的精度高、计算时间短。
附图说明
图1是在金属板上多个设备间的线缆连接简示图。
图2是本发明平行线缆间串扰模块的结构图。
图2A是本发明参数录入与构形单元的界面。
图2B是本发明参数录入与构形单元中当点击添加/更新时线缆坐标录入界面。
图2C是本发明干扰强度分析单元中激励源及负载的参数设置界面。
图3A是本发明SPICE电路建模单元中的第一剖分体V的等效结构图。
图3B是本发明SPICE电路建模单元中的第二剖分体W的等效结构图。
图4是本发明实施例中线缆及金属板的位置简示图。
图5是本发明实施例中线缆的近端串扰结果图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图2、图2A、图2B、图2C所示，本发明是一种基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，该***包括有一计算机和存储在计算机内的平行线缆间串扰模块，该平行线缆间串扰模块由参数录入与构形单元101、SPICE电路建模单元102和干扰强度分析单元103组成；
计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。在本发明中，计算机的最低配置为：主频1.24GB、内存512M、硬盘10GB；计算机的操作***为Windows 2000/2003/XP。
在本发明中，平行线缆间串扰模块采用VC++语言编写(版本号VC++6.0)。
(一)参数录入与构形单元101
参见图2A、图2B所示，参数录入与构形单元101首先通过“参数录入界面”将构形参数记录入计算机的存储器中；然后依据线缆和金属板的相对坐标关系得到在“参数录入界面”左上角显示的图示，该图示称为线缆构形图。
构形参数包括有单根线缆参数C＝{L，D，σ，H}和金属板参数W＝{WL，WW，WT，Wσ}；其中，L表示单根线缆的长度；D表示单根线缆的直径；σ表示单根线缆所选加工材料的电导率；H表示线缆距离金属板的高度；WL表示金属板的长度；WW表示金属板的宽度；WT表示金属板的厚度；Wσ表示金属板所选加工材料的电导率。
金属板的坐标起始点默认为坐标原点，即O(0，0，0)点。点击“线缆参数录入”中的“添加/更新”按钮后会弹出如图2B所示的界面提示输入当前线缆所需的坐标起点。
在本发明中，参数录入与构形单元101将实际的平行线缆与金属板转化输出为实际电路的等效模型。构形所需参数通过“参数录入界面”录入，当参数输入完毕后，参数录入与构形单元101即可输出实际电路的等效模型作为SPICE电路建模单元102的输入量。
(二)SPICE电路建模单元102
在本发明中，SPICE电路建模单元102根据参数录入与构形单元101输出的线缆构形图，采用部分元等效电路理论转换处理获得由分离元件组成SPICE电路(简称为SPICE电路)；
所述的部分元等效电路理论转换处理包括有下列执行步骤：
第一步，离散线缆构形图
SPICE电路建模单元102对接收到的线缆构形图进行离散处理，获得以各个离散块来表达的线缆构形(简称为离散线缆构形图)；
在步骤中，用户需要输入一个的参数，该参数为串扰所需计算的最高频率值fH。
在本发明中，步骤的离散处理是以fH在自由空间中所对应的波长的十分之一为依据，对参数录入与构形单元输出的线缆构形图按照部分元等效电路理论进行模型离散化处理。
第二步，获取离散线缆构形图参数值
参见图3A、图3B所示，依据部分元等效理论对离散线缆构形图进行计算，得到各个离散块(也称为剖分体)的剖分体电阻、剖分体自电感、剖分体自电容以及离散块之间的剖分体互电感和剖分体互电容参数值。
第一剖分体电阻
Figure A20091009347200101
σ为第一剖分体V的电导率，l为第一剖分体V的长度，aV为第一剖分体V的截面积，即ABCD形成的第一截面，且aV＝h·b，h表示第一剖分体V的高度，b表示第一剖分体V的宽度。
第一剖分体自电感μ0为真空中的磁导率，μr为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，aV为第一剖分体的截面积，
Figure A20091009347200103
为空间格林函数
Figure A20091009347200104
在第一剖分体V上的两重积分，为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，dv、dv′为第一剖分体V在空间上的两重积分的变量。
第一截面的自电容ε0为真空中的介电常数，εr为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，aV为第一剖分体V的截面积，
Figure A20091009347200111
为空间格林函数
Figure A20091009347200112
在第一截面上的两重积分，
Figure A20091009347200113
为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，ds、ds′为第一剖分体V上的第一截面的两重积分变量。
在本发明中，第二剖分体W上的EFGH形成的第二截面，第二剖分体W的长度记为j，第二剖分体W的高记为i，第二剖分体W的宽记为k，第二截面的面积aW＝i·k，i表示第二剖分体W的高度，k表示第二剖分体W的宽度。
第一剖分体V与第二剖分体W的互电感
Figure A20091009347200114
μ0为真空中的磁导率，μr为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，aV为第一剖分体V的截面积，aW为第二剖分体W的截面积，
Figure A20091009347200115
为空间格林函数
Figure A20091009347200116
在第一剖分体V、第二剖分体W上的积分，
Figure A20091009347200117
分别为第一剖分体V与第二剖分体W在空间上的两个矢量位置，dv为第一剖分体V在空间上的积分变量、dw为第二剖分体W在空间上的积分变量。
第一截面与第二截面的互电容
Figure A20091009347200118
ε0为真空中的介电常数，εr为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，aV为第一剖分体V的截面积，aW为第二剖分体W的截面积，
Figure A20091009347200119
为空间格林函数
Figure A200910093472001110
在第一截面与第二截面上的积分，
Figure A200910093472001111
分别为第一截面与第二截面在空间上的两个矢量位置，dv′为第一截面在空间上的积分变量、dw′为第二截面在空间上的积分变量。
第三步，SPICE电路建立
根据各个离散元件间的相互关系对其进行连接，得到SPICE电路；依据线缆的连接关系以及参数间的电磁耦合关系，对上述各个部分体参数进行有效连接得到SPICE形式的电路。
(三)干扰强度分析单元103
参见图2C所示，干扰强度分析单元103在接收到的SPICE电路上加载激励源和负载，然后导入SPICE电路分析软件中进行时域或频域的分析从而得出平行线缆的近端设备处和远端设备处的串扰耦合干扰的强度。
在本发明中，加载的激励源有脉冲激励源、正弦激励源或者方波激励源；脉冲激励源中应当包括有低电平、高电平、延时时间、上升沿时间、下降沿时间、脉冲宽度和脉冲周期相关参数。正弦激励源应当包括有幅度和频率相关参数。方波激励源应当包括有幅度、频率和占空比相关参数。
在本发明中，负载是指设备的输入阻抗值。
在本发明中使用的SPICE电路分析软件为ADS2005A。
实施例1：
在铜板(铜板尺寸WL＝1m，WW＝0.5m，WT＝0.5mm，Wσ＝5.8×107S/m)上平行布置两根铜线缆(如图4所示)，A线缆(端口A至端口B)的长度L＝0.3m、直径D＝1mm、电导率σ＝5.8×107S/m、距离金属板高度H＝5mm，B线缆(端口C至端口D)的长度L＝0.3m、直径D＝1mm、电导率σ＝5.8×107S/m、距离金属板高度H＝5mm；A线缆的坐标起点为X＝0.3m、Y＝0.3m，B线缆的坐标起点为X＝0.3m、Y＝0.2m。
根据本发明的平行线缆间串扰模块进行串扰耦合的计算方法，平行线缆及其铜板采用如图4所示的结构。在端口A处添加脉冲信号源，其低电平为0V、高电平为1V、延时时间为0ns、上升时间为400ns、下降时间为400ns、脉冲宽度为1200ns、脉冲周期为4000ns。其它三个端口(端口B、端口C和端口D)添加无源的50Ω负载。
将图4所示电路结构输入到平行线缆间串扰模块得到线缆间近端串扰耦合时域结果如图5所示。从图5中可以看出端口B处的信号波形几乎与输入信号是相同的，端口C处的信号波形就是由串扰耦合产生的。
本发明的一种基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，该***根据部分元等效电路理论在计算机中应用VC++6.0编写了参数录入与构形单元、SPICE电路建模单元和干扰强度分析单元。本发明采用部分元等效电路理论对线缆间的串扰进行分析，可准确而有效地计算线缆间的耦合电感和耦合电容，并获得线缆间的串扰强度。

Claims (8)

1、一种基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，该***包括有一计算机，其特征在于：还包括有平行线缆间串扰模块，该平行线缆间串扰模块存储在计算机中；
所述的平行线缆间串扰模块由参数录入与构形单元(101)、SPICE电路建模单元(102)和干扰强度分析单元(103)组成；
参数录入与构形单元(101)根据参数录入界面记录的构形参数，以及线缆和金属板的相对坐标关系得到线缆构形图；所述的构形参数包括有单根线缆参数C＝{L，D，σ，H}和金属板参数W＝{WL，WW，WT，Wσ}，L表示单根线缆的长度；D表示单根线缆的直径；σ表示单根线缆所选加工材料的电导率；H表示线缆距离金属板的高度；WL表示金属板的长度；WW表示金属板的宽度；WT表示金属板的厚度；Wσ表示金属板所选加工材料的电导率；
SPICE电路建模单元(102)根据参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形图，采用部分元等效电路理论进行转换处理获得SPICE电路；
干扰强度分析单元(103)采用SPICE电路分析软件对SPICE电路建模单元(102)输出的SPICE电路上加载激励源和负载进行时域或频域的分析，从而得出平行线缆的近端设备和远端设备的串扰耦合干扰强度。
2、根据权利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，其特征在于所述的部分元等效电路理论转换处理包括有下列执行步骤：
第一步，离散线缆构形图
SPICE电路建模单元(102)对接收到的参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形图进行离散处理，获得离散线缆构形图；
所述的离散处理是通过用户输入的频率值fH在自由空间中所对应的波长的十分之一为依据，对线缆构形图按照部分元等效电路理论进行模型离散化处理；
第二步，获取离散线缆构形图参数值
依据部分元等效理论对离散线缆构形图进行计算，得到剖分体的剖分体电阻、剖分体自电感、剖分体自电容以及离散块之间的剖分体互电感和剖分体互电容参数值；
第一剖分体电阻
Figure A2009100934720003C1
σ为第一剖分体V的电导率，l为第一剖分体V的长度，aV为第一剖分体V的截面积，且aV＝h·b，h表示第一剖分体V的高度，b表示第一剖分体V的宽度；
第一剖分体自电感
Figure A2009100934720003C2
μ0为真空中的磁导率，μr为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，aV为第一剖分体的截面积，
Figure A2009100934720003C3
为空间格林函数
Figure A2009100934720003C4
在第一剖分体V上的两重积分，为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，dv、dv′为第一剖分体V在空间上的两重积分的变量；
第一截面的自电容
Figure A2009100934720003C6
ε0为真空中的介电常数，εr为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，aV为第一剖分体V的截面积，
Figure A2009100934720003C7
为空间格林函数
Figure A2009100934720003C8
在第一截面上的两重积分，
Figure A2009100934720003C9
为第一剖分体V在空间上的两重积分的矢量位置，ds、ds′为第一剖分体V上的第一截面的两重积分变量；
第一剖分体V与第二剖分体W的互电感
Figure A2009100934720003C10
μ0为真空中的磁导率，μr为介质(金属板或线缆)的相对磁导率，aV为第一剖分体V的截面积，aW为第二剖分体W的截面积，
Figure A2009100934720003C11
为空间格林函数
Figure A2009100934720003C12
在第一剖分体V、第二剖分体W上的积分，分别为第一剖分体V与第二剖分体W在空间上的两个矢量位置，dv为第一剖分体V在空间上的积分变量、dw为第二剖分体W在空间上的积分变量；
第一截面与第二截面的互电容ε0为真空中的介电常数，εr为介质(金属板或线缆)的相对介电常数，aV为第一剖分体V的截面积，aW为第二剖分体W的截面积，
Figure A2009100934720003C15
为空间格林函数
Figure A2009100934720003C16
在第一截面与第二截面上的积分，
Figure A2009100934720003C17
分别为第一截面与第二截面在空间上的两个矢量位置，dv′为第一截面在空间上的积分变量、dw′为第二截面在空间上的积分变量。
第三步，SPICE电路建立
依据线缆的连接关系和参数间的电磁耦合关系，对第一剖分体电阻
Figure A2009100934720004C1
第一剖分体自电感
Figure A2009100934720004C2
第一截面的自电容
Figure A2009100934720004C3
第一剖分体V与第二剖分体W的互电感
Figure A2009100934720004C4
和第一截面与第二截面的互电容进行有效连接得到SPICE表征的SPICE电路。
3、根据权利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，其特征在于：平行线缆间串扰模块采用VC++语言编写，并存储在计算机中。
4、根据权利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，其特征在于：加载在SPICE电路上的激励源有脉冲激励源、正弦激励源或者方波激励源。
5、根据权利要求1或3所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，其特征在于：加载在SPICE电路上的脉冲激励源中应当包括有低电平、高电平、延时时间、上升沿时间、下降沿时间、脉冲宽度和脉冲周期相关参数。
6、根据权利要求1或3所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，其特征在于：加载在SPICE电路上的正弦激励源应当包括有幅度和频率相关参数；方波激励源应当包括有幅度、频率和占空比相关参数。
7、根据权利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，其特征在于：加载在SPICE电路上的负载是指设备的输入阻抗值。
8、根据权利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的***，其特征在于：干扰强度分析单元(103)中采用的SPICE电路分析软件为ADS2005A。
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