CN110531171A - 一种确定线缆串扰临界布线间距的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定线缆串扰临界布线间距的计算方法，涉及电磁兼容技术领域，具体技术方案为：(1)定义串扰随布线间距变化的函数；(2)以布线间距S为自变量，对串扰电压函数进行求导得到K值函数；(3)定义临界点处的K0值；(4)将K0代入K值函数中求解得到临界布线间距值。基于串扰机理，研究了布线参数对串扰的影响，确定了线缆电压源引起的串扰临界布线间距。推导了串扰值与布线间距关系函数，并得到串扰随间距变化规律曲线。根据该函数定义了串扰曲线上的临界点及临界分布间距，分析了线缆长度、对地高度等参数对临界布线间距的影响。通过研究线缆串扰影响规律，直观研究了线缆布线机理，对线缆的排布，根本上减少串扰信号的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及电磁兼容技术领域，更具体地说，它涉及一种确定线缆串扰临界布线间距的计算方法。
背景技术
由于线缆间存在着分布电容和分布电感，使得线上传输的电磁能量通过分布参数耦合到邻近线中，产生电磁干扰，这是串扰产生的本质。因此，研究线缆串扰问题时，分布参数的获取是建立串扰模型的首要步骤。传统的解析方法应用于线缆分布参数计算时，由于线缆周围绝缘层介质的非均匀性，在计算分布参数时线间距需满足宽间隔条件。
对于线缆串扰问题的研究，国外已有许多学者对线缆串扰的机理及其预测提出了许多分析方法，主要包括多导体传输线法、集总参数电路模型和数值计算。C.R.Paul最早将多导体传输线理论应用于EMC研究，分析了线缆串扰耦合机理，给出了线缆低频串扰的预测模型，提出了线缆电感性和电容性耦合的串扰计算方法。除此之外，数值计算是分析实际电子***中线缆串扰问题的常用方法，具体包括时域有限差分法、时域传输线矩阵法、矩量法及有限元法等，并形成了相应的商业软件。
国内对线缆串扰研究起步较晚，主要对实际机电设备遇到的串扰问题进行研究。东南大学蒋元涛从频域角度研究了无耗线束、屏蔽线及线束网络的串扰问题，首先利用矩量法计算了线束的电容参数矩阵，然后采用模量解耦和链参数方法求解串扰方程，最后将BLT方程应用于线束网络串扰模型的建立，并通过仿真和实验验证了方法的正确性。吉林大学安占扬基于遗传算法GA和BP神经网络算法，提出了汽车线束串扰的GA-BP神经网络预测模型，并量化分析了预测模型中线缆长度、对地高度、频率、激励源、绝缘层介质相对介电常数、线缆间距、线缆半径和绝缘层厚度等参数对串扰的影响，取得了良好的预测效果。
综上所述，线缆串扰研究主要集中在计算方法上。虽然已有一些布线规则指导实际线缆的布线，但对于线缆布线机理方面的研究较少，大多采用数值仿真方法定性地给出布线参数对串扰的影响。因此，有必要研究布线参数对线缆串扰的影响规律，为实际线缆布线提供理论指导。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定线缆串扰临界布线间距的计算方法，基于串扰机理，研究了布线参数对串扰的影响规律，确定了线缆电压源引起的串扰临界布线间距。推导了串扰值与布线间距的关系函数，并得到串扰随间距变化规律的曲线。根据该函数定义了串扰曲线上的临界点及临界分布间距，分析了线缆长度、对地高度等参数对临界布线间距的影响。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种确定线缆串扰临界布线间距的计算方法，包括以下步骤：
S1：定义串扰随布线间距变化的函数；
S2：以布线间距S为自变量，对串扰电压函数进行求导得到K值函数；
S3：定义临界点处的K0值；
S4：将K0代入K值函数中求解得到临界布线间距值。
作为一种优选方案，S1过程中函数的定义包括以下步骤：
D1：建立双导体传输线串扰模型；
D2：计算单位长度电感；
D3：计算导体电容；
D4：得到串扰电压和串扰电流对应布线间距的函数关系。
作为一种优选方案，D2中单位长度电感计算方法如下：
其中：中对角元素表示导线单位长度自电感，非对角元素表示导线单位长度互电感，S为导线间距，μ为磁导率，rA和rB分别为导线A和B的半径，hA和hB分别为导线对地高度；其中，相邻导线间的距离与导线半径之比不小于4。
作为一种优选方案，D3中导体电容计算方法如下：
根据导体表面的电势及电荷分布，结合镜像法可以得到导体的自电容和互电容，即导体单位长度电容矩阵为：
a11，a12，a21和a22分别为
其中：ΔrA和ΔrB分别为导线绝缘层厚度，ε0为真空介电常数，为εr为相对介电常数，εe＝(εr-1)/εr；
根据多导体传输线理论，沿线缆长度方向任意位置z处电压和电流满足方程
其中，和表示导线A和B上传输电压和电流矩阵，和表示阻抗和导纳矩阵；
终端只含电压激励源的双导体传输线模型，满足条件：
其中，和分别表示Z＝0和Z＝L处的电压和电流，串扰与布线间距S之间的解析计算公式：
其中，Zc为传输线特性阻抗，Zs为线缆源端阻抗，ZL为线缆终端负载阻抗，和分别为入射波电流和反射波电流；
定义矩阵
式中，矩阵和分别表示关于布线间距函数；
令则导线组上入射波电流和反射波电流可改写为：
基于上式可得传输线上任意位置z处串扰电压和电流与布线间距S之间的计算公式：
其中，和分别为源端电压和终端电压，为解耦矩阵，γ为传输系数。
作为一种优选方案，S2中K值函数为：
对串扰电压函数式(13)进行求导，可得：
综上所述，本发明具有以下有益效果：
通过研究布线参数对线缆串扰的影响规律，直观的研究了线缆布线机理，通过对线缆的排布，从根本上减少串扰信号的干扰。
附图说明
图1是本发明实施例的确定线缆串扰临界布线间距的计算方法中的双导体传输线串扰模型图；
图2是本发明实施例的双导体传输线截面结构图；
图3是本发明实施例的终端只含电压激励源的传输线模型图；
图4是本发明实施例的理想导电平面上双导体传输线数值验证模型图；
图5是本发明实施例的串扰电压随布线间距S变化规律曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
双导体传输线串扰模型如图1所示，干扰线和受扰线置于理想参考地平面上。其中VS1和VS2为线缆终端激励电压源，ZS1，ZS2，ZL1和ZL2分别为线缆终端负载。Lji和Cji(j＝1,2)分别为单位长度线缆自电感和自电容，Li和Ci分别为单位长度线缆互电感和互电容。互电感和互电容提供了线间能量耦合通道，导致不同线间存在串扰。
双导体传输线截面结构如图2所示，导线间距为S，rA和rB分别为导线A和B的半径，ΔrA和ΔrB分别为导线绝缘层厚度，hA和hB分别为导线对地高度。单位长度电感可采用导体分布参数计算方法，导线间距需满足宽间隔条件，即相邻导线间的距离与导线半径之比不小于4。则单位长度电感计算公式为：
式中，中对角元素表示导线单位长度自电感，非对角元素表示导线单位长度互电感，μ为磁导率。由式(1)可知，导线截面结构参数及布线参数(导线间距和对地高度)会影响导线单位长度自电感和互电感。
根据导体表面的电势及电荷分布，结合镜像法可以得到导体的自电容和互电容，即导体单位长度电容矩阵为：
式中，a11，a12，a21和a22分别为
式中，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，εe＝(εr-1)/εr。
根据多导体传输线理论，图1中沿线缆长度方向任意位置z处电压和电流满足方程
式中，和表示导线A和B上传输电压和电流矩阵，和表示阻抗和导纳矩阵，
终端只含电压激励源的双导体传输线模型如图3所示，其满足条件：
式中，和分别表示Z＝0和Z＝L处电压和电流，串扰与布线间距S之间的解析计算公式：
其中，Zc为传输线特性阻抗，Zs为线缆源端阻抗，ZL为线缆终端负载阻抗，和分别为入射波电流和反射波电流。
定义矩阵
式中，矩阵和分别表示关于布线间距函数。令 则导线组上入射波电流和反射波电流可改写为：
基于上式可得传输线上任意位置z处串扰电压和电流与布线间距S之间的计算公式：
其中，和分别为源端电压和终端电压，为解耦矩阵，γ为传输系数。通过式(12)和式(13)可以分析布线间距S对串扰电压和电流的影响规律。
图4为理想导电平面上双导体传输线模型，干扰线和受扰线均采用相同导线。导体半径为0.7mm，绝缘层厚度为0.7mm，绝缘层介电常数为3.5，导体长1m，距离参考地面10mm，导体间距25mm。干扰线近端接连续信号电压激励源，幅值为1V，干扰线和受扰线所有终端的端接电阻阻抗均为50Ω。
利用串扰与布线间距S的解析计算公式，取第二个谐振峰值处不同布线间距下的串扰值，可以得到串扰电压随布线间距S在(25，180)mm变化范围内的规律曲线，如图5所示。由图可知，串扰电压值随着布线间距的增大而降低，且在间距较小时，串扰值随间距的增大而快速下降，当间距达到一定值时，串扰值随间距增大而下降不明显。本文将曲线产生“拐弯现象”的点定义为分界点。
以布线间距S为自变量，对串扰电压函数式(9)进行求导，可得：
K值函数反应了串扰电压随布线间距变化的快慢程度。假设曲线分界点处的斜率为K0，定义其对应的间距S0为临界布线间距。则当S＜S0时，串扰值随间距变化明显；S＞S0时，串扰值随间距变化缓慢。K0值的确定可以根据曲线上相邻等间距点间的斜率差值。例如，间距S在(25，35，45，55，65，75，85，95)mm处对应的K值分别为(-2.60，-1.02，-0.50，-0.29，-0.18，-0.12，-0.09，-0.06)，从而可知，当斜率差值在区间(-0.18，-0.12)时开始减小，取该区间中值K0＝-0.135，则S0＝72mm，如图5所示。综上，临界布线间距S0的求解过程可分为以下步骤：
(1)定义串扰随布线间距变化的函数；
(2)以布线间距S为自变量，对串扰电压函数进行求导得到K值函数；
(3)定义临界点处的K0值。
(4)将K0代入K值函数中求解得到临界布线间距S0值。
因此，在实际工程应用中，可以根据临界布线间距公式合理布置线缆间距，使得线缆间串扰值满足电磁兼容设计要求。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (5)
1.一种确定线缆串扰临界布线间距的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：定义串扰随布线间距变化的函数；
S2：以布线间距S为自变量，对串扰电压函数进行求导得到K值函数；
S3：定义临界点处的K0值；
S4：将K0代入K值函数中求解得到临界布线间距值。
2.根据权利要求1所述的确定线缆串扰临界布线间距的计算方法，其特征在于，所述S1过程中函数的定义包括以下步骤：
D1：建立双导体传输线串扰模型；
D2：计算单位长度电感；
D3：计算导体电容；
D4：得到串扰电压和串扰电流对应布线间距的函数关系。
3.根据权利要求2所述的确定线缆串扰临界布线间距的计算方法，其特征在于，所述D2中单位长度电感计算方法如下：
其中：中对角元素表示导线单位长度自电感，非对角元素表示导线单位长度互电感，S为导线间距，μ为磁导率，rA和rB分别为导线A和B的半径，hA和hB分别为导线对地高度；其中，相邻导线间的距离与导线半径之比不小于4。
4.根据权利要求3所述的确定线缆串扰临界布线间距的计算方法，其特征在于，所述D3中导体电容计算方法如下：
根据导体表面的电势及电荷分布，结合镜像法可以得到导体的自电容和互电容，即导体单位长度电容矩阵为：
a11，a12，a21和a22分别为
其中：ΔrA和ΔrB分别为导线绝缘层厚度，ε0为真空介电常数，为εr为相对介电常数，εe＝(εr-1)/εr；
根据多导体传输线理论，沿线缆长度方向任意位置z处电压和电流满足方程
其中，和表示导线A和B上传输电压和电流矩阵，和表示阻抗和导纳矩阵；
终端只含电压激励源的双导体传输线模型，满足条件：
其中，和分别表示Z＝0和Z＝L处的电压和电流，串扰与布线间距S之间的解析计算公式：
其中，Zc为传输线特性阻抗，Zs为线缆源端阻抗，ZL为线缆终端负载阻抗，和分别为入射波电流和反射波电流；
定义矩阵
式中，矩阵和分别表示关于布线间距函数；
令则导线组上入射波电流和反射波电流可改写为：
基于上式可得传输线上任意位置z处串扰电压和电流与布线间距S之间的计算公式：
其中，和分别为源端电压和终端电压，为解耦矩阵，γ为传输系数。
5.根据权利要求1或4所述的确定线缆串扰临界布线间距的计算方法，其特征在于，所述S2中K值函数为：
对串扰电压函数式(13)进行求导，可得：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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