CN110554247A - 一种非平行线缆的串扰仿真建模方法及其仿真模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非平行线缆的串扰仿真建模方法及其仿真模型，所述仿真模型至少包括：干扰线缆、受扰线缆以及一接地平板，选择所述干扰线缆或受扰线缆作为参考线缆，于所述参考线缆一端通过激励信号施加装置施加设定频率的激励信号，在其另一端施加指定数值的第一负载，在所述参考线缆上某处设置用于测试干扰信号的幅度的第一测试设备，将所述参考线缆外的另一根线缆划分为多段与所述参考线缆平行的平行子线缆，在所述另一根线缆的两端施加指定数值的第二负载，并于某平行子线缆上某处设置用于测试干扰信号的幅度的第二测试设备。

Description

一种非平行线缆的串扰仿真建模方法及其仿真模型
技术领域
本发明涉及RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)技术领域，特别是涉及一种非平行线缆的串扰仿真建模方法及其仿真模型。
背景技术
设备之间通常利用线缆连接，而越来越多的电子设备装备在狭小的空间内，因此在狭小的空间内密集分布着各种线缆线束，线缆对外产生辐射，线缆之间极易发生串扰，线缆之间的相互串扰越来越受到人们的重视。
线缆间的串扰仿真是大多数电子产品的EMC研究需要关注的研究方向，通过仿真研究线缆间的串扰耦合可以更高效分析产品传导、辐射发射或敏感度性能。
国内外许多学者研究线缆耦合串扰的主要理论依据是传输线法，传输线法是线缆电磁兼容性建模分析中最为重要、最常采用的解析方法，目前行业常用的线缆串扰仿真软件都是基于TLM传输线理论，通过传输线法把线缆间串扰模型用比较简单的电容电感模型替代，完成线缆串扰仿真分析，但是这种方法具有一定的局限性：传输线理论要对所仿真的线缆的结构和特性方面有一定的限制，且传输线理论应用是基于平行线缆，对于非平行线缆串扰的研究甚少有人涉及。
随着电气电子***的发展，线缆组成结构、所传输信号、所处环境越来越复杂多样，设备内部线缆敷设情况也越来越复杂，不能保证所有线缆都是相互平行的，实际工程中很多产品内或产品间的非平行线缆敷设也会有串扰影响，因此，对于非平行线缆串扰的研究对于线缆敷设具有一定的指导意义。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种非平行线缆的串扰仿真建模方法及其仿真模型，通过将非平行线缆分段建模，然后再通过传输线法仿真计算得到线间串扰，实现了对设备内部敷设情况复杂的线缆线束耦合串扰的研究。
为达上述目的，本发明提出一种非平行线缆的串扰仿真建模方法，包括如下步骤：
步骤S1，于一接地平板上方铺设两根线缆，其中一根线缆为干扰线缆，另一根线缆为受扰线缆，选择其中一根线缆作为参考线缆，于所述参考线缆的一端施加设定频率的激励信号，在其另一端施加指定数值的第一负载，并于所述参考线缆上某处设置测试干扰信号幅度的第一测试设备；
步骤S2，将另一根非平行线缆进行分段处理，将其划分为多段分别与所述参考线缆平行的平行子线缆，于所述受扰线缆的两端施加指定数值的第二负载，并于所述受扰线缆的某平行子线缆上某处设置测试干扰信号幅度的第二测试设备；
步骤S3，改变激励信号的频率以及两根线缆之间的夹角，分别测量干扰线缆和受扰线缆上的信号幅度，记录并予以分析。
优选地，每一段平行子线缆的长度不超过所述参考线缆施加的激励信号波长的十分之一。
优选地，各平行子线缆使用垂直于干扰线缆的垂直子线缆或电气连接线连接。
优选地，所述干扰线缆与受扰线缆铺设于所述接地平板上方5cm平面内。
优选地，所述第一测试设备与第二测试设备为示波器或频谱仪的检测探头。
为达到上述目的，本发明还提供一种非平行线缆的串扰仿真模型，至少包括：干扰线缆、受扰线缆以及一接地平板，选择所述干扰线缆或受扰线缆作为参考线缆，于所述参考线缆一端通过激励信号施加装置施加设定频率的激励信号，在其另一端施加指定数值的第一负载，在所述参考线缆上某处设置用于测试干扰信号的幅度的第一测试设备，将所述参考线缆外的另一根线缆划分为多段与所述参考线缆平行的平行子线缆，在所述另一根线缆的两端施加指定数值的第二负载，并于某平行子线缆上某处设置用于测试干扰信号的幅度的第二测试设备。
优选地，每一段平行子线缆的长度不超过激励信号波长的十分之一。
优选地，各分段的平行子线缆之间通过3D建模连接或在2D电路模型中电气连接。
优选地，各分段的平行子线缆之间通过3D建模连接时，采用垂直于所述参考线缆的垂直子线缆连接。
优选地，各分段的平行子线缆之间在2D电路模型中使用电气连接线连接。
与现有技术相比，本发明一种非平行线缆的串扰仿真建模方法及其仿真模型通过于一接地平板上方铺设两根线缆，选择其中一根线缆作为参考线缆，将另一根非平行线缆进行分段处理，将其划分为多段分别与所述参考线缆平行的平行子线缆，各平行子线缆使用垂直于干扰线缆的垂直子线缆或电气连接线连接，通过本发明，可实现对设备内部敷设的非平行线缆的耦合串扰进行仿真分析，并可同时实现对设备内部敷设情况复杂的线缆线束耦合串扰的研究。
附图说明
图1为本发明一种非平行线缆的串扰仿真建模方法的步骤流程图；
图2为本发明一种非平行线缆的串扰仿真模型的结构示意图；
图3为本发明实施例中线缆(双线线组)的截面示意图；
图4a为本发明一实施例中连续式3D分段串绕模型(分段3D连接)的示意图；
图4b为本发明一实施例中连续式3D分段串扰模型的电路连接图；
图5a为本发明另一实施例中不连续式分段串绕模型(分段2D连接)的示意图；
图5b为本发明另一实施例中不连续式分段串扰模型的电路连接图；
图6本发明的仿真模型结果对比图；
图7为本发明的线缆串扰测试结果示意图；
图8为本发明仿真与实测结果的对比示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种非平行线缆的串扰仿真建模方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种非平行线缆的串扰仿真建模方法，包括如下步骤：
步骤S1，于一接地平板上方铺设两根线缆，其中一根线缆为干扰线缆，另一根线缆为受扰线缆，选择其中一根线缆作为参考线缆，定为直线，其可以是干扰线缆也可以是受扰线缆，于所述参考线缆的一端施加设定频率的激励信号，在其另一端施加指定数值的第一负载，并于所述参考线缆上某处设置测试干扰信号幅度的第一测试设备，例如如示波器或频谱仪的检测探头。
步骤S2，将另一根非平行线缆(受扰线缆)进行分段处理，即将其划分为多段分别与所述参考线缆平行的平行子线缆，每一段平行子线缆的长度不超过所述参考线缆施加的激励信号波长的十分之一，于所述受扰线缆的两端施加指定数值的第二负载，并于所述受扰线缆的某平行子线缆上某处设置测试干扰信号幅度的第二测试设备，例如示波器或频谱仪的检测探头。在本发明中，各平行子线缆使用垂直于干扰线缆的垂直子线缆或电气连接线连接，具体地说，每个分段间可以通过3D建模连接，也可以在2D电路模型中电气连接。
步骤S3，改变激励信号的频率以及两根线缆之间的夹角θ，分别测量干扰线缆和受扰线缆上的信号幅度，记录并予以分析。
图2为本发明一种非平行线缆的串扰仿真模型的结构示意图。如图2所示，本发明一种非平行线缆的串扰仿真模型，至少包括：干扰线缆101、受扰线缆102以及一接地平板(未示出)，所述干扰线缆101、受扰线缆102在位于所述接地平板上方5cm平面内铺设，选择干扰线缆101或受扰线缆102作为参考线缆，以选取干扰线缆101作为参考线缆为例，定为直线，在参考线缆101(干扰线缆)一端通过激励信号施加装置104施加设定频率的激励信号，在其另一端施加指定数值的第一负载105，在参考线缆101上某处设置测试干扰信号的幅度的第一测试设备106如示波器或频谱仪的检测探头；受扰线缆102为与参考线缆101(干扰线缆)成一定夹角θ的非平行线缆，按预设长度将该受扰线缆102划分为多段与参考线缆101平行的平行子线缆，每一段平行子线缆的长度不超过激励信号波长的十分之一，在受扰线缆102的两端施加指定数值的第二负载107，在受扰线缆102的某平行子线缆上某处设置测试干扰信号的幅度的第二测试设备108如示波器或频谱仪的检测探头，各分段的平行子线缆之间可通过3D建模连接(如使用垂直于干扰线缆的垂直子线缆连接)，也可在2D电路模型中电气连接，改变激励信号的频率和线缆夹角θ，分别测量干扰线缆和受扰线缆上的信号幅度，记录并予以分析，。
具体地，本发明在CST电磁仿真软件中建立线缆串扰仿真模型，其包括两根线缆及一个接地平板，其中一根为干扰线缆，另一根为受扰线缆，所述干扰线缆、受扰线缆均采用双线线组，截面如图3所示，深色圆形区域为线缆导体，浅色环形区域为导体外的绝缘材料。
选定一个金属导体的平面做接地平板，在位于接地平板上方5cm平面内内敷设(参考GJB151B-2013中传导类测试布置要求)两根线缆，分别为干扰线缆与受扰线缆；首先选定一根线作为参考线缆，定为直线，可以是干扰线缆也可以是受扰线缆，不失一般性，选择水平放置的直线线缆作为干扰线缆，将其定义为参考线缆；
选定另一根与干扰线缆成夹角θ的非平行线缆作为受扰线缆，对该非平行受扰线缆做分段处理，共分N段，每一小段平行子线缆20i都分别与参考线缆平行，每一小段平行子线缆20i的长度L0不超过激励信号波长的十分之一，i＝1,2,……,N，本案例以划分5段为例即N＝5，每个分段间可以通过连续式3D分段建模连接，如图4a所示，每个平行子线缆20i与其他平行子线缆20j(i≠j)间使用垂直子线缆20iV连接，i＝1,2,……,N-1，其电路连接图如图4b所示。
图4b中端口1为激励端口，P1、P2为线缆上电压、电流检测端口，图4b为图4a的连续式3D分段串扰仿真模型电路连接图。以水平直线线缆为干扰线缆，非平行线缆为受扰线缆，根据图3所示的线缆截面，干扰线缆与受扰线缆都采用双线线组，因此在等效电路模型中有8个端口(干扰线缆和受扰线缆各4个)，而图4b中间位置的方框代表3D模型整体的等效电路。具体地，图中201～205为平行子线缆，201V～204V为连接用的垂直子线缆；平行子线缆201左端电气连接点为N3_CG_1_green_28_0_15和N3_CG_1_yellow_28_0_15，是为受扰线缆20的左端电气连接点，连接检测探头P2；平行子线缆205右端电气连接点为N6_CG_1_green_28_0_15和N6_CG_1_yellow_28_0_15，是为受扰线缆20的右端电气连接点，连接第二设定负载R2；干扰线缆10的左端电气连接点为N1_CG_3_red_42_0_15和N1_CG_3_black_42_0_15，在1口和左端连接点N1_CG_3_red_42_0_15间连接检测探头P1，干扰线缆10的右端电气连接点为N5_CG_3_red_42_0_15和N5_CG_3_black_42_0_15，连接第二设定负载R1；激励信号从1口馈入。
在本发明另一实施例中，每个分段的平行子线缆也可在2D电路模型中电气连接，如图5a所示，每个平行子线缆20i与其他平行子线缆20j间(i≠j)也可以在2D电路模型中电气连接，如图5b所示。
图5b中端口1为激励端口，P1、P2为干扰线缆和受扰线缆上电压、电流检测端口，图5b为图5a的不连续式分段串扰仿真模型电路连接图。以水平直线线缆为干扰线缆，非平行线为受扰线缆，根据图3所示的线缆截面，干扰线缆与受扰线缆都采用双线线组。由于图5a)中，受扰线缆在3D模型上是断开的，因此在图5b中需要将受扰线缆的每一小段连接起来，而图5b中间位置的方框代表该不连续式分段串扰仿真模型整体的等效电路。
具体地，图中201～205为平行子线缆；平行子线缆201左端电气连接点为N3_CG_1_yellow_28_0_15和N3_CG_1_green_28_0_15，是为受扰线缆20的左端电气连接点，连接检测探头P2；平行子线缆205右端电气连接点为N6_CG_7_yellow_28_0_15和N6_CG_7_green_28_0_15，是为受扰线缆20的右端电气连接点，连接第二设定负载R2；干扰线缆10的左端电气连接点为N1_CG_3_red_42_0_15和N1_CG_3_black_42_0_15，在1口和左端连接点N1_CG_3_red_42_0_15间连接检测探头P1，干扰线缆10的右端电气连接点为N5_CG_3_red_42_0_15和N5_CG_3_black_42_0_15，连接第二设定负载R1；激励信号从1口馈入。
平行子线缆201左端电气连接点为N3_CG_1_yellow_28_0_15和N3_CG_1_green_28_0_15，平行子线缆201右端电气连接点为N3_1_CG_1_yellow_28_0_15和N3_1_CG_1_green_28_0_15；
平行子线缆202左端电气连接点为N3_2_1_CG_2_yellow_28_0_15和N3_2_1_CG_2_green_28_0_15，平行子线缆202右端电气连接点为N3_2_2_CG_2_yellow_28_0_15和N3_2_2_CG_2_green_28_0_15；
平行子线缆203左端电气连接点为N3_3_1_CG_4_yellow_28_0_15和N3_3_1_CG_4_green_28_0_15，平行子线缆203右端电气连接点为N3_3_2_CG_4_yellow_28_0_15和N3_3_2_CG_4_green_28_0_15；
平行子线缆204左端电气连接点为N3_4_1_CG_5_yellow_28_0_15和N3_4_1_CG_5_green_28_0_15，平行子线缆204右端电气连接点为N3_4_2_CG_5_yellow_28_0_15和N3_4_2_CG_5_green_28_0_15；
平行子线缆205左端电气连接点为N3_5_CG_7_yellow_28_0_15和N3_5_CG_7_green_28_0_15，平行子线缆205右端电气连接点为N3_6_CG_7_yellow_28_0_15和N3_6_CG_7_green_28_0_15。
进行电气连接时，受扰线缆的双线线组的平行子线缆分别连接：
平行子线缆201右端电气连接点N3_1_CG_1_yellow_28_0_15连接平行子线缆202左端电气连接点N3_2_1_CG_2_yellow_28_0_15，平行子线缆202右端电气连接点N3_2_2_CG_2_yellow_28_0_15连接平行子线缆203左端电气连接点N3_3_1_CG_4_yellow_28_0_15，平行子线缆203右端电气连接点N3_3_2_CG_4_yellow_28_0_15连接平行子线缆204左端电气连接点N3_4_1_CG_5_yellow_28_0_15，平行子线缆204右端电气连接点N3_4_2_CG_5_yellow_28_0_15连接平行子线缆205左端电气连接点N3_5_CG_7_yellow_28_0_15；
平行子线缆201右端电气连接点N3_1_CG_1_green_28_0_15连接平行子线缆202左端电气连接点N3_2_1_CG_2_green_28_0_15，平行子线缆202右端电气连接点N3_2_2_CG_2_green_28_0_15连接平行子线缆203左端电气连接点N3_3_1_CG_4_green_28_0_15，平行子线缆203右端电气连接点N3_3_2_CG_4_green_28_0_15连接平行子线缆204左端电气连接点N3_4_1_CG_5_green_28_0_15，平行子线缆204右端电气连接点N3_4_2_CG_5_green_28_0_15连接平行子线缆205左端电气连接点N3_5_CG_7_green_28_0_15。
图6为两种连接方式仿真得到的结果示意图。以400Hz、115V正弦波作为激励，干扰线缆为RVB 2_0.75非屏蔽单芯线组成的双线线组，长度为L1(本实施例中L1＝1m)，受扰线缆为RVB_0.5非屏蔽单芯线缆组成的双线线组，长度为L2(本实施例中L2＝1.15m)，本实施例中两线缆夹角θ为8.5度(夹角θ与分段长度L0无关)，图6为未分段处理和两种分段处理后的仿真结果对比，可以看出两种分段后的仿真结果相差不大，与未分段相比相差约1V。
为了验证结果准确性，在标准屏蔽室中建立与仿真环境一直的试验环境，使用可编程电源通过LISN(Line Impedance Stabilization Network，线路阻抗稳定网络)给干扰线缆注入信号，使用电炉作为纯电阻负载，用示波器检测受扰线缆上耦合电压波形。
试验结果如图7所示，图8为对比图，可以看出耦合电压波形峰值约1.4V(标记点a)，与分段处理后的仿真结果相差仅0.2V，与未分段处理的仿真结果相差达1V。可见本发明采取的方法和实测吻合较好，从而证明本发明提到的方法具有较高准确性。
综上所述，本发明一种非平行线缆的串扰仿真建模方法及其仿真模型通过于一接地平板上方铺设两根线缆，选择其中一根线缆作为参考线缆，将另一根非平行线缆进行分段处理，将其划分为多段分别与所述参考线缆平行的平行子线缆，各平行子线缆使用垂直于干扰线缆的垂直子线缆或电气连接线连接，通过本发明，可实现对设备内部敷设的非平行线缆的耦合串扰进行仿真分析，并可同时实现对设备内部敷设情况复杂的线缆线束耦合串扰的研究。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种非平行线缆的串扰仿真建模方法，包括如下步骤：
步骤S1，于一接地平板上方铺设两根线缆，其中一根线缆为干扰线缆，另一根线缆为受扰线缆，选择其中一根线缆作为参考线缆，于所述参考线缆的一端施加设定频率的激励信号，在其另一端施加指定数值的第一负载，并于所述参考线缆上某处设置测试干扰信号幅度的第一测试设备；
步骤S2，将另一根非平行线缆进行分段处理，将其划分为多段分别与所述参考线缆平行的平行子线缆，于所述受扰线缆的两端施加指定数值的第二负载，并于所述受扰线缆的某平行子线缆上某处设置测试干扰信号幅度的第二测试设备；
步骤S3，改变激励信号的频率以及两根线缆之间的夹角，分别测量干扰线缆和受扰线缆上的信号幅度，记录并予以分析。
2.如权利要求1所述的一种非平行线缆的串扰仿真建模方法，其特征在于：每一段平行子线缆的长度不超过所述参考线缆施加的激励信号波长的十分之一。
3.如权利要求1所述的一种非平行线缆的串扰仿真建模方法，其特征在于：各平行子线缆使用垂直于干扰线缆的垂直子线缆或电气连接线连接。
4.如权利要求1所述的一种非平行线缆的串扰仿真建模方法，其特征在于：所述干扰线缆与受扰线缆铺设于所述接地平板上方5cm平面内。
5.如权利要求1所述的一种非平行线缆的串扰仿真建模方法，其特征在于：所述第一测试设备与第二测试设备为示波器或频谱仪的检测探头。
6.一种非平行线缆的串扰仿真模型，至少包括：干扰线缆、受扰线缆以及一接地平板，选择所述干扰线缆或受扰线缆作为参考线缆，于所述参考线缆一端通过激励信号施加装置施加设定频率的激励信号，在其另一端施加指定数值的第一负载，在所述参考线缆上某处设置用于测试干扰信号的幅度的第一测试设备，将所述参考线缆外的另一根线缆划分为多段与所述参考线缆平行的平行子线缆，在所述另一根线缆的两端施加指定数值的第二负载，并于某平行子线缆上某处设置用于测试干扰信号的幅度的第二测试设备。
7.如权利要求6所述的一种非平行线缆的串扰仿真模型，其特征在于：每一段平行子线缆的长度不超过激励信号波长的十分之一。
8.如权利要求6所述的一种非平行线缆的串扰仿真模型，其特征在于：各分段的平行子线缆之间通过3D建模连接或在2D电路模型中电气连接。
9.如权利要求8所述的一种非平行线缆的串扰仿真模型，其特征在于：各分段的平行子线缆之间通过3D建模连接时，采用垂直于所述参考线缆的垂直子线缆连接。
10.如权利要求8所述的一种非平行线缆的串扰仿真模型，其特征在于：各分段的平行子线缆之间在2D电路模型中使用电气连接线连接。
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