专利名称：电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法
技术领域：
本发明涉及一种快速预测方法，尤其涉及一种对电气布线互联系统中线缆串扰问题的快速预测方法。
背景技术：
现代飞机中的各个系统正朝着多电化和全电化方向发展，机载电气系统和设备在平台中的智能化分布并通过物理布线实现电气系统之间的互联，成为影响最终飞机质量和可靠性的关键步骤。作为各类电气设备的连接纽带，线束自身的电磁兼容问题严重影响着整机的电磁兼容性。在过去很长一段时间里，机载电气线路设计的重要性未得到充分重视， 一系列因线路设计缺陷导致的重大航空事故时有发生，使得各家航空公司对飞机的电磁兼容性要求不断提高，各国科研机构在相关领域都投入了大量的人力物力，已成为飞机设计工作中不可缺少的关键一环。2007年，美国联邦航空局(FAA)对联邦航空条例(FAR)的第25部做了重大修正， 在原有7大分部的基础上新增加了第H分部——电气布线互联系统(Electrical Wiring Interconnection System,简称EWIS),它将以往分散于各个系统中的电气布线互联系统的设计要求单独归纳成部，规定了与飞机电气线路设计相关的内容，包括安装在飞机任何区域的各种电线、布线器件以及它们的组合、两个或多个预制端接点间传输的数据和信号的电性能等等。目前，EWIS规范是商用飞机适航认证流程的一个部分，所有商用飞机必须经过认证。对某一型号的飞机，如波音777或空客A380，会有针对飞机型号的EWIS认证，对单独的某架飞机，也会有相应的认证。美国联邦航空管理局，欧洲航空安全局(Europe Aviation Safety Agency EASA)以及欧洲联合航空署(JAA)都已应用了 EWIS法规。在国内，民用和军用飞机中电气互联布线需按照《HB6524-91飞机电线、电缆电磁兼容性分类及布线要求》进行设计，受限于安装空间以及缺少有效的计算机仿真工具，技术人员一般仅能凭经验设计，这对简单的布线系统是有效的。然而，对于大型客机中的复杂布线系统，由于缺少足够的设计依据，传统的设计方法往往会导致某些线缆内部或线束间电磁干扰严重，最终导致设计失败。目前，我国正在进行的大飞机项目，目标是研制具有我国自主知识产权的C919大型客机，作为适航取证申请人一中国商飞公司计划2014年实现大型客机首飞，2016年取得中国民航局型号合格证及相关证件，最终通过中国民航局取得欧美适航当局的适航批准，其中EWIS是必不可少的一个重要认证部分。为严格按照EWIS 法规进行电气互联系统设计，有效辅助设计员在设计初期阶段对电性能、故障模式进行有效仿真分析，使设计工作有据可依，缩减设计周期，提高设计成功率，降低设计费用。但是， 真实大型客机中电气系统繁多复杂，布线又受到安装空间的严格限制，线束中的线缆数目少则十几根多则成百上千根，当线缆数目到达一定量级时传统的MTLN方法效率太低，无法满足实际分析需要。同时，不同飞机的布线又各不相同，显然要想对EWIS中复杂线束的串扰分析做进一步研究，必须发展一种更高效的算法，在不影响分析精度的同时极大提高仿真效率，为EWIS复杂线束的电气仿真提供高效可靠的分析手段。
上世纪60年代以来，国外在简单线缆串扰方面的研究已经取得了一些成果并应用到实际工程中，其中主要方法有集总参数电路模型法、多导体传输线法、电磁场数值方法，如时域有限差分法FDTD、矩量法MoM等，这些方法从电磁场理论出发，结合数值计算技术，严格考虑传输线上传输的横电磁波、横电波(TE波)以及横磁波(TM波)，在相当宽的频率范围内，其计算精度都非常高，但该方法分析步骤较为繁琐，计算量大，在求解复杂电大尺寸模型时无能为力。国内关于线缆线束串扰的研究大部分都是基于准静态假设的多导体传输线方法，也有采用全波分析与多导体传输线理论相结合的方法。以上国内外研究中线束内部线缆数目比较少，仿真和实验都比较容易实现，但当线束内的线缆数目达到几十甚至几百根时，线束模型变得十分复杂，上述方法都将不再适用。结合专利申请人所在课题组的前期研究成果，在深入调研的基础上，课题组认为，等效线束法(Equivalent Cable Bundle Method,ECBM)是一种最有希望的方法。它由Guillaume Andrieu等人于2008年提出，并将其应用于汽车内部线束受外界电磁信号耦合时线束中共模电流的提取以及复杂线缆对外部空间的辐射问题中，通过等效，线束中所有线缆简化成最多四根等效导体，大大简化了实际模型，提高了仿真分析效率。但是，此方法仅对实际线缆的端接阻抗为实阻抗时有效以及端接激励仅限于正弦信号。2010年，李茁等人提出了一种新的等效线束法并将其应用到复杂线束串扰耦合的分析中，该方法既可分析线束中任意两根线缆之间的串扰耦合，又可分析某单一线缆与线束中任一线缆之间的串扰耦合，同时还能分析两线束中任两根线缆之间的串扰耦合。然而该方法也要求线缆的端接阻抗为实阻抗，线束的排布为一条直线，端接激励信号频率< IGHz。研究表明，等效线束法实用有效，几乎涵盖了线束电磁兼容性分析的所有领域，包括线束的传导敏感度、辐射敏感度和串扰耦合分析等，但受限于方法本身的理论基础，对任意端接阻抗、复杂互联网络以及复杂环境中的复杂互联网络仍无能为力。尽管如此，其核心思想仍使其在分析复杂布线系统电磁兼容性时远优于其它算法。为此，本发明在深入研究复杂线束耦合机理的基础上，借鉴传统等效线束法的思想，根据实际端接激励和负载情况，合理等效和优化原线束模型，并结合其它计算电磁学算法，提出了一种对各类端接激励和负载都适用，且能应用于复杂电气布线系统电磁兼容性分析的广义等效线束法，为机载EWIS的电气互联设计和布线提供理论依据和分析手段，为我国大飞机项目中布线系统的电磁兼容问题提供技术支撑。此方法不仅会促进等效线束法的发展并扩展其应用范围，对我国的航空、航天事业的发展也具有重要意义。
发明内容
发明目的本发明解决的是电气布线互联系统中线缆终端接有任意负载情况下的线缆串扰的预测问题，本发明提出了一种电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法， 该方法是一种对各类端接激励和任意负载都适用，且能快速预测复杂电气布线互联系统中线缆串扰的广义等效线束法，解决了传统等效线束法对于频率响应负载无法等效的关键环节，从而能够大大降低线缆布线的复杂度，减少计算机的仿真时间和内存需求。为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法，其特征在于该方法快速预测的等效过程，包含三个过程
过程一导体分组；根据线缆终端所接负载幅值与多导体线缆束的共模特性阻抗比较结果，按照下表所示分组规则，将原始线缆束分组，
近端远端第一组O O ZN(F) < ZmcO O ZN(F) < Zmc第二组O O ZN(F) < ZmcO O ZN(F) > Zmc第三组O O ZN(F) > ZmcO O ZN(F) < Zmc第四组O O ZN(F) > ZmcO O ZN(F) > Zmc其中，2叫。表示线缆近/远端所接负载的加权平均值，N表示近端，F表示远端， 表示所有参与等效的线缆共模特性阻抗模值的加权平均值，me表示共模；过程二 计算简化线缆的几何截面及其终端所接负载；过程三对简化后的线缆模型进行仿真计算，得到简化后受扰线缆的串扰电压幅值。本发明采用上述技术方案具有如下有益效果I.本发明主要解决电气布线互联系统中线缆的串扰问题，尤其涉及线缆终端接有任意阻抗，包括实电阻，电感，电容以及它们之间的相互连接形成的负载情况下的线缆简化计算问题，解决了传统等效线束法对随频率变化的负载无法等效的问题，拓宽了等效线束法的应用领域和范围，为等效线束法的发展开辟了新的思路。2.高效数值仿真算法；由于本发明提出的是一种广义等效线束法，目的就是降低电气布线互联系统中的线缆计算复杂度，提高线缆串扰问题分析速度，进而减少线缆仿真的计算时间和计算机内存需求，从本发明的具体实施方案的算例中可得到，简化线缆的仿真计算时间相对完全线缆的计算时间减少将近4倍以上(完整线缆为9根导体仿真计算时间为13秒，简化线缆为4根导体仿真计算时间为3秒，仿真是在3GHz处理器和3. 25GB内存计算机上实现的)，随着电气布线互联系统中的完整线缆的数目的不断增加，到成百上千根线缆时，线缆计算复杂度，分析速度，仿真计算时间以及计算机内存需求将会大幅度的降低，效率将会得到更大的提高。3.效率好，精度高；本发明在具体的实施过程中，应用一定的简化假设和相应的计算法则，通过一定的程序代码，能够很快地将完整线缆模型等效成简化线缆模型，且根据多导体传输线网络理论，对简化前后的仿真结果进行比对分析，能够得到精度相对较高的满意的分析预测效果，随着计算机技术的不断发展，本发明的等效过程将会通过一定的计算机代码使其实现自动化，本发明的计算效率将会得到进一步地提高。4.应用范围广泛；本发明主要应用了线缆的等效思想，提出一种解决电气布线互联系统中线缆串扰问题的广义等效线束法，在电磁兼容领域，串扰，辐射，受扰一直是线缆电磁兼容性的三大问题，本发明同样可以很好的解决线缆辐射和受扰问题的快速分析预测，同时，本发明在分析辐射问题时，可以对汽车以及飞机中的线缆在高频段(3GHz及以上)的电磁辐射问题进行快速简化预测，突破一般多导体传输线的频率限制范围(IGHz及以下)，本发明的实施方案针对的是自由空间中理想单直导线的简化计算问题，对于非理想的，有链路的直导线，弯曲导线或屏蔽线，双绞线的简化计算，及包括汽车、飞机等腔体环境下的线缆快速分析计算问题都同样适用，进而本发明可以推广适用到大多数线缆存在的领域。
图I是本发明解决的线缆终端负载情况示意图。图2是本发明求解的线缆完整模型的几何截面图。图3是本发明求解的线缆简化模型的几何截面图。图4是本发明中离散电压的频谱权值示意图。图5是本发明中阻抗在不同频点上的幅度模值示意图。图6是本发明中线缆I的近端所加的时域周期性脉冲电压波形图。图7是本发明中线缆I的近端所加的时域周期性脉冲电压离散频谱图。图8是本发明预测线缆终端发生并联谐振情况下的受扰线近端串扰电压波形图。图9是本发明预测线缆终端发生并联谐振情况下的受扰线远端串扰电压波形图。图10是本发明预测线缆终端发生串联谐振情况下的受扰线近端串扰电压波形图。图11是本发明预测线缆终端发生串联谐振情况下的受扰线远端串扰电压波形图。
具体实施例方式下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述如图I所示，本发明主要解决多导体传输线终端接有任意负载情况下线缆串扰的简化计算问题。电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法包括以下步骤第一步将时域激励信号通过离散傅里叶变换成频域信号，见附图6-图7。第二步对每个单频点分别计算终端负载阻抗和多导体共模特性阻抗加权平均值，其中计算终端负载阻抗加权平均值时用公式⑴进行计算(注在公式I中，^㈧康示线缆近远端所接负载的加权均值，N表示近端，F表示远端，j表示第j根导体；a i表示原始激励信号的频谱幅值，i = 0-M，表示采样频点数，以下公式中的相同符号表达意思和此一致)，计算线缆共模特性阻加权平均值时用公式(2)实施(注在公式2中表示所有参与等效的线缆共模特性阻抗模值，me表示共模，2■表示其加权均值)，在公式(2)中，共模特性阻抗模值的计算分为有耗线缆和无耗线缆两种情况，分别如公式(3)和(4)，见附图 4-5 (注在公式3中，n表示参与等效的导体数量，Z、Y、R、L、G、C分别表示传输线单位长度阻抗，导纳、电阻、电感、电导、电容，i，j分别表示参数矩阵的行和列，《 = 2 Jif，其中f为仿真频率)。
权利要求
1.一种电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法，其特征在于该方法包含三个过过程一导体分组；根据线缆终端所接负载幅值与多导体线缆束的共模特性阻抗比较结果，按照下表所示分组规则，将原始线缆束分组，近端远端第一组O O ZN(F) < ZmcO O ZN(F) < Zmc第二组O O ZN(F) < ZmcO O ZN(F) > Zmc第三组O O ZN(F) > ZmcO O ZN(F) < Zmc第四组O O ZN(F) > ZmcO O ZN(F) > Zmc其中，表示线缆近/远端所接负载的加权平均值，N表示近端，F表示远端，2■表示所有参与等效的线缆共模特性阻抗模值的加权平均值，me表示共模；过程二 计算简化线缆的几何截面及其终端所接负载；过程三对简化后的线缆模型进行仿真计算，得到简化后受扰线缆的串扰电压幅值。
2.根据权利I所述的电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法，其特征在于过程一具体还包括在分组过程中，首先，提取所有原始激励信号的频谱，对于线束终端所接负载包含电感或电容的情况，在导体分组计算过程中采用适当的原始激励信号频点数进行加权计算，其频点数需满足激励信号能量的衰减特性；其次，将信号的频谱幅值和线束终端所接负载分别进行加权平均，计算出线束终端负载的加权平均值，最后，将线束终端负载的加权平均值与多导体线束的共模特性阻抗加权平均值进行比较，按照所述分组规则将其合理分组。
3.根据权利I所述的电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法，其特征在于过程二具体还包括在线缆束简化几何截面计算过程中，首先，用数值方法提取出多导体线束的单位长度L、C参数矩阵；其次，假设同一组中的所有线缆终端对地电压相等，线缆上传输的共模电流相等，忽略差模电流的影响，根据模式理论计算简化后的线缆单位长度[LrateJ和 [Creduced]参数矩阵；然后，计算得到简化线缆的几何截面模型；最后，根据线缆终端所接负载对地情况，取其对地共模负载，根据如下公式确定简化线缆的终端所接负载的情况，其中，Zg。表示某一组线缆的等效阻抗，‘| |’表示并联，Z1L Zk表示各线缆一端所接的负载阻抗值，k表示该组线缆包含的线缆数量。
4.根据权利3所述的电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法，其特征在于计算得到简化线缆的几何截面模型包含如下步骤1)取同一组线缆离地高度的平均值作为简化线缆的离地高度；2)根据公式(9)计算出简化线缆截面的等效半径ri，其中；hi、Liiredured分别表示第i根等效导体的离地高度和等效单位长度自电感参数，U 导率；
5.根据权利I所述的电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法，其特征在于过程三具体还包括用多导体传输线网络理论方法仿真计算电气布线互联系统中线缆简化后受扰线缆的近、远端时域串扰电压。
全文摘要
本发明公开一种电气布线互联系统线缆串扰的快速预测方法，该方法是一种对各类端接激励和任意负载都适用，且能快速预测复杂电气布线互联系统中线缆串扰的广义等效线束法。此方法解决了传统等效线束法只能对线束端接实负载，激励为正弦信号适用的关键性难题，极大地降低了电气布线互联系统中的线缆串扰问题的计算复杂度和计算机内存需求，提高了仿真预测速度。此方法不仅会促进等效线束法的发展，扩展其应用范围，而且对我国的航空、航天事业的发展也具有重要意义。
文档编号G01R31/00GK102608466SQ20121007705
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者刘亮亮, 曹明慧, 李茁, 顾长青 申请人:南京航空航天大学