一种电磁兼容建模方法

文档序号:10687341阅读:531来源:国知局
一种电磁兼容建模方法
【专利摘要】本发明属于电磁兼容领域,主要解决了电磁兼容分析建模的复杂性问题。设计了一种通过端口与外界联系的统一封装的电磁兼容建模方法,它利用多端口网络来对干扰源、传播途径和敏感器进行统一描述。将干扰源、传输途径和敏感器均视为黑盒子,该黑盒子通过端口同外界联系,任何一个能够让系统同外界发生电磁能量关系的窗口都被定义为一个端口。本方法与传统的电磁兼容建模方法相比,具有一致性和易组合的特点。本发明具有很强的实用价值,能够应用到不同级别的电磁兼容分析当中,在电磁干扰抑制、电磁兼容性能分析评估、电磁防护等领域具有良好的应用前景。
【专利说明】
一种电磁兼容建模方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及电磁干扰与电磁兼容分析方法,特别是一种电磁兼容建模方法,可应 用于系统级、设备级、电路板级等不同级别的电磁兼容性能分析中。
【背景技术】
[0002] 电磁兼容模型是对电磁干扰机理和实验分析的数学描述,是进行电磁兼容预测分 析的基础。按照电磁干扰三要素原理,干扰模型分为干扰源模型、传输途径模型和敏感器模 型。
[0003] 从层次上,电磁兼容性分析一般可以分为系统级、设备级和电路板级三个层次,因 为各层次对象的针对性较强,其分析方法和建模方法也会有较为明显的区分。第一个层次 是板级的电磁兼容预测,需要建立PCB板的电磁行为模型;第二个层次是设备的电磁兼容预 测,例如多芯线、驱动器等电子电气部件本身的电磁兼容预测,以及设备与设备之间的电磁 兼容预测,需要建立多导体传输线、线性与非线性负载的模型;第三个层次是系统级的电磁 兼容预测,针对例如飞机、舰船、导弹、飞船等装有多种复杂电子电气设备的系统进行电磁 兼容预测,需要建立大系统的电磁兼容模型及电波的空间传播模型。
[0004] 传统的电磁兼容模型易于理解,但是不能全面反映干扰产生、传播和形成的过程; 另外,对于不同级别的电磁兼容分析,其建模方法多种多样,难以做到很高的通用性,不利 于电磁兼容技术的进一步发展。

【发明内容】

[0005] 为了克服现有电磁兼容建模方法的不足,本发明提供一种新的电磁兼容建模方 法,称为电磁兼容的一致性建模方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是,一种电磁兼容建模方法,其特征在于,包括如下步 骤:
[0007] 第一步,将干扰源、传输途径和敏感设备这三要素进行封装。
[0008] 传统的电磁兼容建模方法是将电磁干扰三要素分别进行建模,而本方法用多端口 网络来统一描述干扰源、传播途径和敏感器的模型。将干扰源、传输途径和敏感器均视为黑 盒子,该黑盒子通过端口同外界联系。
[0009] 第二步,确定封装后模型的端口。
[0010]封装后的模型通过端口与外界进行联系。任何一个能够让系统同外界发生电磁能 量关系的窗口都被定义为一个端口。模型的所有端口都是双向的,即包含输入与输出。当实 际系统在某一端口只可能产生能量输入或者能量输出时,可退化为单向端口。
[0011] 端口不仅包含传统意义上的信号的输入输出口,比如天线、信号接口、电源接口 等;而且包含孔缝、非理想材料透波等能量交互途径。
[0012] 第三步,建立模型。
[0013] 确定模型的端口类型就是找到模型各端口的输出同输入的函数表达式和函数参 数。按照模型实体的类型可以将端口类型分为电路端口,电磁端口和混合端口三类。
[0014] 电路模型的建立主要根据电路的类别来实施,电路建模的理论和方法相对比较成 熟。
[0015] 电磁模型的建立主要是根据电磁场的物理性质,通过一组微分方程或积分方程, 并根据边界条件来确定。电磁场的边界值问题求解归纳起来有3种方法:第一种是解析法, 第二种是近似法,第三种是数值法。
[0016] 混合模型的建立需要结合电路模型的分析方法和电磁模型的分析方法。混合模型 可以重新分割为电路模型和电磁模型两种类型的子单元模型。
[0017] 本发明与传统的电磁兼容建模方法相比,具有一致性和易组合的特点。可以方便 地引入电磁兼容预测的研究成果,应对不同级别的电磁兼容分析要求,达到使用一种建模 方法便可以满足不同级别的电磁兼容分析需求的目的。本发明具有很强的实用价值,能够 应用到不同级别的电磁兼容分析当中,在电磁干扰抑制、电磁兼容性能分析评估、电磁防护 等领域具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0018] 图1是电磁兼容一致性建模方法示意图;
[0019] 图2是方舱示意图;
[0020] 图3是方舱的电磁兼容一致性建模;
[0021] 图4是模型的拓扑关系;
[0022]图5是雷达系统前端的基本结构;
[0023]图6是雷达系统前端的电磁兼容一致性建模。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
[0025]第一步,封装模型。
[0026]图1为电磁兼容一致性建模方法的不意图,其中Pi~PN为端口。米用双向端口来描 述设备同外界的能量交换窗口能够准确反映系统同外界的相互影响。实际系统中,理想的 输入端口和输出端口是不存在的,所谓理想的输入(输出)端口,是指能量只会从外部(内 部)传输到内部(外部),之所以传统的方法将端口大多定义为单向的,是为了简化而采取的 近似。但是这种近似可能会造成重要的电磁干扰成因被忽略。
[0027] 第二步,确定封装后模型的端口。
[0028] 任意端口的输出均为所有端口输入的函数,这一关系由下列方程组描述:
[0029]
( 1)
[0030] 式中,Pti表示第i个端口的输出;
[0031] Pri表示第i个端口的输入。
[0032] 端口间的关系不限于一对一关系。端口的输入可以是其他多个模型端口的输出加 权总和;端口的输出也有可以对其他多个模型的端口输入产生影响。
[0033] 端口间的关系可写为矩阵形式
[0034] [Ρ] = [Γ][Ρ] (2)
[0035] 式中,[Ρ]为所有端口组成的向量;
[0036] [ Γ ]为端口间的传输关系,对于不相关的端口,[ Γ ]中对应的元素为0。
[0037] 以一个车载方舱示例说明电磁兼容一致性建模方法。
[0038] 图2为方舱示意图。分为两个隔舱,舱1中有电脑操作隔间,有两台做数据处理的电 脑;舱2中为有接收机柜保护的接收机,舱外接天线。接收机数据通过数据线连接到电脑中。 [0039]进行电磁兼容一致性建模如图3所示。图中虚线为端口间的交互作用关系。端口 P1Ik的编号规则为:i:模型层次;j:同一层次模型编号;k:同一模型端口编号。
[0040] 按照模型的层次建立拓扑关系如图4所示,若进行系统间电磁兼容分析,关心的是 方舱与外部空间的能量交换问题,则只需提取方舱模型;若进行设备级电磁兼容分析,则需 提取到PC所在的四级模型;若进行电路级电磁兼容分析,则需进行更深入,更详细,更底层 的电磁兼容一致性建模。
[0041] 在实际进行电磁兼容分析时,应该本着"由小到大"的原则,从所需分析问题的底 层开始进行电磁兼容一致性建模。
[0042]电磁兼容分析统一建模方法具有如下特性:
[0043] (1)-致性
[0044] 将干扰要素或者干扰要素的一部分视为一个独立的单元,单元同外界的联系通过 端口实现,该单元就是一个模型实体,模型的行为由单元端口之间的传输函数来描述。因此 不管是干扰源,干扰传输途径还是敏感设备或是它们中的一部分都可定义为一个模型实 体,这样千差万别的单元对应的模型均具有相同的结构,这给分析、计算以及编制计算机仿 真程序都会带来极大的方便。
[0045] (2)组合性
[0046] 模型间易于组合、方便分级。采用电磁兼容一致性建模方法描述系统之后,每个模 型的结构都是相同的,但所处的层次可以是不同的,利用底层的模型单元可以方便组合成 高一层次的单元。
[0047] 模型实体之间有联系的端口直接对接,剩余的端口作为高层次单元端口的参数; 高层单元端口则是它们的加权组合。
[0048] (3)独立性
[0049] 纵向独立性:模型实体只与高一阶及低一阶的模型实体相联系,对于相差二阶以 上的模型实体之间不存在直接联系。是纵向独立的。
[0050] 横向独立性:不从属同一高层次单元的同一层次模型实体之间不存在直接联系, 是横向独立的。
[0051] 以典型的雷达系统前端为例说明电磁兼容一致性建模的特性。雷达系统前端的基 本结构由图5表示,对雷达系统前端进行建模。三级模型(底层模型)为中频放大器、中频滤 波器、下变频混频器、低噪声放大器、射频滤波器、本振1、本振2、上变频混频器、滤波器、功 率放大器、收发开关、天线;二级模型为天线、收发开关、发射电路与接收电路;一级模型(顶 层模型)为雷达前端。
[0052]图6所示为雷达系统前端的电磁兼容一致性建模。
[0053]模型一致性的体现:因为只关心建模目标的电磁特性,所以三级模型的结构实际 上是相同的,其电磁特性由端口来描述。
[0054] 模型组合性的体现:其中三级模型中频放大器、中频滤波器、下变频混频器、低噪 声放大器、射频滤波器、本振1组成二级模型接收电路;三级模型本振2、上变频混频器、滤波 器、功率放大器组成二级模型发射电路;而二级模型天线、收发开关、发射电路与接收电路 组合成为完整的雷达系统前端。其中上变频混频器的输入端口 P1通过发射电路,成为雷达 前端的中频信号输入端口;中频放大器的输入端口P3通过接收电路,成为雷达前端的中频 信号输出端口;天线的收发端口对接到雷达前端,成为整个雷达系统的无线电磁信号端口。 [0055]模型纵向独立性的体现:雷达前端的电磁特性由四个二级模型体现,而三级模型, 如上变频混频器,不能直接对雷达前端的电磁特性产生影响。尽管从物理意义上讲,雷达前 端的中频信号输入是由上变频滤波器实现的,但是从建模的条理性和后继分析的便利性出 发,如此设置是合理的。
[0056]模型横向独立性的体现:以从属于接收电路的低噪声放大器和从属于发射电路的 功率放大器为例说明。因为二者有不同的从属关系,所以它们之间不存在直接联系。从实际 电路出发,功率放大器产生的信号需要经过接收开关,产生能量泄露,然后经过射频滤波器 才能够到达低噪声放大器。所以模型横向独立性的设置是符合建模目标的物理意义的。
【主权项】
1. 一种电磁兼容建模方法,其特征在于,包括如下步骤: 第一步,将干扰源、传输途径和敏感设备这三要素进行封装,用多端口网络来统一描述 干扰源、传播途径和敏感器的模型,将干扰源、传输途径和敏感器均视为黑盒子,该黑盒子 通过端口同外界联系; 第二步,确定封装后模型的端口,封装后的模型通过端口与外界进行联系; 第三步,确定模型的端口类型,找到模型各端口的输出同输入的函数表达式和函数参 数,建立模型。2. 如权利要求1所述的电磁兼容建模方法,特征在于,所述端口为能够让系统同外界发 生电磁能量关系的窗口,模型的所有端口都是双向的,即包含输入与输出,当实际系统在某 一端口只可能产生能量输入或者能量输出时,可退化为单向端口。3. 如权利要求2所述的电磁兼容建模方法,其特征在于,所述端口包括天线、信号接口、 电源接口,还包含孔缝、非理想材料透波能量交互途径。4. 如权利要求1所述的电磁兼容建模方法,其特征在于,所述端口类型分为电路端口, 电磁端口和混合端口三类。5. 如权利要求1所述的电磁兼容建模方法,其特征在于,所述模型分为电路模型、电磁 模型和混和模型三类。6. 如权利要求5所述的电磁兼容建模方法,其特征在于,所述电路模型的建立根据电路 的类别来实施。7. 如权利要求5所述的电磁兼容建模方法,其特征在于,所述电磁模型的建立是根据电 磁场的物理性质,通过一组微分方程或积分方程,并根据边界条件来确定。8. 如权利要求7所述的电磁兼容建模方法,其特征在于,所述边界条件的边界值求解方 法为解析法,或者是近似法,或者是数值法。9. 如权利要求5所述的电磁兼容建模方法,其特征在于,所述混合模型的建立需要结合 电路模型的分析方法和电磁模型的分析方法,分割为电路模型和电磁模型两种类型的子单 元模型。
【文档编号】G06F17/50GK106055845SQ201610529920
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】覃宇建, 周东明, 李高升, 卢中昊
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
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