一种在平面电磁波激励下的传输线缆耦合响应检测方法

摘要

本发明公开了一种在平面电磁波激励下的传输线缆耦合响应检测方法。该方法依据入射平面电磁波的频谱结构、场—线耦合物理模型、等效电路模型，通过比较入射波波长λ0和传输线缆长度l满足的模型关系，从而分别得到低频集总参数模型L(，l)和高频分布参数模型H(E0，fi，l，d，α，ψ，φ)；然后分别对这两个模型进行处理后输出第一电流响应I低和第二电流响应I高，最后对第一电流响应I低和第二电流响应I高进行叠加后得到传输线缆耦合响应。该方法通过寻找峰值响应频率点，把场对线的频段耦合简化为频点耦合，结合“路”的模型和分布参数模型，可以快速得到任意平面电磁波激励下，传输线缆终端电流的响应。该方法简化了复杂电磁环境下场－线耦合问题，同时为设备级电磁兼容和系统级电磁兼容设计提供了参考。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在平面电磁波激励下的传输线缆耦合响应检测方法，属于电磁兼容技术领域。

背景技术

在电气或电子设备中，传输线缆(电缆或导线)用于连接不同的两个设备形成一个场—路耦合系统(参见图1所示)，在场—路耦合系统中传输线缆用于实现设备之间能量与信息的有效传输。随着数字设备和集成电路的广泛应用，电子设备对空间电磁场特别敏感，空间电磁场通过传输线缆的电磁耦合作用产生的电磁干扰一直受到人们的广泛关注。

目前对于场—线耦合系统的分析，采用的方法主要分为直接基于Maxwell方程的时域有限差分和基于传输线模型两类。前者是从Maxwell方程出发直接求解传输线缆边值问题。这类方法在理论上是严格的，但是其在实际应用中对计算时间和内存要求严格。后者是通过分析传输线缆建立起一组等效的传输线方程。目前比较成熟的基于Maxwell方程推导描述外界电磁场对传输线缆的耦合传输线模型有三种：Taylor模型，Agrawal模型和Rachidi模型。这三种模型的共同缺陷是在复杂电磁环境中耦合解析过程及计算比较繁琐。

《系统仿真学报》在2008年3月第20卷第6期中公开了一种“平面波对传输线耦合响应的仿真研究”，在该文献中的图2说明了一种入射平面波激励的双线传输线。在Agrawal传输线模型的基础上，本领域也将文献图2称作“场—路耦合系统”的等效电路模型。

发明内容

本发明的目的是提出一种在平面电磁波激励下的传输线缆耦合响应检测方法，该耦合响应检测方法依据入射平面电磁波的频谱结构、场—线耦合物理模型、等效电路模型，通过比较入射平面电磁波的频率f₀所对应的波长λ₀和传输线缆长度l满足的模型关系，分别得到低频集总参数模型和高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)；然后对H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)输出的电流响应进行叠加而得到的传输线缆耦合响应。本发明公开的传输线缆耦合响应检测方法可以用于预测任意入射平面电磁波激励下传输线缆上的耦合情况，并快速的得到传输线缆上的电流响应，为设备级和系统级电磁兼容设计提供了信息参考。

本发明是一种在平面电磁波激励下的传输线缆耦合响应检测方法，该传输线缆响应检测包括有平面电磁波的频谱结构(1)、场—线耦合物理模型(2)、等效电路模型(3)，其特征在于：还包括有模型判断单元(4)、低频模型处理单元(5)、高频模型单元(6)和电流叠加单元(7)。

所述的平面电磁波的频谱结构(1)用于输出入射波波长λ₀给模型判断单元(3)；

所述的场—线耦合物理模型(2)用于输出传输线缆长度l给模型判断单元(3)；

所述的等效电路模型(3)用于输出导线感应的电压给低频模型处理单元(5)；

所述的模型判断单元(4)中存储有两个判断条件，一是低频模型关系为l<λ₀/4，二是高频模型关系为l≥λ₀/4；模型判断单元(4)采用判断条件对接收的入射波波长λ₀、传输线缆长度l进行判别，从而得到是低频集总参数模型还是高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)；

所述的低频模型处理单元5用于输出第一电流响应I_低给电流叠加单元(7)；

所述的高频模型单元(6)用于输出第二电流响应I_高给电流叠加单元(7)；

所述的电流叠加单元(7)对接收的I_低和I_高采用电流叠加原理即可得到线缆耦合响应I，即I＝I_低+I_高。

本发明在平面电磁波激励下的传输线缆耦合响应检测方法的优点在于：

(1)、基于“路”和传输线理论，不需要考虑复杂的边界条件，简化了场—线耦合物理模型的分析；

(2)、在高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)中，把入射平面电磁波连续频段的电流响应简化为入射平面电磁波峰值响应频率点和其对应的起点和终点的电流响应的加权，且在高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)中，对于单一频率点电流响应的获得不需要经过傅里叶反变换就可得到时域结果，大大减小了计算量；

(3)、在高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)中，可以通过入射平面电磁波峰值响应频率点的电流响应，快速分析“最坏情况”下场-线耦合响应，为系统级电磁兼容设计提供参考。

(4)、在高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)中，引入对入射平面电磁波幅值E₀的修正系数q，使得电流响应的分析更符合实际，增加了监测的精确度。

(5)、通过把场—线耦合物理模型进行分类，实现了在任意带宽的入射平面电磁波激励下的传输线缆耦合响应的检测。

(6)、实现了路-场-路的转换。从入射平面电磁波的频谱结构，得到“场”的信息，再由“场”的信息得到了传输线缆上的电流响应。

附图说明

图1是传统电子设备的连接简示图。

图2是在平面电磁波激励下的本发明传输线缆耦合响应检测处理流程图。

图3是本发明电流—频率模型示意图。

图4是实施例用的入射平面电磁波的频谱结构图。

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1所示，在本发明中，对于电气或电子设备的连接采用A传输线缆和B传输线缆进行连接，并且A传输线缆和B传输线缆形成平行双线传输，在加载入射平面电磁波的条件下则该连接构成场—线耦合物理模型。在该场—线耦合物理模型中通过设置A传输线缆和B传输线缆的长度l(即传输线缆长度，A传输线缆与B传输线缆的长度是相等的)，A传输线缆和B传输线缆的距离d(即传输线缆距离)，入射平面电磁波的频率f₀，对于在不同传输线缆上加载不同电磁波，则传输线缆上的耦合响应是不同的。为了解决传输线缆对信息进行传输时造成的影响进行量化，本发明人通过电流响应来实现在平面电磁波激励下的传输线缆响应检测。

参见图2所示，本发明的一种在平面电磁波激励下的传输线缆响应检测系统包括有平面电磁波的频谱结构1、场—线耦合物理模型2、等效电路模型3、模型判断单元4、低频模型处理单元5、高频模型处理单元6和电流叠加单元7。

平面电磁波的频谱结构1是指在有入射平面电磁波的条件下，采用示波器得到频率f₀与波长λ₀的特征曲线。在本发明中，利用平面电磁波的频谱结构来获得在特定频率下该频率所对应的波长，故称为平面电磁波的频谱结构1输出在有入射平面电磁波的频率f₀下，该频率f₀所对应的波长λ₀(简称入射波波长λ₀)给模型判断单元3。

场—线耦合物理模型2用于输出发射设备与接收设备之间传输线缆的长度l(简称传输线缆长度l)给模型判断单元3。

等效电路模型3是指一种将电子设备之间的连接等效为电路的结构模式。如EMI滤波器的等效电路就为一个电感和电容的连接。根据该等效电路结构可以得到电子设备之间的连接所需性能指标。在本发明中，等效电路模型3用于输出导线感应的电压。该电压输出给低频模型处理单元5。

模型判断单元4中存储有两个判断条件，一是低频模型关系为l<λ₀/4，二是高频模型关系为l≥λ₀/4。模型判断单元4采用判断条件对接收的入射波波长λ₀、传输线缆长度l进行判别，从而得到是低频集总参数模型还是高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)。其中，表示入射平面电磁波的电场，E₀表示入射平面电磁波的电场幅值，f_i表示入射平面电磁波频谱结构中的各个峰值响应的频率点，α表示入射平面电磁波的极化角，ψ表示入射平面电磁波的入射角，φ表示入射平面电磁波的方位角。

低频模型处理单元5在低频情况下，A传输线缆和B传输线缆上的参数不随频率变化，依据低频集总参数模型在等效电路模型中的导线感应的电压为在等效电路模型中的Z2端的第一电流响应在本发明中，Z₁端、Z₂端分别是指《系统仿真学报》的文献图2中所示，即电流输入端和电流输出端。低频集总参数模型经低频模型处理单元5处理后输出第一电流响应I_低给电流叠加单元7。

高频模型处理单元6一方面依据传输线理论、电流—频率模型得到入射平面电磁波频谱结构中的各个峰值响应频率点f_i(i＝1，2，3，……，N)，i表示频段数，为正整数；另一方面利用所述峰值响应频率点f_i的电流响应(简称峰值电流)、峰值响应频率点f_i所对应的起点频率f_i1的电流响应(简称起点电流)、峰值响应频率点f_i所对应的终点频率f_i2的电流响应(简称终点电流)进行加权处理得到高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)的第二电流响应高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)经高频模型处理单元6处理后输出第二电流响应I_高给电流叠加单元7。

电流叠加单元7是对接收的I_低和I_高采用电流叠加原理即可得到入射平面电磁波激励下的传输线缆的耦合响应I(简称线缆耦合响应I)，即I＝I_低+I_高。

在本发明中，对于高频模型处理单元6中的所述峰值电流为

$I_{f_i}=\frac{q_i}{G}{\int }_0^l[E_x^{\mathrm{inc}}(x,d)-E_x^{\mathrm{inc}}(x,0)][Z_0\cos \mathrm{\beta x}+j{Z}_1\sin \mathrm{\beta x}]\mathrm{dx}$

                                               ，式中：

$+\frac{Z_0}{G}{\int }_0^d{E}_z^{\mathrm{inc}}(0,z)\mathrm{dz}-\frac{Z_0\cos \mathrm{\beta l}+j{Z}_1\sin \mathrm{\beta l}}{G}{\int }_0^d{E}_z^{\mathrm{inc}}(l,z)\mathrm{dz}$

表示入射到导线z＝d上X轴方向的电场。

$E_x^{\mathrm{inc}}(x,0)=E_0(\sin \alpha \sin \phi +\cos \alpha \cos \phi \sin \psi )e^{-\mathrm{jkx}\cos \psi \cos \phi },$表示入射到导线z＝0上X轴方向的电场。

$E_z^{\mathrm{inc}}(0,z)=E_0{e}^{\mathrm{jkz}\sin \psi }\cos \alpha \cos \psi$表示入射到导体x＝0上Z轴方向的电场。

$E_z^{\mathrm{inc}}(l,z)=E_0{e}^{-\mathrm{jk}(l\cos \psi \cos \phi -z\sin \psi )}\cos \alpha \cos \psi$表示入射到导体x＝l上Z轴方向的电场。

E₀表示入射平面电磁波电场幅值。

$q_i=\frac{{\sqrt{P}}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}(\sqrt{P_j}+\sqrt{P_{j1}}+\sqrt{P_{j2}})}$表示在峰值频率点f_i对E₀的修正系数，由入射平面电磁波的频谱结构决定，P_i表示入射平面电磁波频谱结构中峰值频率点f_i处的功率幅值(瓦特)，P_i1表示入射平面电磁波频谱结构中峰值频率点f_i所对应的起点频率f_i1处的功率幅值(瓦特)，P_i2表示入射平面电磁波频谱结构中峰值频率点f_i所对应的终点频率f_i2处的功率幅值(瓦特)。

G＝(Z₀Z₁+Z₀Z₂)cos(βl)+j(Z₀²+Z₁Z₂)sin(βl)，Z₀表示传输线缆的特性阻抗，Z₁是指《系统仿真学报》中的图2中Z₁，$\beta =2\pi f_i\sqrt{\mathrm{LC}},$表示无耗传输线缆的相移常数，L表示传输线缆的分布电感，C表示传输线缆的分布电容。

$k=2\pi f_i\sqrt{\mathrm{\mu ϵ}},$表示波数，μ表示磁导率，ε表示介电常数。

所述起点电流为$I_{f_{i1}}=\frac{q_{i1}}{G}{\int }_0^l[E_x^{\mathrm{inc}}(x,d)-E_x^{\mathrm{inc}}(x,0)][Z_0\cos {\beta }_{1}x+j{Z}_1\sin {\beta }_{1}x]\mathrm{dx}$

                                                                   ，式中，

                    $+\frac{Z_0}{G}{\int }_0^d{E}_z^{\mathrm{inc}}(0,z)\mathrm{dz}-\frac{Z_0\cos {\beta }_{1}l+j{Z}_1\sin {\beta }_{1}l}{G}{\int }_0^d{E}_z^{\mathrm{inc}}(l,z)\mathrm{dz}$

${\beta }_1=2\pi f_{i1}\sqrt{\mathrm{LC}},$ $k_1=2\pi f_{i1}\sqrt{\mathrm{\mu ϵ}},$ $q_{i1}=\frac{\sqrt{P_{i1}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}(\sqrt{P_j}+\sqrt{P_{j1}}+\sqrt{P_{j2}})}$表示在峰值响应频率点f_i所对应的起点频率f_i1对E₀的修正系数，由入射平面电磁波的频谱结构决定。

所述终点电流为$I_{f2}=\frac{q_{i2}}{G}{\int }_0^l[E_x^{\mathrm{inc}}(x,d)-E_x^{\mathrm{inc}}(x,0)][Z_0\cos {\beta }_{2}x+j{Z}_1\sin {\beta }_{2}x]\mathrm{dx}$

                                                                ，式中，

                   $+\frac{Z_0}{G}{\int }_0^d{E}_z^{\mathrm{inc}}(0,z)\mathrm{dz}-\frac{Z_0\cos {\beta }_{2}l+j{Z}_1\sin {\beta }_{2}l}{G}{\int }_0^d{E}_z^{\mathrm{inc}}(l,z)\mathrm{dz}$

${\beta }_2=2\pi f_{i2}\sqrt{\mathrm{LC}},$$k_2=2\pi f_{i2}\sqrt{\mathrm{\mu ϵ}},$$q_{i2}=\frac{\sqrt{P_{i2}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}(\sqrt{P_j}+\sqrt{P_{j1}}+\sqrt{P_{j2}})}$表示在峰值响应频率点f_i所对应的起点频率f_i1对E₀的修正系数，由入射平面电磁波的频谱结构决定。

以上式子涉及到的坐标是以文献图2中坐标系为参照的。

在本发明中，传输线理论是指当传输信号速率或频率达到一定时，必须考虑传输信号的通道上的分布参数。

在本发明中，电流—频率模型是指利用传输线理论，在等效电路模型中的Z₁、Z₂与传输线特性阻抗Z₀相匹配即相等的情况下，得到的入射平面电磁波单位电场下电流幅度|I|与频率f的关系模型。其关系示意图如图3所示。

在本发明中，高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)是指从“路”的角度，把入射平面电磁波在传输线缆上的耦合等效为无穷多的电压源，基于传输线理论得到的电流响应方程。

本发明的一种在平面电磁波激励下的传输线缆响应检测方法，其检测步骤为：

第一步：获取低频集总参数模型

依据入射平面电磁波的频谱结构1、场—线耦合物理模型2，通过比较入射波波长λ₀和传输线缆长度l在满足低频模型关系l<λ₀/4时，得到低频集总参数模型$L({\overrightarrow{E}}^{\mathrm{inc}},l);$

第二步：获取高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)

依据入射平面电磁波的频谱结构1、场—线耦合物理模型2，通过比较入射波波长λ₀和传输线缆长度l在满足高频模型关系l≥λ₀/4时，得到高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)；

第三步：获取在低频集总参数模型下的电流响应I_低

依据第一步得到的低频集总参数模型在等效电路模型中的导线感应的电压为在等效电路模型中的Z₂端的电流响应

第四步：获取在高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)下的电流响应I_高

(A)依据传输线理论、电流—频率模型得到入射平面电磁波频谱结构中的各个峰值响应频率点f_i(i＝1，2，3，……，N)，i表示频段数，为正整数；

(B)将峰值电流、起点电流、终点电流进行加权处理得到高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)的电流响应

第五步：获取双平行传输线耦合响应I

对第三步获得的I_低、第四步获得的I_高采用电流叠加原理得到入射平面电磁波激励下的传输线缆的耦合响应I，即I＝I_低+I_高。

实施例：

以机载环境中某场—线耦合系统为例，其场—线耦合物理模型、等效电路模型分别如图1，文献图2所示。等效电路模型中的参数分别为：l＝2m，d＝0.02m，Z₀＝Z₁＝Z₂＝300Ω，α＝0⁰，ψ＝60⁰，φ＝0⁰，E₀＝3.2μV/m。入射平面电磁波的频谱结构如图4，横轴是频率(单位是GHz，范围在[0.7GHz，1GHz])，纵轴是功率幅度(单位是dBmW)。

依据入射平面电磁波的频谱结构、场—线耦合物理模型、等效电路模型，通过比较入射电磁波的频率f₀∈[0.7GHz，1GHz]所对应的波长λ₀∈[0.4286m，0.3m]和传输线缆长度l＝2m满足模型关系l≥λ₀/4，得到高频分布参数模型H(E₀，f_i，l，d，α，ψ，φ)。低频集总参数模型的电流响应I_低＝0。

由图3电流—频率模型示意图可以看到等效电路模型中的Z₁、Z₂与传输线特性阻抗Z₀相匹配即相等的情况下，入射电磁波单位电场下电流幅度|I|以频率f_P＝c/l(c为光速)为周期响应，且电流幅度|I|在一个周期内的中间频率点(1.5f，2.5f，3.5f……)达到峰值，称为峰值频点。在本实施例具体参数下，入射平面电磁波的频谱结构中的周期响应频率f＝c/l＝3×10⁸/2＝0.15GHz，对应峰值响应频点f_i分别是f₁＝0.825GHz(对应起点频率f₁₁＝0.75GHz和终点频率f₁₂＝0.9GHz)，f₂＝0.975GHz(对应起点频率f₂₁＝0.9GHz和终点频率f₂₂＝1GHz)。可以看到入射平面电磁波频谱结构中还有一个不完全周期频段[0.7GHz，0.75GHz]没有归属，这在实际应用中是不可避免的。为了得到更为精确的电流响应，把这个不完全周期频段的两个端点频率当成某一个峰值响应频率f₃的起点频率f₃₁＝0.7GHz和终点频率f₃₂＝0.75GHz，只不过这个峰值响应频点f₃的功率幅值P₂＝0。由入射平面电磁波的频谱结构还可以得到q₁＝0.8357，q₂＝0.0297，q₃＝0，q₁₁＝q₃₂＝0.0187，q₁₂＝q₂₁＝0.0592，q₂₂＝0.0236，q₃₁＝0.0333。峰值电流公式、起点电流公式和终点电流公式解析得到峰值电流$\left|I_{f_1}\right|=132\mathrm{pA},$$\left|I_{f_2}\right|=75.13\mathrm{pA},$$I_{f_3}=0,$$\left|I_{f_{11}}\right|=\left|I_{f_{32}}\right|=3.44\mathrm{pA},$ $\left|I_{f_{12}}\right|=\left|I_{f_{21}}\right|=106.2\mathrm{pA},$ $\left|I_{f_{22}}\right|=53.2\mathrm{pA},$ $\left|I_{f_{31}}\right|=53.4\mathrm{pA},$相应得到I_高＝533pA。由电流叠加原理得到该入射平面电磁波激励下的传输线缆的耦合响应I＝I_低+I_高＝I_高＝533pA。