专利名称：基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种计箅多条线缆间的串扰，更特别地说，是指一种基于部分元等效 电路理论对安装在金属板上方的线缆间的串扰进行计算，该计箅获得的干扰强度能够 为产品使用中的线缆布局和电磁防护提供依据。
背景技术：
线缆在设备间短距离通信中有很广泛的应用，如
图1所示，在一金属板1上安
装有多个设备，这多个设备之间采用线缆实现通信。即A设备21与B设备22之间 采用A线缆11实m信；C设备23与D设备24之间采用B线缆12实现通信； E设备25与F设备26之间采用C线缆13实现通信；但是由于线缆间互感和互容 的存在使得串扰现象不可避免。且随着技术的发展，线缆的密度越来越大使串扰现象 更显著，成为电磁传导千扰的主要因素。
串扰是电子系统中最难解决的问题之一。在电子设计工程中几乎无一例外的都会 遇到无意干扰信号的有害影响。为了能够降低串扰的影响，首先需要有效而准确地对 线缆间的耦合电感和耦合电容进行建模分析计算，而这并非易事。 发明内§
为了计算安装在金属板上方的线缆间的串扰干扰，本发明提出一种基于部分元等 效电路理论的计算线缆间串扰强度的系统。该系统根据部分元等效电路理论在PC机 中应用VC++6.0编写了参数录入与构形单元、SPICE电路建模单元和干扰强度分析 单元。本发明采用部分元等效电路理论对线缆间的串扰进行分析，可准确而有效地计 箅线缆间的耦合电感和耦合电容，并获得线缆间的串扰强度。
本发明是一种基于部分元等效电路理论的计箅线缆间串扰强度的系统，该系统包 括有一计紫机，以及存储在计,中的平行线缆间串扰模块；
所述的平行线缆间串扰模块由参数录入与构形单元(101)、 SPICE电路建模单 元(102)和干扰强度分析单元(103)组成；参数录入与构形单元(101)根据参数录入界面记录的构形参数，以及线缆和金
属板的相对坐标关系得到线缆构形图；所述的构形参数包括有单根线缆参数
C—丄,D,CT,/^和金属板参数『—^,WV,^,『J,丄表示,线缆的长度；D表示 對艮线缆的直径；a表示单根线缆所选加工材料的电导率；i/表示线缆距离金属板 的高度；^表示金属板的长度；^表示金属板的宽度；『r表示金属板的厚度；K 表示金属板所选加工材料的电导率；
SPICE电路建模单元(102)根据参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形 图，采用部分元等效电路理论进行转换处理获得SPICE电路；
千扰强度分析单元(103)釆用SPICE电路分析软件对SPICE电路建模单元 (102)输出的SPICE电路上加载激励源和负载进行时域或频域的分析，从而得出 平行线缆的近端设备和远端设备的串扰耦合千扰强度。
所述的基于部分元等效电路理论的计箅线缆间串扰强度的系统中，应用部分元等 效电路理论转换处理包括有下列执行步骤
第一步，离散线缆构形图
SPICE电路建模单元(102)对接收到的参数录入与构形单元(101)输出的线 缆构形图进行离散处理，获得离散线缆构形所述的离散处理是通过用户输入的频率值A在自由空间中所对应的波长的十分
之一为依据，对线缆构形图按照部分元等效电路理论进行模型离散化处理；
第二步，获取离散线缆构形图参数值
依据部分元等效理论对离散线缆构形图进行计算，得到剖分体的剖分体电阻、剖
分体自电感、剖分体自电容以及离散块之间的剖分体互电感和剖分体互电容参数值； 第一剖分体电阻及=~^~， cT为第一剖分体r的电导率，/为第一剖分体F的
长度， 为第一剖分体F的截面积，且 =^6， A表示第一剖分体K的髙度，6表 示第一剖分体「的宽度；
第一剖分体自电感Zg-^^〖jb(;,^Vv'Jv， //。为真空中的磁导率，a
为介质(金属板或线缆)的相对磁导率， 为第一剖分体的截面积，j"J"G (P/>/v' 甴为空间格林函数G ( ,。在第一剖分体r上的两重积分，f 、 /为
第一剖分体F在空间上的两重积分的矢量位置，A、 ^'为第一剖分体F在空间上
的两重积分的变量；
第一截面的自电容c自=~^ j"J"g(Jv')^.^'， s。为真空中的介电常
Vr * %
数，^为介质(金属板或线缆)的相对介电常数， 为第一剖分体F的截面积，
J〖G(P/)A.A'为空间格林函数G( ,7)在第一截面上的两重积分，P、 /为第
一剖分体F在空间上的两重积分的矢量位置，ds、 A'为第一剖分体F上的第一截 面的两重积分变量；
第一剖分体F与第二剖分体『的互电感4 =^^_ f fG (r/Vv.dw，
WK wfT FJT
//。为真空中的磁导率，A为介质(金属板或线缆)的相对磁导率， 为第一剖分体
F的截面积， 为第二剖分体『的截面积，//G( /)^v'^为空间格林函数
G( /)在第一剖分体K、第二剖分体『上的积分，？、 f分别为第一剖分体F与第
二剖分体『在空间上的两个矢量位置，rfv为第一剖分体F在空间上的积分变量、
^为第二剖分体『在空间上的积分变量；
第一截面与第二截面的互电容C互=~^^ J JG ( /)^/'flfw', e。为真空
e。f a 印。『
中的介电常数，e,为介质(金属板或线缆)的相对介电常数， 为第一剖分体「的截 面积， 为第二剖分体『的截面积，J j"G ( , )dv'.为空间格林函数G (7/)在
第一截面与第二截面上的积分，？、 /分别为第一截面与第二截面在空间上的两个矢量 位置，dv'为第一截面在空间上的积分变量、^w/为第二截面在空间上的积分变量。 第三步，SPICE电路建立
/
依据线缆的连接关系和参数间的电磁耦合关系，对第一剖分体电阻i =
第一剖分体自电感Zg-^LJ^G(P,7)^v'^v 、第一截面的自电容
r r
7G (f/)A.、第一剖分体r与第二剖分体『的互电感
VA ^ 。「
￡ =_^_ f fG 和第一截面与第二截面的互电容
WK 「『
C互-——^——f fG( /)dv'^M/进行有效连接得到SPICE表征的SPICE电路。
fl「。『
腿
本发明的基于部分元等效电路理论的计箅线缆间串扰强度的系统的优点在于
(1) 将连接两个设备间的线缆采用部分元等效电路理论等效为SPICE等效电路， 从而在时域或频域中都可以对线缆的耦合进行分析。
(2) 利用计算机的计箅能力与平行线缆间串扰模块的配合，能够实时构建线缆模 型，并为设计者提供方便的参数计箅。
(3) 利用SPICE电路建模单元对接收的线缆构形参数进行部分元等效电路理论转 换处理，从而获得由分离元件组成的SPICE电路，该SPICE电路的外端可 以方便地添加任意形式的外部连接电路。
(4) 干扰强度分析单元将激励源和负载加载在SPICE电路建纟莫单元构建的SPICE 电路上，有利于对线缆间的耦合电感和耦合电容进行建模分析计算，从而得出 线缆的近端设备处和远端设备处的串扰耦合干扰的强度。
(5) 采用部分元等效电路理论计算安装在金属板上方的线缆间串扰耦合的精度髙、 计算时间短。
闺说明
图1是在金属板上多个设备间的线缆连接简示图。 图2是本发明平行线缆间串扰模块的结构图。 图2A是本发明参数录入与构形单元的界面。
图2B是本发明参数录入与构形单元中当点击添加/更新时线缆坐标录入界面, 图2C是本发明千扰强度分析单元中激励源及负载的参数设置界面。 图3A是本发明SPICE电路建模单元中的第一剖分体K的等效结构图。 图犯是本发明SPICE电路建模单元中的第二剖分体『的等效结构图。 图4是本发明实施例中线缆及金属板的位置简示图。 图5是本发明实施例中线缆的近端串扰结果图。
具体实施例方式
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2、图2A、图2B、图2C所示，本发明是一种基于部分元等效电路理论 的计箅线缆间串扰强度的系统，该系统包括有一计,和存储在计,内的平行线缆 间串扰模块，该平行线缆间串扰模块由参数录入与构形单元101、 SPICE电路建模 单元102和干扰强度分析单元103组成；
计箅机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计箅和 各种信息处理的现代化智能电子设备。在本发明中，计,的最低配置为:主频1.24 GB、内存512M、硬盘10GB;计箅机的操作系统为Windows 2000/2003/XP。
在本发明中，平行线缆间串扰模块采用VC++语言编写(版本号￥0++6.0)。
(一) 参数录入与构形单元101
参见图2A、图2B所示，参数录入与构形单元101首先通过"参数录入界面" 将构形参数记录入计,的存储器中；然后依据线缆和金属板的相对坐标关系得到在 "参数录入界面"左上角显示的图示，该图示称为线缆构形图。
构形参数包括有单根线缆参数C-仏,Z)",/^和金属板参数
『={^,~，^,『。};其中，丄表示對艮线缆的长度；"表示,线缆的直径；"表 示单根线缆所选加工材料的电导率；a表示线缆距离金属板的高度；『￡表示金属板 的长度；『『表示金属板的宽度；『t表示金属板的厚度；『。表示金属板所选加工材 料的电导率。
金属板的坐标起始点默认为坐标原点，即O (O,O，O)点。点击"线缆参数录入" 中的"添加/更新"按钮后会弹出如图2B所示的界面提示输入当前线缆所需的坐标 起点。
在本发明中，参数录入与构形单元101将实际的平行线缆与金属板转化输出为
实际电路的等效模型。构形所需参数通过"参数录入界面"录入，当参数输入完毕后，
参数录入与构形单元101即可输出实际电路的等效模型作为SPICE电路建模单元 102的输入量。
(二) SPICE电路建模单元102在本发明中，SPICE电路建模单元102根据参数录入与构形单元101输出的线 缆构形图，釆用部分元等效电路理论转换处理获得由分离元件组成SPICE电路(简 称为SPICE电路)；
所述的部分元等效电路理论转换处理包括有下列执行步骤
第一步，离散线缆构形图
SPICE电路建模单元102对接收到的线缆构形图进行离散处理，获得以各个离 散块来表达的线缆构形(简称为离散线缆构形图)；
在步骤中，用户需要输入一个的参数，该参数为串扰所需计算的最髙频率值/w。
在本发明中，步骤的离散处理是以/fl在自由空间中所对应的波长的十分之一为 依据，对参数录入与构形单元输出的线缆构形图按照部分元等效电路理论进行模型离 散化处理。
第二步，获取离散线缆构形图参数值
参见图3A、图3B所示，依据部分元等效理论对离散线缆构形图进行计算，得
到各个离散块(也称为剖分体)的剖分体电阻、剖分体自电感、剖分体自电容以及离
散块之间的剖分体互电感和剖分体互电容参数值。
第一剖分体电阻^ = ~^一， O"为第一剖分体F的电导率，/为第一剖分体F的
C7 .
长度， 为第一剖分体F的截面积，即ABCD形成的第一截面，且 -A.6, A表 示第一剖分体F的高度，6表示第一剖分体F的宽度。
第一剖分体自电感<formula>formula see original document page 10</formula>o为真空中的磁导率，a
为介质(金属板或线缆)的相对磁导率， 为第一剖分体的ct1r,
Jjb (f/)c/vA^v为空间格林函数G f,r)在第一剖分体r上的两重积分，卩、7为 第一剖分体F在空间上的两重积分的矢量位置，^v、 ^/为第一剖分体F在空间上
的两重积分的变量。
第一截面的自电容<formula>formula see original document page 10</formula>为真空中的介电常
数，^为介质(金属板或线缆)的相对介电常数， 为第一剖分体F的截面积，J J"G(f/)^yd/为空间格林函数G( 7)在第一截面上的两重积分，P、 r'为第
~
一剖分体F在空间上的两重积分的矢量位置，A、 ^s'为第一剖分体F上的第一截 面的两重积分变量。
在本发明中，第二剖分体『上的EFGH形成的第二截面，第二剖分体『的长 度记为y，第二剖分体『的高记为f,第二剖分体『的宽记为A,第二截面的面积 + =/^, i表示第二剖分体『的高度，A表示第二剖分体『的宽度。
第一剖分体K与第二剖分体『的互电感丄互=^i_ J JG ( ,卩/v.^m;，
//。为真空中的磁导率，从为介质(金属板或线缆)的相对磁导率， 为第一剖分体
r的截面积，"『为第二剖分体『的截面积，J"j"G(f/)^v'^为空间格林函数
G( /)在第一剖分体F、第二剖分体『上的积分，？、 /分别为第一剖分体F与第 二剖分体『在空间上的两个矢量位置，A为第一剖分体F在空间上的积分变量、 ^为第二剖分体『在空间上的积分变量。
第一截面与第二截面的互电容c互=^^^ J Jg f/Wv''^' ， s。为真
￡" ra^印。『
空中的介电常数，^为介质(金属板或线缆)的相对介电常数， 为第一剖分体K的 截面积， 为第二剖分体『的截面积，J" J"g ( /)^/.^m/为空间格林函数G (7/)
在第一截面与第二截面上的积分，？、 f分别为第一截面与第二截面在空间上的两个 矢量位置，^/为第一截面在空间上的积分变量、dii/为第二截面在空间上的积分变 量。
第三步，SPICE电路建立
根据各个离散元件间的相互关系对其进行连接，得到SPICE电路；依据线缆的 连接关系以及参数间的电磁耦合关系，对上述各个部分体参数进行有效连接得到 SPICE形式的电路。
(三)干扰强度分析单元103
参见图2C所示，千扰强度分析单元103在接收到的SPICE电路上加载激励源 和负载，然后导入SPICE电路分析软件中进行时域或频域的分析从而得出平行线缆 的近端设备处和远端设备处的串扰耦合干扰的强度。在本发明中，加载的激励源有脉冲激励源、正弦激励源或者方波激励源；脉冲激 励源中应当包括有低电平、高电平、延时时间、上升沿时间、下降沿时间、脉冲宽度 和脉冲周期相关参数。正弦激励源应当包括有幅度和频率相关参数。方波激励源应当 包括有幅度、频率和占空比相关参数。
在本发明中，负载是指设备的输入阻抗值。
在本发明中使用的SPICE电路分析软件为ADS2005A。
实施例1 :
在铜板(铜板尺寸『i-l附，『『=0.5/m，『r=0.5w/m，『CT=5.8xl07S//w) 上平行布置两根铜线缆(如图4所示)，A线缆(端口 A至端口 B)的长度丄=0.3附、 直径D-lm/w、电导率o"-5.8xl07S/m、距离金属板高度/f =5mm , B线缆(端 口C至端口D)的长度丄-0.3w、直径D-lm伤、电导率0"-5.8乂1075// 、距 离金属板高度^-5/ww; A线缆的坐标起点为X-0.3m、 Y-0.3;w ， B线缆的坐标 起点为X-0.3m、 Y=0.2w。
根据本发明的平行线缆间串扰模块进行串扰耦合的计箅方法，平行线缆及其铜板 采用如图4所示的结构。在端口 A处添加脉冲信号源，其低电平为0F、高电平为 1K 、延时时间为O";s 、上升时间为400ra 、下降时间为400"s 、脉冲宽度为1200朋、 脉冲周期为4000朋。其它三个端口 (端口 B、端口 C和端口 D)添加无源的50Q 负载。
将图4所示电路结构输入到平行线缆间串扰模块得到线缆间近端串扰耦合时域 结果如图5所示。从图5中可以看出端口 B处的信号波形几乎与输入信号是相同的， 端口 C处的信号波形就是由串扰耦合产生的。
本发明的一种基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的系统,该系统根 据部分元等效电路理论在计算机中应用VC++6.0编写了参数录入与构形单元、 SPICE电路建模单元和干扰强度分析单元。本发明采用部分元等效电路理论对线缆 间的串扰进行分析，可准确而有效地计箅线缆间的耦合电感和耦合电容，并获得线缆 间的串扰强度。
1权利要求
1、一种基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的系统，该系统包括有一计算机，其特征在于还包括有平行线缆间串扰模块，该平行线缆间串扰模块存储在计算机中；所述的平行线缆间串扰模块由参数录入与构形单元(101)、SPICE电路建模单元(102)和干扰强度分析单元(103)组成；参数录入与构形单元(101)根据参数录入界面记录的构形参数，以及线缆和金属板的相对坐标关系得到线缆构形图；所述的构形参数包括有单根线缆参数C＝{L，D，σ，H}和金属板参数W＝{WL，WW，WT，Wσ}，L表示单根线缆的长度；D表示单根线缆的直径；σ表示单根线缆所选加工材料的电导率；H表示线缆距离金属板的高度；WL表示金属板的长度；WW表示金属板的宽度；WT表示金属板的厚度；Wσ表示金属板所选加工材料的电导率；SPICE电路建模单元(102)根据参数录入与构形单元(101)输出的线缆构形图，采用部分元等效电路理论进行转换处理获得SPICE电路；干扰强度分析单元(103)采用SPICE电路分析软件对SPICE电路建模单元(102)输出的SPICE电路上加载激励源和负载进行时域或频域的分析，从而得出平行线缆的近端设备和远端设备的串扰耦合干扰强度。
2、 根据权利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计箅线缆间串扰强度的系统， 其特征在于所述的部分元等效电路理论转换处理包括有下列执行步骤第一步，离散线缆构形图SPICE电路建模单元(102)对接收到的参数录入与构形单元(101)输出的线 缆构形图进行离散处理，获得离散线缆构形图；所述的离散处理JiM过用户输入的频率值/ff在自由空间中所对应的波长的十分 之一为依据，对线缆构形图按照部分元等效电路理论进行模型离散化处理；第二步，获取离散线缆构形图参数值依据部分元等效理论对离散线缆构形图进行计箅，得到剖分体的剖分体电阻、剖 分体自电感、剖分体自电容以及离散块之间的剖分体互电感和剖分体互电容参数值；第一剖分体电阻^=~^~, c为第一剖分体r的电导率，/为第一剖分体r的长度， 为第一剖分体F的截面积，且 =^6， A表示第一剖分体F的高度，6表 示第一剖分体K的宽度；第一剖分体自电感Zg-^^j^G(^r')^'Jv， a为真空中的磁导率，a为介质(金属板或线缆)的相对磁导率， 为第一剖分体的截面积， J"J"g a为空间格林函数G ( 歹)在第一剖分体r上的两重积分，P、 /为第一剖分体F在空间上的两重积分的矢量位置，A、 flfv'为第一剖分体F在空间上 的两重积分的变量；第一截面的自电容C自=~^ j JV (^v')^.^' ， s。为真空中的介电常e。f , 印*数，e,为介质(金属板或线缆)的相对介电常数， 为第一剖分体「的截面积， j jg .^y'为空间格林函数c (y)在第一截面上的两重积分，P 、 /为第 一剖分体K在空间上的两重积分的矢量位置，A、 fi^为第一剖分体F上的第一截 面的两重积分变量；第一剖分体r与第二剖分体『的互电感Z^ f fG ( /)rfv.c^，WF w『FWa为真空中的磁导率，a为介质(金属板或线缆)的相对磁导率， 为第一剖分体 F的截面积， 为第二剖分体『的截面积，^G( /)rfv^为空间格林函数F『G(7/)在第一剖分体F、第二剖分体『上的积分，？、 f分别为第一剖分体r与第 二剖分体『在空间上的两个矢量位置，a为第一剖分体F在空间上的积分变量、 ^v为第二剖分体『在空间上的积分变量；第一截面与第二截面的互电容c互=~~ ~— J J"g ( /)ch/'^/, s。为真空中的介电常数，^为介质(金属板或线缆)的相对介电常数， 为第一剖分体K的截 面积， 为第二剖分体『的截面积，j" ]^( /)甴'*^/为空间格林函数(7( ,卩)在第一截面与第二截面上的积分，7、 Z分别为第一截面与第二截面在空间上的两个矢量位置，^/为第一截面在空间上的积分变量、fi w/为第二截面在空间上的积分变量。第三步，SPICE电路建立依据线缆的连接关系和参数间的电磁耦合关系，对第一剖分体电阻^ =第一剖分体自电感Zg-^^J7G(;/)flfv'Jv 、第一截面的自电容<formula>formula see original document page 4</formula>第一剖分体r与第二剖分体『的互电感 <formula>formula see original document page 4</formula>和第一截面与第二截面的互电容<formula>formula see original document page 4</formula> 进行有效连接得到SPICE表征的SPICE电 路。
3、 根据禾又利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计箅线缆间串扰强度的系统， 其特征在于平行线缆间串扰模块采用VC++语言编写，并存储在计箅机中。
4、 根据权利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的系统， 其特征在于加载在SPICE电路上的激励源有脉冲激励源、正弦激励源或者方波 激励源。
5、 根据权利要求1或3所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的系 统，其特征在于加载在SPICE电路上的脉冲激励源中应当包括有低电平、高电 平、延时时间、上升沿时间、下降沿时间、脉冲宽度和脉冲周期相关参数。
6、 根据权利要求1或3所述的基于部分元等效电路理论的计箅线缆间串扰强度的系 统，其特征在于加载在SPICE电路上的正弦激励源应当包括有幅度和频率相关 参数;方波激励源应当包括有幅度、频率和占空比相关参数。
7、 根据权利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计箅线缆间串扰强度的系统， 其特征在于加载在SPICE电路上的负载是指设备的输入阻抗值。
8、 ,艮据权利要求1所述的基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的系统， 其特征在于干扰强度分析单元(103)中采用的SPICE电路分析软件为 ADS2005A。
全文摘要
本发明公开了一种基于部分元等效电路理论的计算线缆间串扰强度的系统，该系统包括有一计算机和存储在计算机内的平行线缆间串扰模块，该平行线缆间串扰模块是根据部分元等效电路理论在计算机中应用VC++6.0编写的。参数录入与构形单元依据构形参数获得线缆和金属板的线缆构形图；SPICE电路建模单元根据线缆构形图采用部分元等效电路理论转换处理获得SPICE电路；干扰强度分析单元依据在SPICE电路上加载激励源和负载，从而得出平行线缆的近端设备和远端设备的串扰耦合干扰的强度。本发明采用部分元等效电路理论对线缆间的串扰进行分析，可准确而有效地计算线缆间的耦合电感和耦合电容，并获得线缆间的串扰强度。
文档编号G06F17/50GK101667216SQ20091009347
公开日2010年3月10日 申请日期2009年10月10日 优先权日2009年10月10日
发明者刘跃东, 汪玉梅, 苏东林, 陈爱新 申请人:北京航空航天大学