专利名称：一种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测方法
技术领域：
本发明涉及一种线缆束终端串扰快速预测方法，尤其涉及一种对直角地面上方线 缆束终端串扰问题的快速预测方法。
背景技术：
等效线束法(Equivalent Cable Bundle Method, ECBM)是一种高效分析大量线缆 组成线束的电磁兼容性方法，它首先由Guillaume Andrieu等人在2008年提出，并应用于 汽车内部线缆束收到外界电磁信号耦合时线缆束共模电流的提取问题。其基本思想是当外 界电磁信号耦合到线缆束上时，线缆束中的共模电流远大于差模电流，因此可根据线缆束 中每根线缆的终端阻抗与线缆束共模特性阻抗的相对大小将所有线缆束分为四组或者更 少。这样无论线缆束中线缆的数量多么庞大，类型多么复杂，最终均可简化成最多四根等 效线缆的线缆束，大大简化了原有线缆束的形式，提高了仿真效率，其适用频率可达3GHz。 但线缆束中线缆的短接阻抗仅限于实阻抗，使其应用受到很大限制。2009年，Guillaume Andrieu等人又将等效线束法进行了拓展，将其应用于复杂线缆束对外部空间的辐射问题 中。2010年，B. Schetelig等人将等效线束法用于差分线受到外界电磁波照射时差分线中 感应电流的计算中。
在国内，重庆大学的李永明副教授指导的2010届硕士研究生曾铉在其毕业论文 中将等效线束法应用到汽车内线束的电磁辐射中，并取得了满意的效果。2010年南京航空 航天大学的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缆束串扰耦合的分 析中，该方法既可以分析线缆束中任意两根线缆之间的串扰耦合，又可以分析单一线缆与 其他线缆束中任一线缆之间的串扰耦合，同时还能分析两线缆束中任意两根线缆之间的串 扰耦合。但是，其中线缆的端接负载也只限于实阻抗，线缆束的排布仅限于一条直线，端接 激励信号的频率也限于IGHz及以下。2011年，李茁等人又提出了一种广义等效线束法，该 方法将原有等效线束法的适用范围进一步拓展，可计算端接阻抗为任意复阻抗时的共模电 流、共模辐射和串扰耦合等。2012年，李茁课题组又将该方法成功用于汽车线缆的电磁兼容 性评估中。同年，李茁课题组又将等效线束法拓展应用于圆柱腔体内多导体线缆束的串扰 耦合预估中，进一步拓展了等效线束法的应用范围。
国内外学者的研究表明，等效线束法实用有效，应用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，但存在端接阻抗 的有限性、复杂网络的适用性不强等问题。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。
发明内容
发明目的本发明解决的是直角地面上方线缆束终端串扰的预测问题，本发明提 出了一种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测方法，该方法首先是结合多导体传输线 和镜像法理论直接求得直角接地面上方多导体线缆束单位长度分布参数的解析公式，从而为传统等效线束法在此类问题中的应用解决了关键性的难题，从而极大地降低了此类问题 中线缆束终端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。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的
—种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测方法，其特征在于该方法包括两个 过程
过程一结合多导体传输线和镜像法理论求得直角接地平面上方多导体线缆束单 位长度分布参数的解析计算公式，然后采用该解析公式得到原始线缆束的单位长度电感和 电容参数矩阵；
过程二 采用等效线束法并结合过程一中单位长度分布参数的解析计算公式来实 现直角接地平面上方多导体线缆束简化模型，再用多导体传输线网络方法仿真计算出直角 地面上方线缆束简化后受扰线缆的近、远端时域串扰电压。
本发明采用上述技术方案具有如下有益效果
1.本发明主要解决一种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测问题，尤其是结 合多导体传输线和镜像法理论求得直角接地面上方多导体线缆束的单位长度电感和电容 参数的解析结果，为传统等效线束法在该问题中的应用解决了关键性的难题，从而拓宽了 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基于等效线束法的一种直角地面上 方线缆束终端串扰的快速方法，目的也是降低直角地面上方线缆束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以看出，简化线缆的仿真计算时间相对完整线缆的计算时间 减少5. 5倍(完整线缆为14根线缆仿真计算时间为33秒，简化线缆为6根线缆仿真计算时 间为6秒，仿真是在2.1GHz处理器和2. OGB内存计算机上实现的)，随着直角地面上方线缆 束系统中的完整线缆数目的不断增加，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束模型等效成简化线缆束模型，且 根据多导体传输线网络方法，对简化前后的仿真结果进行对比分析，能够得到精度相对较 高且令人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更大的提高。
4.应用范围广泛；本发明主要应用了线缆束的等效思想，提出了一种直角地面上 方线缆束终端串扰的快速方法，一方面，对于接地面的角度为60°、45°、30°等等符合多 导体传输线和镜像法理论的角度均可采用本发明的思想过程，首先给出上述角度接地面下 的多导体线缆束单位长度电感和电容参数的解析结果，然后在运用等效线束法实现等效快 速预测；另一方面，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，以及包括汽车、飞机等环境下的电气布线互联系统中线缆电磁兼容性问题的快速分析计算都同样适用。
本发明不仅会促进传统等效线束法的发展，扩展其应用范围，也为机载电气布线互联系统(Electrical Wiring Interconnection System,简称 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，而且对我国的汽车行业、航空航天事业的发展也具有重要意义。
图1是本发明解决的直角接地面上方多导体线缆束示意图。
图2是本发明求解的直角接地面上方双导体传输线自感镜像原理图。
图3是本发明求解的直角接地面上方双导体传输线互感镜像原理图。
图4是本发明求解的直角接地面上方完整线缆束模型终端几何截面图。
图5是本发明求解的直角接地面上方简化线缆束模型终端几何截面图。
图6是本发明中线缆3的近端所加的时域周期性脉冲电压波形图。
图7是本发明预测线缆终端的受扰线近端串扰电压波形图。
图8是本发明预测线缆终端的受扰线远端串扰电压波形图。具体实施方案
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1所示，本发明主要解决一种直角接地面上方多导体线缆束终端串扰的简化计算问题。一种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测方法包括两个过程
过程一结合多导体传输线和镜像理论，推导出直角接地面上方多导体线缆束单位长度分布参数的解析计算公式；
在传输线间的间隔大于等于5倍传输线半径的假设条件下，传输线周围的电荷和电流分布是均匀的，在这种情况下，可用导线的镜像代替接地平面如附图2和3所示，无限大直角接地面上方分别有线缆i和j，流过线缆i和j的电流(‘ ，表示流入纸面内，Θ表示流出纸面)分别为Ii和I」，流过线缆i和j的镜像线缆i (j)_1; i (j)_2，i (j)_3上的电流分别为 _Ii
权利要求
1.一种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测方法，其特征在于该方法包括两个过程: 过程一结合多导体传输线和镜像法理论求得直角接地平面上方多导体线缆束单位长度分布参数的解析计算公式，然后采用该解析公式得到原始线缆束的单位长度电感和电容参数矩阵； 过程二 采用等效线束法并结合过程一中单位长度分布参数的解析计算公式来实现直角接地平面上方多导体线缆束简化模型，再用多导体传输线网络方法仿真计算出直角地面上方线缆束简化后受扰线缆的近、远端时域串扰电压。
2.根据权利要求1所述的一种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测方法，其特征在于过程一具体包括首先结合多导体传输线和镜像法理论求得直角接地平面上方无耗的理想多导体传输线缆束的单位长度自电感Lii和互电感Lij参数，如公式(I)和(2)所示
3.根据权利要求1所述的一种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测方法，其特征在于过程二具体还包括在等效线束法实施过程中，首先，将参与等效的线缆束进行分组，并用过程一中求得的解析计算公式得到等效线缆束的单位长度电感和电容参数；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[Lyd]和[Cyd]参数矩阵；然后，计算得到简化线缆束的几何截面模型；再根据线缆终端所接负载对地情况，计算其对地共模负载；最后建立简化后的线缆束模型，运用多导体传输线网络方法仿真计算得到简化线缆束终端串扰电压。
4.根据权利要求3所述的一种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测方法，其特征在于计算简化线缆束的几何截面模型具体还包括如下步骤 .1.取第i组所有线缆离直角地面水平和垂直高度的平均值作为简化线缆的水平离地高度hyi和垂直离地高度hxi ； .2.根据公式(8)计算出简化线缆截面的等效半径ri，其中；Lnyd表示第i根等效线缆单位长度自电感参数，μ o=4 πX 10_7H/m，表示真空中的磁导率；
全文摘要
本发明公开一种直角地面上方线缆束终端串扰的快速预测方法，该方法是一种对直角接地平面适用，且能快速预测其上方多导体线缆束终端串扰的等效方法。此方法首先结合多导体传输线和镜像法理论求得直角接地面上方多导体线缆束单位长度分布参数的解析公式，从而为传统等效线束法在此类问题中的应用解决了关键性的难题，然后再运用等效线束法实现直角地面上方线缆束终端串扰电压的预估，极大地降低了线缆束终端串扰的计算复杂度和计算机内存需求，提高了仿真预测速度。此方法不仅会促进传统等效线束法的发展，扩展其应用范围，而且对我国的汽车行业、航空航天事业的发展也具有重要意义，尤其可为大飞机的电气互联设计和布线提供理论依据和分析手段。
文档编号G01R31/00GK103048563SQ201210554470
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者刘亮亮, 李茁, 颜建, 顾长青, 曹明慧, 徐安旺 申请人:南京航空航天大学