一種電磁兼容建模方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電磁兼容領(lǐng)域，主要解決了電磁兼容分析建模的復(fù)雜性問題。設(shè)計了一種通過端口與外界聯(lián)系的統(tǒng)一封裝的電磁兼容建模方法，它利用多端口網(wǎng)絡(luò)來對干擾源、傳播途徑和敏感器進行統(tǒng)一描述。將干擾源、傳輸途徑和敏感器均視為黑盒子，該黑盒子通過端口同外界聯(lián)系，任何一個能夠讓系統(tǒng)同外界發(fā)生電磁能量關(guān)系的窗口都被定義為一個端口。本方法與傳統(tǒng)的電磁兼容建模方法相比，具有一致性和易組合的特點。本發(fā)明具有很強的實用價值，能夠應(yīng)用到不同級別的電磁兼容分析當中，在電磁干擾抑制、電磁兼容性能分析評估、電磁防護等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種電磁兼容建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及電磁干擾與電磁兼容分析方法，特別是一種電磁兼容建模方法，可應(yīng) 用于系統(tǒng)級、設(shè)備級、電路板級等不同級別的電磁兼容性能分析中。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁兼容模型是對電磁干擾機理和實驗分析的數(shù)學(xué)描述，是進行電磁兼容預(yù)測分 析的基礎(chǔ)。按照電磁干擾三要素原理，干擾模型分為干擾源模型、傳輸途徑模型和敏感器模 型。
[0003] 從層次上，電磁兼容性分析一般可以分為系統(tǒng)級、設(shè)備級和電路板級三個層次，因 為各層次對象的針對性較強，其分析方法和建模方法也會有較為明顯的區(qū)分。第一個層次 是板級的電磁兼容預(yù)測，需要建立PCB板的電磁行為模型;第二個層次是設(shè)備的電磁兼容預(yù) 測，例如多芯線、驅(qū)動器等電子電氣部件本身的電磁兼容預(yù)測，以及設(shè)備與設(shè)備之間的電磁 兼容預(yù)測，需要建立多導(dǎo)體傳輸線、線性與非線性負載的模型;第三個層次是系統(tǒng)級的電磁 兼容預(yù)測，針對例如飛機、艦船、導(dǎo)彈、飛船等裝有多種復(fù)雜電子電氣設(shè)備的系統(tǒng)進行電磁 兼容預(yù)測，需要建立大系統(tǒng)的電磁兼容模型及電波的空間傳播模型。
[0004] 傳統(tǒng)的電磁兼容模型易于理解，但是不能全面反映干擾產(chǎn)生、傳播和形成的過程； 另外，對于不同級別的電磁兼容分析，其建模方法多種多樣，難以做到很高的通用性，不利 于電磁兼容技術(shù)的進一步發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有電磁兼容建模方法的不足，本發(fā)明提供一種新的電磁兼容建模方 法，稱為電磁兼容的一致性建模方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種電磁兼容建模方法，其特征在于，包括如下步 驟：
[0007] 第一步，將干擾源、傳輸途徑和敏感設(shè)備這三要素進行封裝。
[0008] 傳統(tǒng)的電磁兼容建模方法是將電磁干擾三要素分別進行建模，而本方法用多端口 網(wǎng)絡(luò)來統(tǒng)一描述干擾源、傳播途徑和敏感器的模型。將干擾源、傳輸途徑和敏感器均視為黑 盒子，該黑盒子通過端口同外界聯(lián)系。
[0009] 第二步，確定封裝后模型的端口。
[0010]封裝后的模型通過端口與外界進行聯(lián)系。任何一個能夠讓系統(tǒng)同外界發(fā)生電磁能 量關(guān)系的窗口都被定義為一個端口。模型的所有端口都是雙向的，即包含輸入與輸出。當實 際系統(tǒng)在某一端口只可能產(chǎn)生能量輸入或者能量輸出時，可退化為單向端口。
[0011] 端口不僅包含傳統(tǒng)意義上的信號的輸入輸出口，比如天線、信號接口、電源接口 等;而且包含孔縫、非理想材料透波等能量交互途徑。
[0012] 第三步，建立模型。
[0013] 確定模型的端口類型就是找到模型各端口的輸出同輸入的函數(shù)表達式和函數(shù)參 數(shù)。按照模型實體的類型可以將端口類型分為電路端口，電磁端口和混合端口三類。
[0014] 電路模型的建立主要根據(jù)電路的類別來實施，電路建模的理論和方法相對比較成 熟。
[0015] 電磁模型的建立主要是根據(jù)電磁場的物理性質(zhì)，通過一組微分方程或積分方程， 并根據(jù)邊界條件來確定。電磁場的邊界值問題求解歸納起來有3種方法:第一種是解析法， 第二種是近似法，第三種是數(shù)值法。
[0016] 混合模型的建立需要結(jié)合電路模型的分析方法和電磁模型的分析方法。混合模型 可以重新分割為電路模型和電磁模型兩種類型的子單元模型。
[0017] 本發(fā)明與傳統(tǒng)的電磁兼容建模方法相比，具有一致性和易組合的特點?？梢苑奖?地引入電磁兼容預(yù)測的研究成果，應(yīng)對不同級別的電磁兼容分析要求，達到使用一種建模 方法便可以滿足不同級別的電磁兼容分析需求的目的。本發(fā)明具有很強的實用價值，能夠 應(yīng)用到不同級別的電磁兼容分析當中，在電磁干擾抑制、電磁兼容性能分析評估、電磁防護 等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0018] 圖1是電磁兼容一致性建模方法示意圖；
[0019] 圖2是方艙示意圖；
[0020] 圖3是方艙的電磁兼容一致性建模；
[0021] 圖4是模型的拓撲關(guān)系；
[0022]圖5是雷達系統(tǒng)前端的基本結(jié)構(gòu)；
[0023]圖6是雷達系統(tǒng)前端的電磁兼容一致性建模。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細說明。
[0025]第一步，封裝模型。
[0026]圖1為電磁兼容一致性建模方法的不意圖，其中Pi~PN為端口。米用雙向端口來描 述設(shè)備同外界的能量交換窗口能夠準確反映系統(tǒng)同外界的相互影響。實際系統(tǒng)中，理想的 輸入端口和輸出端口是不存在的，所謂理想的輸入(輸出）端口，是指能量只會從外部（內(nèi) 部)傳輸?shù)絻?nèi)部(外部），之所以傳統(tǒng)的方法將端口大多定義為單向的，是為了簡化而采取的 近似。但是這種近似可能會造成重要的電磁干擾成因被忽略。
[0027] 第二步，確定封裝后模型的端口。
[0028] 任意端口的輸出均為所有端口輸入的函數(shù)，這一關(guān)系由下列方程組描述：
[0029]
( 1)
[0030] 式中，Pti表示第i個端口的輸出；
[0031] Pri表示第i個端口的輸入。
[0032] 端口間的關(guān)系不限于一對一關(guān)系。端口的輸入可以是其他多個模型端口的輸出加 權(quán)總和;端口的輸出也有可以對其他多個模型的端口輸入產(chǎn)生影響。
[0033] 端口間的關(guān)系可寫為矩陣形式
[0034] [Ρ] = [Γ][Ρ] (2)
[0035] 式中，[Ρ]為所有端口組成的向量；
[0036] [ Γ ]為端口間的傳輸關(guān)系，對于不相關(guān)的端口，[ Γ ]中對應(yīng)的元素為0。
[0037] 以一個車載方艙示例說明電磁兼容一致性建模方法。
[0038] 圖2為方艙示意圖。分為兩個隔艙，艙1中有電腦操作隔間，有兩臺做數(shù)據(jù)處理的電 腦;艙2中為有接收機柜保護的接收機，艙外接天線。接收機數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線連接到電腦中。 [0039]進行電磁兼容一致性建模如圖3所示。圖中虛線為端口間的交互作用關(guān)系。端口 P1Ik的編號規(guī)則為:i:模型層次;j:同一層次模型編號;k:同一模型端口編號。
[0040] 按照模型的層次建立拓撲關(guān)系如圖4所示，若進行系統(tǒng)間電磁兼容分析，關(guān)心的是 方艙與外部空間的能量交換問題，則只需提取方艙模型;若進行設(shè)備級電磁兼容分析，則需 提取到PC所在的四級模型;若進行電路級電磁兼容分析，則需進行更深入，更詳細，更底層 的電磁兼容一致性建模。
[0041] 在實際進行電磁兼容分析時，應(yīng)該本著"由小到大"的原則，從所需分析問題的底 層開始進行電磁兼容一致性建模。
[0042]電磁兼容分析統(tǒng)一建模方法具有如下特性：
[0043] (1)-致性
[0044] 將干擾要素或者干擾要素的一部分視為一個獨立的單元，單元同外界的聯(lián)系通過 端口實現(xiàn)，該單元就是一個模型實體，模型的行為由單元端口之間的傳輸函數(shù)來描述。因此 不管是干擾源，干擾傳輸途徑還是敏感設(shè)備或是它們中的一部分都可定義為一個模型實 體，這樣千差萬別的單元對應(yīng)的模型均具有相同的結(jié)構(gòu)，這給分析、計算以及編制計算機仿 真程序都會帶來極大的方便。
[0045] (2)組合性
[0046] 模型間易于組合、方便分級。采用電磁兼容一致性建模方法描述系統(tǒng)之后，每個模 型的結(jié)構(gòu)都是相同的，但所處的層次可以是不同的，利用底層的模型單元可以方便組合成 高一層次的單元。
[0047] 模型實體之間有聯(lián)系的端口直接對接，剩余的端口作為高層次單元端口的參數(shù)； 高層單元端口則是它們的加權(quán)組合。
[0048] (3)獨立性
[0049] 縱向獨立性:模型實體只與高一階及低一階的模型實體相聯(lián)系，對于相差二階以 上的模型實體之間不存在直接聯(lián)系。是縱向獨立的。
[0050] 橫向獨立性:不從屬同一高層次單元的同一層次模型實體之間不存在直接聯(lián)系， 是橫向獨立的。
[0051] 以典型的雷達系統(tǒng)前端為例說明電磁兼容一致性建模的特性。雷達系統(tǒng)前端的基 本結(jié)構(gòu)由圖5表示，對雷達系統(tǒng)前端進行建模。三級模型(底層模型）為中頻放大器、中頻濾 波器、下變頻混頻器、低噪聲放大器、射頻濾波器、本振1、本振2、上變頻混頻器、濾波器、功 率放大器、收發(fā)開關(guān)、天線;二級模型為天線、收發(fā)開關(guān)、發(fā)射電路與接收電路;一級模型(頂 層模型)為雷達前端。
[0052]圖6所示為雷達系統(tǒng)前端的電磁兼容一致性建模。
[0053]模型一致性的體現(xiàn)：因為只關(guān)心建模目標的電磁特性，所以三級模型的結(jié)構(gòu)實際 上是相同的，其電磁特性由端口來描述。
[0054] 模型組合性的體現(xiàn)：其中三級模型中頻放大器、中頻濾波器、下變頻混頻器、低噪 聲放大器、射頻濾波器、本振1組成二級模型接收電路;三級模型本振2、上變頻混頻器、濾波 器、功率放大器組成二級模型發(fā)射電路;而二級模型天線、收發(fā)開關(guān)、發(fā)射電路與接收電路 組合成為完整的雷達系統(tǒng)前端。其中上變頻混頻器的輸入端口 P1通過發(fā)射電路，成為雷達 前端的中頻信號輸入端口；中頻放大器的輸入端口P3通過接收電路，成為雷達前端的中頻 信號輸出端口；天線的收發(fā)端口對接到雷達前端，成為整個雷達系統(tǒng)的無線電磁信號端口。 [0055]模型縱向獨立性的體現(xiàn):雷達前端的電磁特性由四個二級模型體現(xiàn)，而三級模型， 如上變頻混頻器，不能直接對雷達前端的電磁特性產(chǎn)生影響。盡管從物理意義上講，雷達前 端的中頻信號輸入是由上變頻濾波器實現(xiàn)的，但是從建模的條理性和后繼分析的便利性出 發(fā)，如此設(shè)置是合理的。
[0056]模型橫向獨立性的體現(xiàn)：以從屬于接收電路的低噪聲放大器和從屬于發(fā)射電路的 功率放大器為例說明。因為二者有不同的從屬關(guān)系，所以它們之間不存在直接聯(lián)系。從實際 電路出發(fā)，功率放大器產(chǎn)生的信號需要經(jīng)過接收開關(guān)，產(chǎn)生能量泄露，然后經(jīng)過射頻濾波器 才能夠到達低噪聲放大器。所以模型橫向獨立性的設(shè)置是符合建模目標的物理意義的。
【主權(quán)項】
1. 一種電磁兼容建模方法，其特征在于，包括如下步驟： 第一步，將干擾源、傳輸途徑和敏感設(shè)備這三要素進行封裝，用多端口網(wǎng)絡(luò)來統(tǒng)一描述 干擾源、傳播途徑和敏感器的模型，將干擾源、傳輸途徑和敏感器均視為黑盒子，該黑盒子 通過端口同外界聯(lián)系； 第二步，確定封裝后模型的端口，封裝后的模型通過端口與外界進行聯(lián)系； 第三步，確定模型的端口類型，找到模型各端口的輸出同輸入的函數(shù)表達式和函數(shù)參 數(shù)，建立模型。2. 如權(quán)利要求1所述的電磁兼容建模方法，特征在于，所述端口為能夠讓系統(tǒng)同外界發(fā) 生電磁能量關(guān)系的窗口，模型的所有端口都是雙向的，即包含輸入與輸出，當實際系統(tǒng)在某 一端口只可能產(chǎn)生能量輸入或者能量輸出時，可退化為單向端口。3. 如權(quán)利要求2所述的電磁兼容建模方法，其特征在于，所述端口包括天線、信號接口、 電源接口，還包含孔縫、非理想材料透波能量交互途徑。4. 如權(quán)利要求1所述的電磁兼容建模方法，其特征在于，所述端口類型分為電路端口， 電磁端口和混合端口三類。5. 如權(quán)利要求1所述的電磁兼容建模方法，其特征在于，所述模型分為電路模型、電磁 模型和混和模型三類。6. 如權(quán)利要求5所述的電磁兼容建模方法，其特征在于，所述電路模型的建立根據(jù)電路 的類別來實施。7. 如權(quán)利要求5所述的電磁兼容建模方法，其特征在于，所述電磁模型的建立是根據(jù)電 磁場的物理性質(zhì)，通過一組微分方程或積分方程，并根據(jù)邊界條件來確定。8. 如權(quán)利要求7所述的電磁兼容建模方法，其特征在于，所述邊界條件的邊界值求解方 法為解析法，或者是近似法，或者是數(shù)值法。9. 如權(quán)利要求5所述的電磁兼容建模方法，其特征在于，所述混合模型的建立需要結(jié)合 電路模型的分析方法和電磁模型的分析方法，分割為電路模型和電磁模型兩種類型的子單 元模型。
【文檔編號】G06F17/50GK106055845SQ201610529920
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】覃宇建, 周東明, 李高升, 盧中昊
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)