本發(fā)明涉及電磁干擾與電磁兼容分析方法，尤其是涉及一種傳輸線網(wǎng)絡的時頻分析方法，可應用于系統(tǒng)級、設備級、電路板級等不同級別的傳輸線特性分析中。
背景技術(shù)：
：線纜分析是系統(tǒng)級電磁兼容分析中的重要組成部分。相對于通過天線這類信號通道產(chǎn)生的“前門”干擾，通過線纜產(chǎn)生的“后門”干擾往往更為嚴重。因為，電磁兼容工程師在系統(tǒng)設計階段很注重信號通道的設計，能夠采取很多手段避免電磁干擾的產(chǎn)生，保證信號通道的電磁兼容性；而通過線纜網(wǎng)產(chǎn)生的干擾容易被忽略，且耦合機理更為復雜，涉及到電纜的屏蔽、接頭的設計、電纜橫截面、線纜束的捆扎、地回路的影響等方面，相當復雜。線纜的電磁兼容設計一般是根據(jù)經(jīng)驗通過工程的方法(屏蔽、濾波、接地、搭接等)來進行的。因此，有必要對線纜網(wǎng)的電磁傳輸特性進行仿真計算，以評估其電磁兼容性能。對于傳輸線網(wǎng)絡的分析，在低頻情況下，可以用電路模型進行建模；而對于高頻情況，因為線纜長度可與波長相比擬，信號的相位會出現(xiàn)延遲和周期性的變化，電路模型已經(jīng)不再適合，只能夠使用全波算法或傳輸線模型進行建模。但全波分析步驟繁瑣、計算量大、且求解相對困難。所以基于傳輸線模型的方法是最合適的。所謂傳輸線模型，即用一組頻域和時域的微分方程組來描述傳輸線的分布參數(shù)，進而在給定的邊界條件和初始條件(時域)下求解這些方程。在對例如汽車、飛機、艦船等復雜大系統(tǒng)的線纜網(wǎng)進行分析時，往往會遇到線纜布局隨載體外形變化的情況，部分電纜的分布參數(shù)會隨空間坐標的變化而變化。在這種情況下，頻域的方法不再適用。采用時域方法可以進行求解，但是若線纜數(shù)量增大時，時域方法的計算時間又會隨之增加。有數(shù)據(jù)表明，一架“臺風”戰(zhàn)斗機的電纜總長度為30km，而一架波音747大型客機的電纜總長度達到274km，若模擬核電磁脈沖為激勵，則空間離散單元會達到106量級，難以快速求解。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對上述不足，結(jié)合BLT方程和FDTD方法的優(yōu)勢，提出一種多導體傳輸線網(wǎng)絡的時頻分析方法(即BLT-FDTD混合方法)，能夠?qū)蟹蔷鶆騻鬏斁€的線纜網(wǎng)絡進行分析，在保證分析精度的情況下，使計算效率最大化，能夠滿足實際復雜系統(tǒng)線纜網(wǎng)分析的需求。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種多導體傳輸線網(wǎng)絡的時頻分析方法，其特征在于，包括如下步驟：第一步，建立傳輸線網(wǎng)絡的BLT方程；第二步，采用FDTD方法計算非均勻線段的S參數(shù)；第三步，將非均勻段作為節(jié)點，參加網(wǎng)絡的計算。具體的，所述BLT方程表達式為V‾=[I‾‾+S‾‾]·[Γ‾‾-S‾‾]-1·V‾s---(1)]]>式中，為節(jié)點總電壓超向量，即入射波與出射波之和；為激勵源超向量；為單位超矩陣；為傳輸超矩陣，代表網(wǎng)絡中所有管道的傳輸參數(shù)，若節(jié)點的響應按照管道排序，則為分塊對角矩陣，每個子矩陣對應各自的管道；為散射超矩陣，代表網(wǎng)絡中所有節(jié)點的散射參數(shù)，若節(jié)點的響應按照管道排序，則為稀疏矩陣。具體的，所述計算非均勻線段的S參數(shù)包括如下步驟：一段長為L的非均勻傳輸線從傳輸線網(wǎng)絡獨立出來，形成一個兩端口網(wǎng)絡，將傳輸線離散為M段，每段長度為Δx，計算出第m離散段的特性阻抗Zcm。在兩端口外接阻抗ZL1,ZL2，并有ZL1=Zc1ZL2=ZcM---(2)]]>式中，Zc1為與端口1相連接離散段的特性阻抗，ZcM為與端口2相連接離散段的特性阻抗；在端口1外接理想電壓源，電壓源產(chǎn)生激勵的最高頻率要事先確定，采用FDTD方法求解兩端口負載的電壓響應vL1,vL2和電流響應iL1,iL2；通過FFT變換將vL1,vL2和iL1,iL2變換到頻域，得到其頻域形式和將入射波和反射波分離，令端口1的歸化入射波和歸化出射波分別為a1,b1，端口2的歸化入射波和歸化出射波分別為a2,b2，根據(jù)S參數(shù)的定義有a1=12(V~L1Zc1+I~L1Zc1)]]>b1=12(V~L1Zc1-I~L1Zc1)---(3)]]>b2=12(V~L2ZcM+I~L2ZcM)]]>則能夠得到端口1的反射系數(shù)s11和端口1至端口2的傳輸系數(shù)s21為s11=b1a1|a2=0s21=b2a1|a2=0---(4)]]>同樣，在端口2外接理想電壓源，重復以上步驟，得到a2=12(V~L2ZcM-I~L2ZcM)]]>b1=12(V~L1Zc1-I~L1Zc1)---(5)]]>b2=12(V~L2ZcM+I~L2ZcM)]]>得到端口2的反射系數(shù)s22和端口2至端口1的傳輸系數(shù)s12為s22=b2a2|a1=0s12=b1a2|a1=0---(6)]]>綜合式(11)和式(13)，得到非均勻線段S參量為S=s11s12s21s22---(7).]]>本發(fā)明的優(yōu)點是能夠?qū)蟹蔷鶆騻鬏斁€的線纜網(wǎng)絡進行分析，在保證分析精度的情況下，使計算效率最大化，能夠滿足實際復雜系統(tǒng)線纜網(wǎng)分析的需求。本發(fā)明具有很強的實用價值，能夠應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)域具有良好的應用前景。附圖說明圖1是非均勻線S參數(shù)求解示意圖；圖2是雙指數(shù)場的時域波形；圖3是均勻傳輸線驗證負載端瞬態(tài)響應；圖4是均勻傳輸線驗證算例負載端響應頻域分布；圖5是含有非均勻段傳輸線驗證算例負載端瞬態(tài)響應；具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細說明。第一步，建立傳輸線網(wǎng)絡的BLT方程。BLT方程是求解傳輸線網(wǎng)絡的頻域方法。其表達式為V‾=[I‾‾+S‾‾]·[Γ‾‾-S‾‾]-1·V‾s---(8)]]>式中，為節(jié)點總電壓(入射波與出射波之和)超向量；為激勵源超向量；為單位超矩陣；為傳輸超矩陣，代表網(wǎng)絡中所有管道的傳輸參數(shù)，若節(jié)點的響應按照管道排序，則為分塊對角矩陣，每個子矩陣對應各自的管道；為散射超矩陣，代表網(wǎng)絡中所有節(jié)點的散射參數(shù)，若節(jié)點的響應按照管道排序，則為稀疏矩陣，但不一定是分塊對角矩陣，這由節(jié)點在網(wǎng)絡中的連接狀態(tài)決定。如果要用頻域的傳輸函數(shù)來表示非均勻線的傳輸情況，理論復雜，編程實現(xiàn)困難，且提高精度的代價很大。對于非均勻線的分析從時域是極其方便的，如果能夠?qū)⒎蔷鶆蚓€段從傳輸線網(wǎng)絡獨立出來，采用時域方法進行分析，然后將結(jié)果整合入BLT方程，則能夠解決含有非均勻傳輸線的線纜網(wǎng)問題?；趥鬏斁€理論對傳輸線進行分析，關(guān)鍵在解決能量的傳輸和能量的反射這兩個問題，體現(xiàn)在BLT方程中即傳輸超矩陣和散射超矩陣。傳統(tǒng)方法從能量傳輸方面著手，而本發(fā)明結(jié)合了能量傳輸和能量反射兩方面，理論更清晰、操作更簡單。第二步，采用FDTD方法計算非均勻線段的S參數(shù)。以理想的上方單傳輸線為例說明。如圖1所示，一段長為L的非均勻傳輸線從傳輸線網(wǎng)絡獨立出來，形成一個兩端口網(wǎng)絡。將傳輸線離散為M段，每段長度為Δx，可輕松計算出第m離散段的特性阻抗Zcm。在兩端口外接阻抗ZL1,ZL2，并有ZL1=Zc1ZL2=ZcM---(9)]]>式中，Zc1為與端口1相連接離散段的特性阻抗；ZcM為與端口2相連接離散段的特性阻抗。在端口1外接理想電壓源，電壓源產(chǎn)生激勵的最高頻率要事先確定。采用FDTD方法求解兩端口負載的電壓響應vL1,vL2和電流響應iL1,iL2。通過FFT變換將vL1,vL2和iL1,iL2變換到頻域，得到其頻域形式和將入射波和反射波分離，令端口1的歸化入射波和歸化出射波分別為a1,b1，端口2的歸化入射波和歸化出射波分別為a2,b2，根據(jù)S參數(shù)的定義有a1=12(V~L1Zc1+I~L1Zc1)]]>b1=12(V~L1Zc1-I~L1Zc1)---(10)]]>b2=12(V~L2ZcM+I~L2ZcM)]]>則能夠得到端口1的反射系數(shù)s11和端口1至端口2的傳輸系數(shù)s21為s11=b1a1|a2=0s21=b2a1|a2=0---(11)]]>同樣，在端口2外接理想電壓源，重復以上步驟，得到a2=12(V~L2ZcM-I~L2ZcM)]]>b1=12(V~L1Zc1-I~L1Zc1)---(12)]]>b2=12(V~L2ZcM+I~L2ZcM)]]>得到端口2的反射系數(shù)s22和端口2至端口1的傳輸系數(shù)s12為s22=b2a2|a1=0s12=b1a2|a1=0---(13)]]>綜合式(11)和式(13)，得到非均勻線段S參量為S=s11s12s21s22---(14)]]>第三步，傳輸線網(wǎng)絡求解。在BLT方程中，節(jié)點的影響是通過散射超矩陣來體現(xiàn)的。在求出非均勻線段S參數(shù)之后，將其節(jié)點化，然后采用BLT方程進行整體求解。下面以兩個具有代表性的算例說明本方法的有效性。分別為：簡單均勻傳輸線、含有非均勻段的傳輸線。算例1：均勻傳輸線?？紤]一段置于理想大地上方的PEC傳輸線，線半徑為1.5mm，離地高度0.1m，線長30m，一端接帶50Ω內(nèi)阻的電壓源，另一端接100Ω電阻負載，電壓源的激勵為單位幅度的雙指數(shù)波形，其表達式為E(t)=1.05(e-4×106t-e-4.76×108t)---(15)]]>波形如圖2所示，當這種波形的幅值達到50kV/m時，一般用來模擬核電磁脈沖。從源端開始將傳輸線分為6m,15m和9m長的三段，中間一段采用FDTD方法求解，兩端采用BLT方法求解。圖3給出了BLT-FDTD混合方法、全FDTD方法計算得出的負載端瞬態(tài)電壓響應，其中后一種方法作為參考方法。圖4給出BLT-FDTD混合方法和全BLT方法計算得出的負載端響應頻域分布，其中后一種方法作為參考方法。很明顯，不論是頻域結(jié)果還是時域結(jié)果，BLT-FDTD方法的準確性都極高，這表示BLT-FDTD混合方法適用于均勻傳輸線情況。算例2：含有非均勻段的傳輸線?？紤]一段如圖5中小圖所示置于理想大地上方的PEC傳輸線，線半徑為1mm，一端接帶50Ω內(nèi)阻的電壓源，另一端接100Ω電阻負載，源端離地高度0.1m，負載端離地高度1m。電壓源為高斯脈沖激勵，其中時延t0＝5ns，脈寬T＝1ns。傳輸線分三段，長度分別為0.6m，1.2m和0.9m，中間一段采用FDTD方法求解，兩端采用BLT方法求解。圖5給出了本發(fā)明和全FDTD方法計算得出的負載端瞬態(tài)電壓響應，其中后一種方法作為參考方法。因為負載的不匹配性，能量在傳輸線上反復振蕩，體現(xiàn)在負載電壓響應上就是各尖峰，隨著能量被負載和源內(nèi)阻的不斷吸收，尖峰的幅值也不斷降低；各尖峰之間很明顯地出現(xiàn)了一些振蕩，這是由于傳輸線的不均勻性而帶來的，若傳輸線是均勻的則不會出現(xiàn)這種情況。兩種方法的計算結(jié)果完全一致，說明了本發(fā)明的正確性。當前第1頁1 2 3