葉城愷，高 鋒，夏嬌妮，汪春華

(1. 重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400044 ；2. 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司 檢修分公司，重慶 400015；3. 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300)

基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的系統(tǒng)級(jí)EMC預(yù)測(cè)方法

葉城愷1，高 鋒1，夏嬌妮2，汪春華3

(1. 重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400044 ；2. 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司 檢修分公司，重慶 400015；3. 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300)

提出了一種基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的EMC預(yù)測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)多干擾源/敏感設(shè)備并存情況下的EMC預(yù)測(cè)。應(yīng)用該方法進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)時(shí)，將系統(tǒng)內(nèi)部耦合作為多端口網(wǎng)絡(luò)，將由電器部件構(gòu)成的干擾源或敏感設(shè)備統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)端口處理，由網(wǎng)絡(luò)耦合特性和端口特性進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)EMC預(yù)測(cè)。同時(shí)，給出了系統(tǒng)級(jí)EMC的預(yù)測(cè)方法，以及預(yù)測(cè)所需的網(wǎng)絡(luò)耦合特性和端口等效特性的建模方法，并通過(guò)預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)系統(tǒng)對(duì)車(chē)載天線(xiàn)末端的騷擾電壓，來(lái)對(duì)所提出方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

電磁兼容；仿真預(yù)測(cè)；多端口網(wǎng)絡(luò)；散射系數(shù)

伴隨電子產(chǎn)品小型化、高頻化、集成化趨勢(shì)，產(chǎn)品集成度和頻率越來(lái)越高，這使得電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜[1-2]。特別是汽車(chē)、飛機(jī)、航母等系統(tǒng)，會(huì)在有限的空間內(nèi)布置大量電子設(shè)備。這些電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的電磁能量，可能會(huì)影響系統(tǒng)中的其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行[3-6]，即電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, EMC)問(wèn)題。目前，該問(wèn)題已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題[7-9]。

在汽車(chē)、飛機(jī)、航母等系統(tǒng)中，如果越早進(jìn)行EMC分析并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，那么解決問(wèn)題可采取的措施就越多，成本也越低[10-12]。仿真預(yù)測(cè)是EMC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)只有少數(shù)收發(fā)干擾的系統(tǒng)，文獻(xiàn)[13]采用簡(jiǎn)化形式的預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)EMC預(yù)測(cè)，提高了預(yù)測(cè)效率。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外已形成一定的專(zhuān)門(mén)軟件實(shí)現(xiàn)EMC分析和預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)模型的系統(tǒng)內(nèi)EMC分析軟件，具有較強(qiáng)的通用性。文獻(xiàn)[15-16]在仿真預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上增加專(zhuān)家診斷系統(tǒng)，除判斷是否超標(biāo)外，還具備一定的問(wèn)題診斷能力。文獻(xiàn)[17-18]提出通過(guò)一種基于計(jì)算機(jī)的平臺(tái)系統(tǒng)來(lái)分析、預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)EMC?？偨Y(jié)現(xiàn)有成果，目前的預(yù)測(cè)方法通常都是對(duì)系統(tǒng)的干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備進(jìn)行逐一建模。但是，當(dāng)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜時(shí)，很難將耦合途徑考慮全面，同時(shí)也難以建立干擾耦合模型。

為解決復(fù)雜系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)所面臨的問(wèn)題，本文提出了一種基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的復(fù)雜系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)方法。該方法通過(guò)將三維電磁場(chǎng)數(shù)值求解與電路仿真相結(jié)合，將物理建模和實(shí)驗(yàn)建模相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)多干擾源和敏感設(shè)備、復(fù)雜耦合下復(fù)雜系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)的同時(shí)，解決了預(yù)測(cè)精度和計(jì)算效率間的矛盾。在理論分析基礎(chǔ)上，通過(guò)預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)引起的車(chē)載天線(xiàn)末端騷擾電壓，驗(yàn)證了本方法的有效性。

1 復(fù)雜系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)方法

針對(duì)大型系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)所面臨的同時(shí)存在多種干擾源和敏感設(shè)備，電磁耦合途徑復(fù)雜，電大和電小結(jié)構(gòu)并存等問(wèn)題，本文提出了圖1所示的基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的系統(tǒng)級(jí)EMC預(yù)測(cè)方法。該方法采用多端口網(wǎng)絡(luò)描述干擾源和敏感設(shè)備之間的耦合特性，通過(guò)S/Z參數(shù)轉(zhuǎn)化，將干擾源、敏感設(shè)備的建模和耦合途徑的建模分離，從而提高計(jì)算效率。

圖1 基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的系統(tǒng)級(jí)EMC預(yù)測(cè)方法

應(yīng)用該方法進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)時(shí)，將復(fù)雜系統(tǒng)作為多端口網(wǎng)絡(luò)，將由電器部件或測(cè)量設(shè)備構(gòu)成的干擾源或敏感設(shè)備統(tǒng)一作為網(wǎng)絡(luò)端口處理，從而降低模型復(fù)雜性和計(jì)算難度?；谠摲椒?gòu)建的復(fù)雜系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)模型如圖2所示。圖2中，VS(k)(若是敏感設(shè)備，VS(k)=0)，ZS(k)，U(k)和I(k)分別表示端口k的等效干擾電壓、輸出阻抗、端口電壓和電流。

圖2 EMC預(yù)測(cè)多端口網(wǎng)絡(luò)模型

文中采用Z參數(shù)(開(kāi)路阻抗參數(shù))矩陣描述網(wǎng)絡(luò)耦合特性，由端口電壓、電流關(guān)系可得

U=ZI，U=VS-ZSI

(1)

式中：U和I分別為端口電壓和電流構(gòu)成的向量；VS和ZS則分別為端口的等效干擾電壓和內(nèi)阻構(gòu)成的向量。式(1)經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)可得

U=Z(Z+ZS)-1VS，I=(Z+ZS)-1VS

(2)

由式(2)可知，若已知Z參數(shù)矩陣和端口等效特性(等效干擾電壓VS和輸出阻抗ZS)，則可得到敏感設(shè)備端口上的電壓和電流值，即干擾電壓和電流。根據(jù)問(wèn)題不同，選擇不同的Z參數(shù)矩陣和等效端口，即可實(shí)現(xiàn)多種EMC問(wèn)題的預(yù)測(cè)。Z參數(shù)矩陣和端口等效特性的建模方法將在第2節(jié)介紹。

采用圖2所示的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)選擇不同的Z參數(shù)矩陣和等效端口，根據(jù)式(2)可以實(shí)現(xiàn)多種EMC問(wèn)題的預(yù)測(cè)：

1)預(yù)測(cè)輻射發(fā)射/抗擾時(shí)，將系統(tǒng)內(nèi)的干擾源/敏感設(shè)備、電磁場(chǎng)的接收/產(chǎn)生天線(xiàn)作為網(wǎng)絡(luò)端口；

2)分析線(xiàn)束耦合串?dāng)_問(wèn)題時(shí)，則將關(guān)注的干擾源和敏感設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)端口。

2 耦合特性和部件特性建模

2.1 網(wǎng)絡(luò)耦合模型

考慮散射系數(shù)(即S參數(shù))適用于高頻，且可用網(wǎng)絡(luò)分析儀或三維電磁場(chǎng)數(shù)值求解軟件直接得到[19]。所以，本文采用散射系數(shù)來(lái)表征不同端口間的耦合關(guān)系，然后通過(guò)理論分析建立其與Z參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到多端口網(wǎng)絡(luò)的耦合模型。對(duì)于n端口網(wǎng)絡(luò)，定義歸一化入射波和歸一化反射波[20]：

(3)

式中：U和I分別為端口電壓和電流；Z0為端口特征阻抗(一般為50 Ω)。

根據(jù)散射系數(shù)定義有[21]

b=S·a

(4)

式中，S為該網(wǎng)絡(luò)的散射系數(shù)矩陣。

由式(3)和式(4)得端口電壓電流為

(5)

式中：E為單位陣；U和I分別為端口的電壓和電流。

將式(5)代入Z參數(shù)與端口電壓、電流的關(guān)系式U=ZI得到

Z=Z0(E+S)(E-S)-1

(6)

根據(jù)式(6)，即可由散射系數(shù)計(jì)算得到由多種干擾源和敏感設(shè)備構(gòu)成的多端口網(wǎng)絡(luò)的Z參數(shù)矩陣。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立端口的等效阻抗模型，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)EMC預(yù)測(cè)。根據(jù)部件在EMC問(wèn)題中的作用不同，分為干擾源和敏感設(shè)備兩類(lèi)，下面分別介紹如何通過(guò)試驗(yàn)方法建立等效特性模型。

2.2 敏感設(shè)備

對(duì)于連接敏感設(shè)備的端口，主要關(guān)心其等效阻抗特性?？梢酝ㄟ^(guò)阻抗儀直接測(cè)量端口阻抗，但考慮與網(wǎng)絡(luò)分析儀相比，阻抗儀的適用頻帶較低，文中給出一種根據(jù)散射系數(shù)計(jì)算等效阻抗的方法，原理如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)阻抗原理

此時(shí)，將敏感設(shè)備看作單端口網(wǎng)絡(luò)，由式(6)可得到該端口的阻抗特性為

ZS=Z0(1+S11)/(1-S11)

(7)

式中：S11為散射系數(shù)。

2.3 干擾源

與敏感設(shè)備相比，干擾源的建模更加復(fù)雜。除關(guān)心等效阻抗特性外，還要描述干擾的大小。根據(jù)戴維寧等效原理，文中采用等效輸出電壓和輸出阻抗表征干擾源的特性，并假設(shè)負(fù)載阻抗的變化不會(huì)影響干擾源的特性。由于能量的流向是可逆的，則可采用2.2節(jié)的方法，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出干擾源內(nèi)阻ZS。

為測(cè)干擾源大小，構(gòu)建了如圖4所示的干擾源試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖4 干擾源試驗(yàn)建模原理

由圖4根據(jù)電路原理，可以得到干擾源的等效輸出電壓

VS=I(ZS+ZL)

(8)

式中：ZS和ZL為已知的干擾源內(nèi)阻和外加負(fù)載的阻抗；I為試驗(yàn)測(cè)得的干擾電流。

3 應(yīng)用

為驗(yàn)證提出的復(fù)雜系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)方法的有效性，本文將應(yīng)用該方法預(yù)測(cè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)引起的車(chē)載天線(xiàn)末端的騷擾(FM頻段)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與車(chē)載天線(xiàn)的耦合關(guān)系如圖5所示。

圖5 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與車(chē)載天線(xiàn)的耦合

電機(jī)控制器中的驅(qū)動(dòng)元件開(kāi)通或關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，通過(guò)線(xiàn)纜向周邊空間輻射電磁能量[22]。在圖5所示系統(tǒng)中，干擾源有兩處：干擾源1為電機(jī)控制器與電機(jī)相連的端口；干擾源2為電機(jī)控制器與配電盒相連的端口。敏感設(shè)備為車(chē)載天線(xiàn)。測(cè)取干擾源特性在半波暗室中進(jìn)行。電機(jī)正常工作時(shí)，用電流鉗測(cè)得干擾電流I；用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得干擾源內(nèi)阻ZS和外加負(fù)載ZL；由式(8)可得干擾源的等效輸出電壓。

其中，干擾源的輸出阻抗如圖6所示；干擾源的等效輸出電壓如圖7所示。

采用FEKO三維電磁場(chǎng)數(shù)值求解軟件對(duì)圖5所示的系統(tǒng)進(jìn)行建模并仿真得出S參數(shù)矩陣。通過(guò)式(6)將S參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成Z參數(shù)矩陣。其中，敏感設(shè)備與干擾源之間的S參數(shù)如圖8所示，Z參數(shù)如圖9所示。

圖6 干擾源的輸出阻抗

圖7 干擾源的等效輸出電壓

圖8 敏感設(shè)備與干擾源的S參數(shù)

根據(jù)Z參數(shù)矩陣、端口等效輸出阻抗和等效輸出電壓，由式(2)可以預(yù)測(cè)出天線(xiàn)末端騷擾電壓。為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在10 m半波暗室中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)景如圖10所示。預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖11所示。

圖9 敏感設(shè)備與干擾源的Z參數(shù)

圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景圖

圖11 天線(xiàn)末端騷擾電壓預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

對(duì)比預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)值在整個(gè)分析頻帶內(nèi)的變化規(guī)律大致相同。此外，文中提出的EMC預(yù)測(cè)方法成功預(yù)測(cè)出了80 MHz，87 MHz和95 MHz附近主要的3個(gè)峰值點(diǎn)。預(yù)測(cè)值比實(shí)測(cè)值整體偏小，是因?yàn)閷?shí)測(cè)環(huán)境下存在背景噪聲。綜上，文中提出的基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的EMC預(yù)測(cè)方法較好地實(shí)現(xiàn)了如圖5所示的復(fù)雜系統(tǒng)中線(xiàn)束串?dāng)_的預(yù)測(cè)，能夠用于復(fù)雜系統(tǒng)EMC問(wèn)題的預(yù)測(cè)和分析。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的系統(tǒng)級(jí)EMC預(yù)測(cè)方法，通過(guò)理論分析和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明：

1)采用多端口網(wǎng)絡(luò)描述電器部件間的耦合特性，能夠?qū)崿F(xiàn)多干擾源/敏感設(shè)備并存下的EMC問(wèn)題預(yù)測(cè)；

2)根據(jù)問(wèn)題不同，通過(guò)選擇不同的Z參數(shù)矩陣和等效端口，該方法可以適用于多種復(fù)雜系統(tǒng)，如汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等；

3)通過(guò)S/Z參數(shù)轉(zhuǎn)化，將部件和耦合特性的建模、系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)過(guò)程分離，從而提高計(jì)算效率，一定程度上解決了目前復(fù)雜系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)方法計(jì)算資源消耗巨大的問(wèn)題；

4)理論分析、實(shí)物測(cè)試或者軟件仿真都可以獲得系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)耦合特性和端口等效特性，使其能夠適用于電氣設(shè)備開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，減少后期的試驗(yàn)和整改投入。

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A Study on System-Level EMC Prediction Techniques Based on the Multi-Port Network Theory

YE Chengkai1，GAO Feng1，XIA Jiaoni2，WANG Chunhua3

(1．School of Electrical Engineering of Chongqing University，Chongqing 400044，P.R.China； 2．Maintenance Branch of State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 400015，P.R.China； 3．China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300，P.R.China)

This paper introduces EMC prediction techniques based on the multi-port network theory，which can realize EMC predictions in complex systems with multiple interference sources or sensitive equipment．In the application，couplings of the systems are used as the multi-port network while the interference sources or sensitive equipment composed of electrical components are regarded as network ports，then predictions are based on the characteristics of both the network couplings and the ports．In addition，it introduces detailed prediction techniques as well as the modeling methods for the characteristics of network couplings and the equivalent characteristics of ports．The effectiveness of the techniques has been verified by predicting the disturbance voltage at the end of the vehicle mounted antenna caused by the motor system of an electric automobile．

electromagnetic compatibility；simulation prediction；multi-port network；scattering coefficient

2016-12-07

重慶市科技計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2015zdcy-ztzx60002和cstc2015zdcy-ztzx60005)。

該文獲重慶市電機(jī)工程學(xué)會(huì)2016年學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)

葉城愷(1992-)，在校碩士研究生，研究方向?yàn)槠?chē)電磁兼容性設(shè)計(jì)。

TN03

A

1008- 8032(2017)01- 0031- 05