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复杂系统电磁兼容性分析方法研究

作　者: 覃宇建
导　师: 何建国
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 电磁兼容时域积分方程物理光学一致性绕射方法多导体传输线 BLT方程时域有限差分法电磁拓扑理论电磁干扰统一模型
分类号: TN03
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着现代电子系统信息化程度越来越高,电磁环境越来越复杂,具有多天线加载和线缆网敷设等特征的复杂系统电磁兼容分析的难度也越来越大。为了促进电磁兼容分析方法的发展,本文围绕天线互耦的分析方法和线缆网耦合的分析方法展开研究;并研究了降低复杂系统电磁兼容分析复杂性的方法论,搭建起复杂系统电磁兼容性分析的基本框架。第一部分,为了进行平台天线互耦的分析,研究了时域积分方程(TDIE)的时间递推方法(MOT)。阐述了MOT求解TDIE的一般过程,并用两类典型电磁兼容算例说明了MOT在电磁兼容方面的适用性。详细推导了物理光学和时域积分方程混合方法(PO-TDIE)的实现过程,研究了其在天线互耦分析中的应用问题。提出了针对电磁兼容问题的合理分区方法。为了克服PO电流近似带来的误差,提出了一致性绕射方法(UTD)修正的PO-TDIE混合方法。采用时域一致性绕射方法(TD-UTD)计算PO区中的边缘效应,修正激励项,在基本不增加计算量的同时提高PO-TDIE混合方法的计算精度,扩展了算法的应用范围。针对天线互耦问题,提出了UTD加速的TDIE方法。基于UTD的绕射理论,忽略作用十分小的源,只考虑一次或二次绕射项的作用,减小MOT递推公式右端向量和的计算量,从而提高MOT算法的计算速度。该算法需要合理地划分区域,将所有可能的低次绕射点都纳入计算;目标的绕射特性越明显,加速效果越好。第二部分,为了进行复杂系统线缆网的分析,详细阐述了多导体传输线(MTL)理论,给出了MTL的分布参数以及不同激励源条件下的电报方程。研究了求解传输线网络响应的频域方法——BLT方程。将BLT方程应用到任意布局传输线串扰的计算中,通过将传输线离散,在离散段的连接处引入理想节点的方法,将其等效为传输线网络来进行处理,为非平行情况的串扰分析提供了一种解决方案。另外,首次系统地给出了多导体传输线网络BLT方程的通用的构造方法,为复杂线缆网分析软件的编制奠定了理论基础。研究了求解传输线网络响应的时域方法——时域有限差分(FDTD)法。详细推导了集总源和分布源激励条件下的FDTD迭代公式。提出了求解非均匀传输线网络响应的时频结合方法——BLT-FDTD混合方法。将网络中的非均匀传输线采用FDTD方法求解,通过分离入射、反射波得到该段的S参数,并将此段作为节点加入到BLT方程的矩阵求解当中,最终得到传输线网络的终端响应。该方法克服了频域方法对非均匀情况的不适用问题和时域方法的高计算量问题,能够应用于复杂非均匀线缆网的计算当中。第三部分,对电磁拓扑理论进行研究。将复杂系统的电磁兼容分析分为拓扑分解、交互作用关联图的构造、传输函数的求解和系统响应的综合等四个步骤。将电子系统的电磁受扰问题分解为相对独立的子问题,降低整个问题理论分析的复杂性。然后,从电磁拓扑理论出发,结合电磁兼容分析的需求,提出了电磁干扰统一模型,采用多端口网络来统一描述干扰源、传播途径和敏感设备,给出了构造方法,并分析了其特性和应用能力。最后,以卫星系统为例,对论文的研究成果进行了应用分析,给出了复杂系统电磁兼容分析的一般步骤。并且,进行了系统级电磁兼容分析软件开发方面的探索,阐述了软件的设计思想、软件结构和实现方法。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第一章绪论  17-32
  1.1 研究的背景及意义  17-28
    1.1.1 研究背景  17-19
    1.1.2 选题的依据及意义  19-21
    1.1.3 国内外研究现状  21-28
  1.2 论文主要研究内容和章节编排  28-32
    1.2.1 论文主要研究内容  28-30
    1.2.2 论文章节编排  30-32
第二章天线互耦的快速计算方法  32-79
  2.1 引言  32-34
  2.2 预备知识  34-36
    2.2.1 Maxwell 方程组及理想导体的边界条件  34
    2.2.2 辅助位函数  34-36
  2.3 时域积分方程的形式及讨论  36-39
    2.3.1 时域电场积分方程  36
    2.3.2 时域磁场积分方程  36-37
    2.3.3 时域混合场积分方程  37-38
    2.3.4 积分方程的比较  38-39
  2.4 求解TDIE 的时间递推方法  39-56
    2.4.1 时空基函数  39-41
    2.4.2 时域积分方程的数值离散  41-43
    2.4.3 激励源设置及信号形式  43-46
    2.4.4 阻抗矩阵的计算  46-47
    2.4.5 算例  47-56
  2.5 PO-TDIE 混合方法在EMC 分析中的应用  56-65
    2.5.1 理论  56-58
    2.5.2 计算复杂度分析  58-59
    2.5.3 算例  59-65
    2.5.4 小结  65
  2.6 UTD 修正的PO-TDIE 混合方法  65-70
    2.6.1 理论  66-67
    2.6.2 数值算例  67-69
    2.6.3 小结  69-70
  2.7 UTD 加速的TDIE 方法  70-77
    2.7.1 加速原理  70-72
    2.7.2 实现方法  72-73
    2.7.3 算例  73-77
  2.8 小结  77-79
第三章线缆网电磁传输特性的计算方法  79-137
  3.1 引言  79-80
  3.2 多导体传输线理论  80-93
    3.2.1 传输线方程  80-82
    3.2.2 多导体传输线分布参数的计算  82-86
    3.2.3 传输线的激励源  86-87
    3.2.4 外场激励下的多导体传输线方程  87-93
  3.3 求解多导体传输线方程的频域方法  93-121
    3.3.1 BLT 方程的推导  93-103
    3.3.2 BLT 方程在任意布局传输线串扰分析中的应用  103-108
    3.3.3 BLT 方程分析传输线网络响应  108-121
  3.4 求解多导体传输线方程的时域方法  121-131
    3.4.1 FDTD 的时空离散  121-123
    3.4.2 集总源加载的FDTD 迭代方程  123-128
    3.4.3 分布源加载的FDTD 迭代公式  128-131
  3.5 求解线缆响应的时频结合方法  131-136
    3.5.1 BLT 方程和FDTD 方法的混合  132-134
    3.5.2 算例  134-136
  3.6 小结  136-137
第四章复杂系统电磁兼容分析方法论  137-155
  4.1 引言  137-138
  4.2 拓扑学简介  138
  4.3 电磁拓扑理论  138-147
    4.3.1 复杂系统的拓扑分解  140-141
    4.3.2 交互作用关联图的构造  141-145
    4.3.3 传输函数的求解  145
    4.3.4 系统响应的综合  145-147
  4.4 电磁干扰统一模型  147-153
    4.4.1 概念  147-149
    4.4.2 电磁干扰统一模型的特性  149-151
    4.4.3 电磁干扰统一模型的应用能力  151-152
    4.4.4 算例  152-153
  4.5 小结  153-155
第五章复杂系统电磁兼容应用分析及软件实现  155-175
  5.1 引言  155
  5.2 复杂系统电磁兼容分析实例  155-168
    5.2.1 拓扑分解和统一模型描述  155-158
    5.2.2 天线互耦分析  158-162
    5.2.3 线缆耦合分析  162-168
  5.3 复杂系统电磁兼容分析软件实现  168-173
    5.3.1 软件结构  169-170
    5.3.2 设计思想  170-173
  5.4 小结  173-175
第六章总结与展望  175-178
  6.1 内容总结  175-176
  6.2 主要贡献  176
  6.3 后继工作  176-178
致谢  178-180
参考文献  180-193
作者在学期间取得的学术成果  193-195
附录A 时域UTD  195-198
附录B 并矢的运算  198-200
附录C 理想节点  200-205
附录D 缩略语  205-206

复杂系统电磁兼容性分析方法研究

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