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基于电磁场有限元法的无线传感网络节点PCB稳定性研究

作　者: 沈敏
导　师: 吴明赞
学　校: 南京理工大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 无线传感网络节点节点硬件电路与PCB 电磁辐射与串扰模型有限元法信号完整性电磁兼容性电源完整性
分类号: TN41
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

论文为提高无线传感网络节点工作的稳定性,对其印制电路板(PCB)的信号完整性、电磁兼容性和电源完整性进行研究。以输电线路在线监测为应用背景,设计网关、监测节点的技术方案,进行各个功能模块的硬件选型。建立无线传感网络节点PCB的电磁辐射和串扰模型,介绍电源分配网络设计方法、电磁场有限元法和相关的实现软件Ansoft Siwave/Designer。在完成节点硬件电路设计的基础上,应用Ansoft Siwave/Designer软件分别对节点自动布线与布线调整后的PCB作仿真分析,完成PCB的布线。具体如下：1.监测节点PCB仿真表明：电源完整性：通过加宽、缩短电源线,芯片的5V电源引脚电压从4.771V上升至4.997V,电源电压被控制在额定电压的5%以内；信号完整性：通过采用135。拐角、增加信号路径之间的距离,数据线的过冲幅值从298.4mV下降至186.1mV,信号线噪声控制在信号摆幅的15%以内；电磁兼容性：通过减小晶振回路面积,在3m处电场最大值从68dBμV/m下降至32dBμV/m,辐射电场达到CISPR22的限值要求。2.网关节点核心板仿真表明：电源完整性：通过在谐振幅度最大位置处添加去耦电容,3.3V电源分配网络的输入阻抗最大值从2.48Ω下降至1.09Ω,电源电压被控制在额定电压的5%以内;信号完整性：通过使信号线具有共同的参考平面、端接,数据线的过冲幅值从897mV下降至90mV,信号线噪声控制在信号摆幅的15%以内；电磁兼容性：通过消除连续孔缝,电场最大值从26.03V/m下降至13.34V/m,磁场最大值从56.37mA/m下降至19.63mA/m,减弱对附近传输线的电磁骚扰。3.网关节点底板仿真表明：电源完整性：通过加宽、缩短电源线,芯片的4V电源引脚电压从3.873V上升至3.941V,电源电压被控制在额定电压的5%以内；信号完整性：通过减小传输线长度、端接,信号线的过冲幅值从2.3479V下降至634mV,信号线噪声控制在信号摆幅的15%以内;电磁兼容性：通过用大的金属平面靠近走线,在3m处电场最大值从91dBμV/m下降至52dBμV/m,辐射电场达到CISPR22的限值要求。综上所述,通过对节点PCB自动布线的调整,改善其信号完整性、电磁兼容性与电源完整性,提高其工作的稳定性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-15
  1.1 课题背景与意义  11
  1.2 国内外研究现状  11-13
    1.2.1 节点硬件的研究现状  11-12
    1.2.2 节点PCB信号完整性的研究现状  12
    1.2.3 节点PCB电磁兼容性的研究现状  12
    1.2.4 节点PCB电源完整性的研究现状  12-13
  1.3 研究方法与内容  13-15
    1.3.1 研究方法  13
    1.3.2 研究内容  13-15
2 节点总体方案设计与论文的理论基础  15-37
  2.1 方案设计与硬件选型  15-18
    2.1.1 总体方案设计  15-16
    2.1.2 节点方案设计  16-17
    2.1.3 硬件选型  17-18
  2.2 PCB电磁兼容性、信号完整性与电源完整性理论基础  18-26
    2.2.1 电磁辐射模型  18-22
    2.2.2 串扰模型  22-25
    2.2.3 电源分配网络设计方法  25-26
  2.3 有限元法的数学描述与仿真软件介绍  26-35
    2.3.1 有限元法的数学描述  26-34
    2.3.2 Ansoft仿真软件介绍  34-35
  2.4 小结  35-37
3 监测节点PCB的设计与仿真  37-51
  3.1 监测节点硬件电路设计及其自动布线PCB  37-40
    3.1.1 硬件电路设计  37-39
    3.1.2 自动布线PCB  39-40
  3.2 监测节点电源完整性布线调整前后仿真比较分析  40-44
    3.2.1 直流参数布线调整前后仿真比较分析  40-41
    3.2.2 交流参数布线调整前后仿真比较分析  41-44
  3.3 监测节点信号完整性布线调整前后仿真比较分析  44-45
    3.3.1 信号完整性仿真模型  44
    3.3.2 信号完整性布线调整前后仿真比较分析  44-45
  3.4 监测节点电磁兼容性布线调整前后仿真比较分析  45-48
    3.4.1 电磁兼容设计  45-46
    3.4.2 电磁兼容布线调整前后仿真比较分析  46-48
  3.5 布线调整后PCB  48-49
  3.6 小结  49-51
4 网关节点核心板的设计与仿真  51-69
  4.1 网关节点核心板硬件电路设计及其自动布线PCB  51-55
    4.1.1 硬件电路设计  51-54
    4.1.2 自动布线PCB设计  54-55
  4.2 网关节点核心板电源完整性布线调整前后仿真比较分析  55-60
    4.2.1 同步开关噪声仿真分析  55-56
    4.2.2 直流参数布线调整前后仿真比较分析  56-57
    4.2.3 交流参数布线调整前后仿真比较分析  57-60
  4.3 网关节点核心板信号完整性布线调整前后仿真比较分析  60-63
    4.3.1 信号完整性仿真模型  60-61
    4.3.2 信号完整性布线调整前后仿真比较分析  61-63
  4.4 网关节点核心板电磁兼容性布线调整前后仿真比较分析  63-66
    4.4.1 电磁兼容设计  63-64
    4.4.2 电磁兼容布线调整前后仿真比较分析  64-66
  4.5 布线调整后PCB  66-67
  4.6 小结  67-69
5 网关节点底板的设计与仿真  69-85
  5.1 网关节点底板硬件电路设计及其自动布线PCB  69-72
    5.1.1 硬件电路设计  69-71
    5.1.2 自动布线PCB设计  71-72
  5.2 网关节点底板电源完整性布线调整前后仿真比较分析  72-78
    5.2.1 直流参数布线调整前后仿真比较分析  72-74
    5.2.2 交流参数布线调整前后仿真比较分析  74-78
  5.3 网关节点底板信号完整性布线调整前后仿真比较分析  78-79
    5.3.1 信号完整性仿真模型  78
    5.3.2 信号完整性布线调整前后仿真比较分析  78-79
  5.4 网关节点底板电磁兼容性布线调整前后仿真比较分析  79-82
    5.4.1 电磁兼容设计  79-80
    5.4.2 电磁兼容布线调整前后仿真比较分析  80-82
  5.5 布线调整后PCB  82-83
  5.6 小结  83-85
6 总结与展望  85-89
  6.1 总结  85-86
  6.2 展望  86-89
致谢  89-91
参考文献  91-96
附录  96

基于电磁场有限元法的无线传感网络节点PCB稳定性研究

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