电磁兼容仿真中的算法研究

1引言 电磁兼容(EMC，electromagnetic compatibility)是研究在有限 的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下，各种用电设备 或系统可以共存，并不致引起性能降级的一门学科。该学科具 有十分宽广的应用范围，几乎涉及到所有的用电领域。同时， 其理论基础涉及数学、电磁场理论、电路基础、信号分析等综 合学科，使得越来越多的专家、学者及工程应用人员已经将注 意力转移到电磁兼容问题上来。 加之近年来，仿真技术发展迅速，仿真理论日趋成熟和完 善，将仿真理论与电磁兼容问题相结合，就产生了一个新的研 究方向 - - 电磁兼容仿真，对那些利用实验和测试方法难以解 决的电磁兼容问题提供了一种很好的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 本文介绍了通信系统中典型的电磁兼容问题，以及几种 常用的电磁兼容仿真算法，并对各种算法进行详细分析，提出 了适用于通信系统的电磁兼容仿真算法，以供工程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 人员 作为参考。 2电磁干扰的耦合与传输 电磁兼容的研究对象是电磁干扰(EMI，electromagnetic in- terference)。电磁干扰就本质来说虽然并不复杂，但它无所不 在、行踪不定、形式各异；而且由于长期以来缺乏对电磁干扰 全面的研究和系统的阐述，使许多工程技术人员对电磁干扰 的产生、传播、作用方式、后果危害、性质以及抑制方法等问题 感到困惑。电磁兼容的研究内容则较全面的解释了上述很多 问题，其研究范围广，基础知识比较广泛，涉及到电子、电气、 电磁场、计算机、电磁测量、机械结构、自动控制、生物医学、工 艺材料等方面的知识。 电磁能量是由导体的引导来传输或以辐射的形式通过空 间来传输，对于电磁干扰而言，前者指干扰的传导耦合，后者 指干扰的辐射耦合，这里耦合的概念指的是设备（电路）传到 另一个设备（电路）的作用。一般而言，干扰可以通过多种途径 从干扰源耦合到敏感设备中，这些途径包括有：公用导线（公 用电源线、公用连线等），设备间的电路，相邻导线间的互感， 以及通过空间辐射的近场及远场耦合等[1]。本文主要讨论辐 射耦合的情况。 2.1 导体的天线效应 我们知道，任何载有时变电流的导体都能向外辐射电磁 场，同样，任何处于电磁场中的导体都能感应出电压，因此，系 统内的每根金属线在某种程度上可起发射天线和接收天线的 作用[1]。 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流 就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将这类能产生显 著辐射的直导线称为振子。 2.2 天线与天线间的辐射耦合 天线是专门用于发射和接收电磁波的装置，天线相互之 间的近场耦合的计算是一个复杂的电磁场问题，因为一个天 线的存在将影响另一天线的电流分布，求解这类问题往往要 应用电磁场的数值计算技术。 2.3 场到线的共模耦合与异模耦合 当电磁波照射到传输线上时，将出现场到线的耦合问题， 沿线引起分布小电压源，并可分解为共模（CM）和差模（DM） 分量。 所谓共模电流指两导线上振幅相差很小而相位相同的电 流，而差模电流指两导线上振幅相等而相位相反的电流。只有 电磁兼容仿真中的算法研究 Introduction of Computational Electromagnetic in EMC Simulation Technique 关丹丹，侯莹莹（西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安 710071） Guan Dan- dan ,Hou Ying- ying（Mechanical- electronic Engineering Institute, Xi'dian Univer- sity,Shanxi Xi'an 710071) 摘 要：文章介绍了通信系统中典型的电磁兼容问题 - - 电磁干扰，以及几种常用的电磁兼容仿真算 法，并对各种算法进行详细分析，提出了适用于通信系统的电磁兼容仿真算法，以供相关工程设计人 员作为参考。 关键词：电磁干扰；电磁算法；仿真 中图分类号：TN03 文献标识码：A 文章编号：1003- 0107(2009)06- 0068- 03 Abstract : With the development of computer science and computation technology, modern simulation technique has found wide applications in many fields . In this paper, a brief introduction of some common electromagnetic interference in communication systems is shown. Also, an initial analysis of the computational electromagnetic in electromagnetic com- patib ility s imulation technique is made, thus providing engineers some valuable schemes of solving the practical electro- magnetic compatib ility problems. Key words: electromagnetic interference；computational electromagnetic；s imulation CLC number:TN03 Document code:A Artecle ID:1003- 0107(2009)06- 0068- 03 电磁兼容 MCE 68 2009第 6期 认证与实验室 差模电流在端接阻抗中流动，而共模电流在传输的两个终端 为零[1]。 2.4 场对高频传输线的耦合 当传输线的长度相对于入射电磁波来说，传输线的长度 大于四分之一波长时，为电大尺寸，属于高频传输线。电磁波 照射到它上面时，将引起沿线分布的许多无穷小的电压源，且 沿线的电流、电压是变化的，必须采用分布参数电路的理论进 行分析求解。 3 电磁兼容仿真的过程 电磁兼容仿真，即就是对上述各类耦合方式进行合理而 有效的仿真，以便使得设备或系统满足相应的电磁兼容性标 准。作为一个比较新兴的研究方向，电磁兼容仿真是随着电磁 兼容性问题及计算机仿真技术的发展成熟而逐渐兴起的，现 在已经有比较成熟的商业软件，如 XFDTD，HFSS，FEKO，等， 可以完成这方面的工作。 3.1 模型的建立 模型是系统仿真分析的基础，正确而有效的建模对于解 决问题是至关重要的。建模对工程设计人员来说，应该是非常 熟悉的一个过程。针对要研究的具体问题，以及所使用的仿真 软件，同样一个研究对象，可以允许建立多个仿真模型，但所 建立的模型常有明确的物理或现实意义。 3.2 常用算法及其分类、简介 电磁学问题的数值求解方法可分为时域和频域两大类。 频域技术主要有矩量法、有限差分方法等，频域技术发展得比 较早，也比较成熟。时域法主要有时域差分技术，时域法的引 入是基于计算效率的考虑。 从求解方程的形式看，可以分为积分方程法和微分方程 法。这两种方法有以下异同点[2]。 ● 积分方程法的求解区域维数比微分方程法少一维，误差 限于求解区域的边界，故精度高； ● 积分方程法适合求无限域问题，微分方程法会遇到网格 截断问题； ● 积分方程法产生的矩阵是满的，阶数小，微分方程法所产 生的是稀疏矩阵，但阶数大； ● 积分方程法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题，微 分方程法可直接用于这类问题。 典型计算方法有以下几种。 （1）有限元法（FEM） 有限元方法于 20世纪 40年代被提出，在 50年代开始用 于飞机设计。后来该方法得到发展并被非常广泛地应用于结 构分析问题中[2]。 有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。应 用变分原理，把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题， 利用对区域的剖分、插值，将其离散化为普通多元函数的极值 问题，得到一组多元的代数方程组，求解代数方程组进而得到 所求边值问题的数值解。用于高频 HFSS采用的就是有限元 法，图 1为 HFSS中对差分线的仿真示意图。 （2）矩量法（MoM） 矩量法能够准确地求解辐射体上的电流分布，方便地计 算出电磁兼容问题中所关心的一系列物理量，如耦合度，远、 近场辐射场强，方向图等。其基本思想是将未知函数用一组已 知函数，基函数展开，并利用权函数将其离散化，把积分方程 转化为一组线性方程，即矩阵方程进行求解。 矩量法生成的阻抗矩阵是满秩的，存储量较大，通常适合 于尺寸与波长相比拟或为几个波长以下的几何体的计算，对 于电大尺寸的几何体，往往因为未知量数目过大，而很难求解 出所需的数值解。 （3）快速多极子技术（FMM） 在矩量法的基础上，人们提出了快速多极子技术，它的核 心在于用聚合、转移、配置这些概念来等效远场之间的耦合作 用，加速了矩量法中阻抗与向量的乘积，并采用迭代法求解矩 阵方程，使得在未知量数目比较大时，计算复杂度及存储要求 均显著减小，有效提高了计算效率。 快速多极子技术及多层快速多极子技术目前被广泛应用 于各个领域，是一种很有效的计算方法。FEKO就是基于矩量 法和快速多极子方法的大型商业仿真软件，图 2为 FEKO中 对面片天线的仿真示意图。 (a)差分线的模型示意图 (b)端口的共模和差模电场分布图 图 1 HFSS 中对差分线的仿真示意图 69 （4）时域有限差分方法（FDTD） 时域有限差分法是一种在时域求解 Maxwell方程的电磁 仿真技术。电磁场结果的计算过程中，在离散的时间步上进 行，时域方法的一个优点是一个单一的执行程序就可以得到 宽带的输出。不过，使用这种方法最主要的原因是当问题尺寸 增大时，这种方法具有极好的模型缩放性能。当未知量数目增 大时，这种方法在效率上超过其它方法。对应的典型商业仿真 软件是 XFDTD，图 3为 XFDTD中对双极子天线的瞬态场仿 真示意图。 在对通信系统进行电磁兼容仿真的过程中，常采用后三 种电磁计算方法，如在低频时采用矩量法，高频时采用快速多 极子算法以及时域的时域有限差分方法，同时，针对更高频段 的仿真，也可以采用时频外推技术。 4 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 本文介绍了车载通信系统中常见的电磁兼容问题，并对 其电磁兼容性仿真算法进行详细介绍，提出了几种常用并且 高效的求解算法，为工程设计人员提供有价值的资料。 参考文献： [1]邱扬,田锦.电磁兼容设计技术[M].西安:西安电子科技大学 出版社,2001:55- 83. [2]胡来平,刘占军.电磁学计算方法的比较[J].现代电子技术, 2003,10:75－78. [3] Ansoft Corporation, HFSS Full Book, Ansoft Corporation,2005. [4] EMSS Corporation, FEKO Getting Started Manual, EMSS Cor- poration,2006. [5] Remcom Corporation, XFDTD UsersGuide v6.3, Remcom Cor- poration,2005. (a)面片天线的模型示意图 (b)面片天线的远场数据曲线图 (c)面片天线的远场三维显示 图 2 FEKO 中对面片天线的仿真示意图 (a)瞬态场的二维分布示意图 (b)瞬态场的二维矢量分布示意图 图 3 XFDTD仿真双极子天线的瞬态电场分布 电磁兼容 MCE 70