【《基于多导体传输线模型的汽车线束串扰问题分析概述》4400字】

基于多导体传输线模型的汽车线束串扰问题分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u31448基于多导体传输线模型的汽车线束串扰问题分析概述 1308491.1引言 1180571.2多导体传输线的模型和方程 1166631.3计算电路的分布参数 3139261.4分门别类的多导体传输模型 71.1引言传输线理论主要是分析系统内外的电磁干扰以及预测系统电磁兼容性，在电磁兼容研究上至关重要。它在预测高速电路中电缆间的串扰、传输线对通信线的干扰以及预测信号完整性等各个方面均发挥了重要的功能和作用。在实际的应用中，会存在大量的平行线性结构，但是由于几何长度远小于线路上传输的信号波长，导致出现低频模式无效的情况。而对于高频模式来讲，其计算量较大，因此在实际的工程利用方面存在较大的困难。因此在分析中针对导体平行于参考地面的情况，则可构建多导体传输线模型(MTL)进行研究[26]。1.2多导体传输线的模型和方程汽车上的线束可以说都是平行布置的，比如汽车中高压线束的布置和低压线束的布置，高压线的排布都遵循平行美观原则，再如低压线束，线束与线束在某一方向上是平行的，同一线束里的导线也是平行的，所以我们可以使用多导体传输线模型来进行分析。不仅仅是汽车上的低压线束或者是高压线束，例如电力系统的布线，电信网络的网线，甚至于一些集成电路，都是平行布置的。所以在这些情况下，我们可以针对这些线缆采用分布参数的计算方法来求解分布参数，因此采用多导体传输线模型可得出较好的分析结果。多导体传输线的主要结构如图1.1所示，这些结构包括平行布置的电缆、地面上连接的传输电缆、屏蔽线、排带线等。这些类型均可视为多导体传输线。图1.1中，结构(a)、结构（b）、结构（c）和结构（d）中，分别以一个环线对地作为参考线、以地面作为参考面、以屏蔽层作为参考面和以地面作为参考面。图1.1多导体传输线模型假设一组电缆是由N+1个导体组成，我们按1~N+1给其编号，将第N+1号导体对地形成回路，其余导体为屏蔽线、绞线或者信号传输单线等，如图1.1所示。若本组线缆满足以下条件:1）瞬变电磁波或准瞬变电磁波在信号传输时产生；2）导线之间的分布表现为均匀且平行；3）传输线任意截面上通过的电流和为零；4）假设传输线中导体周围的介质在与垂直导体的界面上的分布情况均表现为均匀的特点。那我们可以基于这些条件建立多导体传输线模型。在频域上，假设存在N+1条线路的均匀多导体传输线模型，则此时能够得出电报方程为[17]:∂V(z)∂I(z)（2-1）以上公式中的Z代表的含义为电磁能传输的方向。公式中V(Z)代表的含义为Z点在某个传输线上的电压的列向量，公式中I(Z)表示的是Z点电流的列向量。公式中Vf(z)代表的是外电磁场在Z点的分布电压源的列向量，公式中If(z)代表的含义为外电磁场在Z点的等效分布电流源的列向量。公式中Z代表的含义为阻抗矩阵，公式中Y代表的含义为导纳矩阵。阻抗矩阵Z=R+jωL，导纳矩阵Y=G+jωC，其中R、L、G、C均表示单位长度分布参数。R、L、G和C分别代表串联电阻矩阵、串联电感矩阵、并联电导矩阵和并联电容矩阵。在实际的计算中可以通过仿真或者相应的计算来得出单位长度的分布参数，R和G在无损环境下可以被忽略。假设多导体电路的频率对分布参数不会产生任何的影响，两者之间不存在任何关系，对于一个多导体传输线方程来说，我们可以用下列方法在式（2-1）中，代入一个单位长度的电路阻抗Z和一个单位长度的导纳Y，从而求得其时域形式，代入后，得（2-2）：∂V(z,t)∂I(z,t)（2-2）在一些基本得分析中，单位长度电导可以不计算在内，代入后得（2-3）：∂V(z,t)∂I(z,t)（2-3）对该方程进行解答，即可将线缆间的串扰计算出来。1.3计算电路的分布参数由式(2-2)可知道，我们需要先求解电路分布参数，然后再来解析多导体传输线方程，这样基于分布参数的求解才是成立的。电缆之间的距离较宽时，我们可以将电路上电压和电流的分布近似认为是均匀的。以此为假设，可以用近似解析式求出单位长度传输线的分布参数。同时，导线间距离较小时，因为导线间会产生邻近效应，这时候电路上分布的电压和电流不是均匀的。在这种情况下,我们需要通过采用一种数值计算的技术手段来获取传输电缆每一根单位长度的分布参数[34]。电路的分布参数可以用各种算法求解，目前计算此类的算法层出不穷，同时求解也可以通过部分软件来实现，还能保证的了可靠的精度。有些电缆不符合宽距离假设条件，直接计算会比较复杂，所以需要用数值计算法或各种软件来进行解答。在实际系统中，存在大量满足宽度距离条件的导线。在这种情况下，对于这组传输线，通过知道截面的各部分的结构和尺寸，能够得到每单位分布参数。所以对宽距离输电线路的几种简单结构，我们来做一下简要分析。三根导线（G、O、R）的截面图如图1.2所示。从图中可以得出G、O、R是平行的，且两个导向之间的距离为d，G、O、R三根导线的半径均为r，编号G的导线是发射线，编号O的导线是参考线，编号R的导线是接收线。图1.2三根导线（G、O、R）的截面图我们令R线上的电流为0，即IR=0，先求解G线自电感，如下:l（2-4）因为R线和G线之间是相互对称的关系，所以R线会产生自电感：l（2-5）同样令R线上的电流为0，我们再来计算互电感，得出：l（2-6）由此，我们可以计算的出三根传输导线的单位长度L，其参数是：L=（2-7）基于均匀介质中LC=με12的计算公式，分析此公式，12表示的是一个2×2的单位矩阵，因此能够计算得出传输线的单位长度为C，具体为C=μεL-1。从图1.3中可以得出，两根导线平行地放在一个地面上,地面空间是无限大的。最左边的是发射线，其半径如图所示为RG；右边的为接收线，其半径如图所示为rR；发射线距离地面高度为hG，接收线距离地面高度为hg；两根线之间的间距为d。在方法上可以采取镜像法来对这两根传输线输出解答，如图1.4。图1.3两根导线在地面上的截面图1.4镜像法的运用首先令R线上的电流为0，即IR=0，可以求得G线的自电感：l（2-8）同时我们还可以解出，R线的自电感：l（2-9）还有其互电感：l（2-10）其中s=d2+(hR−hG)2,s如图1.5，展示的是两根平行的导线，带有环状屏蔽层。针对这种情况，我们依旧可以使用镜像法来进行求解。图示中最左边的是发射线（G线），其半径是rG，G线与屏蔽线圆心相距dG；最右边的是接收线，其半径是rR，其距离圆心为dR，R线到整个环状屏蔽层的圆心与G线到圆心之间连线所成夹角是θ。

图1.5计算屏蔽双导线同之前两节的计算方法，可以求到自电感和互电感:l（2-11）l（2-12）l（2-13）由此我们可以得出，针对宽距离条件的传输线，我们可以采取上述方法方便快速的计算电路的分布参数，而且此方法计算精度高，对于解决一般性问题来说，是一个相当好用的助力。当然，在不满足宽距离的条件状况下，亦或是需要更高的精度，更加精准的计算数据时，是不能直接进行计算的。这种情况下就得采用多种数值计算方法，系统分析计算各种工况下的传输线的参数并利用一些实用软件计算分布参数。针对电缆线束间的串扰问题,通常是具体问题具体分析，针对问题发生的现象搭建相关模型验证。然后再以此为基础，在计算电路分布参数的计算和求解中采用近似公式或各种数值计算,在多导体传输线方程的分析和解答方面则采用有限差分时域法,最终能够通过计算和求解得出串扰的时域结果。在现实生活中，只要与电相关，串扰问题就无处不在，但对这些问题进行抽象分析后，我们发现它们大同小异，追根溯源，就是一些代表性的串扰模型，大部分问题也是来源于这些模型。接下来，我们对这些有代表性的模型做下简要介绍。1.4分门别类的多导体传输模型我们可以回顾下图1.1所展示的现实生活中随处可见的多导体输电线路的几种结构形式，比如供电系统中的电力线路、高压部件的输电电缆、PCB板上的信号传输等。就像上节所说，电力电气传输的结构也许不一样，干扰的问题也许多样化，但是将这些归纳分析来看，这些结构都可以简化为相似的模型。所以我们结合各式各样的传输线路及结构，我们总结了四种普遍的串扰结构，比如单个导线间的串扰、绞线与单个导线间的串扰，还有单线和屏蔽线以及单线和电缆线束的串扰。因此我们对这些一般的并且简化后的模型做研究分析，并以此为基础，研讨影响因素，比直接分析原结构效率高，存储空间占用少。而且基于普遍且简化后的结构模型的研究结果，同用可以用于原结构的串扰分析。从这个角度来说，我们是从最根本出发，不管多复杂的问题都是回归本源，这样才可以对主机厂或工程提供合理有效的建议。图1.6种，模型（a）是单个导线间的串扰模型，模型（b）是单线与双绞线的串扰模型，模型（c）是单线与屏蔽线的串扰模型[23]。（a）（b）（c）图1.6三种类型的串扰结构形式针对单线和单线之间的串扰分析，我们可以将单线的一端作为发射线并给予激励，其余的端口均直接连接到负载。通过采集接收端（近端及远端）对地电压的波形，可以直观地看出导线间的干扰程度。针对单个导线与双绞线之间的串扰分析，同样以单线作为干扰线，双绞线作为接收线，两种线两端均串入负载，在单线端进行激励，对与绞合导线相连的电阻的电压时域波形进行分布和测量，即单线串扰到绞合导线的信号。针对单线和屏蔽线之间的串扰分析，因为屏蔽线屏蔽效果好，此试验很难验证，所以不同于之前的单线激励，在这个分析上，励磁源的一端连接屏蔽线，另一端连接负载，将单线（接收线）近远端的串扰波形采集下来。线束内部无所谓就是单个导线、绞线或者屏蔽线，采用与前三个模型串扰分析相同的研究方法来得出单个导线和线束之间的串扰问题，但是需要注意的是传输线的数量会在一定程度上增加。在具体的计算和分析过程中，每根导线靠近激励源的端定义为近端，相反则为远端