布线结构与结构设计论文提纲

论文题目：机电设备互连线缆电磁干扰建模及计算方法研究

摘要：互连线缆是机电设备传递信号和能量的载体,是实现设备功能不可或缺的组成部分。线缆的天线效应使其成为设备产生电磁干扰的主要途径,是系统电磁兼容问题的主要根源之一。为此,本文对线缆电磁干扰建模及计算方法进行了系统研究,以期为机电设备互连线缆的电磁兼容分析提供理论依据及建模方法。具体研究内容如下:（1）单芯屏蔽线缆电磁辐射干扰及屏蔽效能计算方法研究本文提出了一种计算屏蔽线缆芯线电流产生的电磁辐射及屏蔽效能的解析方法。基于kley转移阻抗模型,建立芯线电流和屏蔽层电流的函数关系式,利用偶极子近似方法建立屏蔽层电流的电磁辐射模型。根据线缆屏蔽效能的定义,推导出屏蔽效能与转移阻抗之间的数学关系,并分析了线缆基本参数对屏蔽效能的影响。通过商业软件CST和屏蔽效能测试对解析方法进行了验证。（2）多芯屏蔽线束电磁干扰简化建模方法研究对于复杂线束EMC问题,本文将多根芯线的线束模型简化为不多于4根芯线的线束模型。根据线束终端阻抗在史密斯阻抗圆图中位置分布情况,对多导体线束进行了分类组合。由全模型与简化模型分布参数间的转换关系,得到简化线束模型分布参数。利用圆柱形屏蔽结构内分布参数计算公式,推导出简化模型截面结构参数计算公式。通过线束电磁耦合和辐射数值算例及机箱应用,验证了线束简化建模方法的正确性和优势。（3）线束串扰及临界布线间距计算方法研究本文提出了一种确立临界布线间距的解析方法,用以指导线缆进行合理的布局。推导了双导体线缆串扰值计算公式,并用数值算例验证了公式的正确性。其次通过对串扰计算公式的重新定义,推导出串扰值与布线间距的关系函数,并得到串扰随间距变化规律的曲线。根据该函数定义了串扰曲线上的临界点及临界分布间距,并利用串扰耦合机理解释了临界布线间距的物理含义。通过实验对临界布线间距计算公式进行了验证。（4）屏蔽机箱内线缆场线耦合干扰计算方法研究针对外部电磁场干扰作用下屏蔽机箱内线缆的场线耦合问题,本文基于电磁拓扑理论提出了一种混合计算方法。分析了屏蔽腔内线缆耦合机理,建立了腔体外部干扰源对线缆负载辐射耦合及传导耦合干扰的电磁作用序列图。通过辐射和传导耦合路径的BLT方程,得到线缆负载上总的干扰电压响应。选取Agrawal模型,利用数值仿真和数值积分方法求解负载干扰的BLT方程。通过商业软件CST对解析方法进行了验证。（5）线缆电磁干扰建模与计算方法的应用研究本文研究了场-线-路耦合下电机及其驱动系统辐射电磁干扰预测方法。分析了电机及其驱动系统共模干扰源的产生机理和传导路径,建立了共模干扰传导路径中主要部件的模型。将线束简化建模技术应用于预测模型的建立,获得了系统辐射电磁干扰预测模型。利用场-线-路协同仿真方法对预测模型进行分析,并通过实验验证了预测模型。结合线缆电磁辐射和屏蔽效能及串扰临界布线间距计算方法,分析了动力线缆截面结构参数和布线参数对辐射电磁干扰及信号线串扰的影响。通过上述内容的研究,论文形成了以下创新点:（1）提出了一种计算编织线缆屏蔽效能的解析方法编织屏蔽层与芯线之间的转移阻抗是反映线缆电磁辐射特性和屏蔽效能的重要参数,屏蔽层电流的获取是整个线缆辐射场计算的基础。该方法利用转移阻抗理论建立线缆屏蔽效能解析计算公式,可以为线缆屏蔽性能的评估及屏蔽层结构的设计提供理论依据。（2）提出了一种复杂线束的简化建模方法该方法针对线束电磁辐射及耦合干扰,利用多导体传输线理论将多根芯线的复杂线束模型简化为不多于4根芯线的线束模型。相比完整线束的建模,该方法有效降低了建模难度,提高了仿真效率,为复杂线束电磁兼容问题的仿真分析提供了建模方法。（3）提出了一种计算屏蔽机箱内线缆场线耦合干扰的混合方法该方法利用电磁拓扑理论,将一个复杂系统的求解问题等效成许多子系统问题的求解,有效降低了电子设备线缆电磁耦合问题求解的难度。相比于传统的解析计算和全模型数值仿真方法,该方法结合解析方法和数值仿真,计算效率高,建模难度较低。

关键词：线缆;电磁辐射干扰;简化建模;串扰;场线耦合

学科专业：机械工程

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 课题的提出和研究目的

1.2 国内外研究现状

1.2.1 线缆电磁辐射及屏蔽效能计算方法

1.2.2 线缆束简化建模方法

1.2.3 线缆串扰计算方法

1.2.4 线缆场线耦合计算方法

1.2.5 场-线-路混合仿真方法

1.3 本文的主要研究内容以及创新点

1.3.1 研究内容

1.3.2 创新点

第二章 单芯屏蔽线缆电磁辐射干扰及屏蔽效能计算方法研究

2.1 屏蔽线缆转移阻抗计算与验证

2.1.1 转移阻抗

2.1.2 Kley模型

2.1.3 算例验证

2.2 单芯屏蔽线缆电磁辐射计算与验证

2.2.1 屏蔽线缆模型

2.2.2 编织屏蔽层分布电流定义

2.2.3 线缆辐射场计算

2.2.4 数值算例验证

2.3 单芯屏蔽线缆的屏蔽效能计算

2.3.1 屏蔽效能定义

2.3.2 屏蔽效能与转移阻抗关系

2.3.3 数值算例验证

2.4 线缆参数对屏蔽效能的影响

2.4.1 截面参数对屏蔽效能的影响

2.4.2 屏蔽层参数对屏蔽效能的影响

2.5 单芯屏蔽线缆的屏蔽效能测试

2.5.1 测试原理

2.5.2 测试结果及分析

2.6 本章小结

第三章 多芯屏蔽线束电磁干扰简化建模方法研究

3.1 线束简化建模原理

3.1.1 多导体传输线模型及方程

3.1.2 单位长度分布参数的计算

3.1.3 线束特性阻抗的计算

3.2 线束简化模型的建立

3.2.1 基于史密斯阻抗圆图的线束分类

3.2.2 简化线束模型单位长度参数的计算

3.2.3 简化线束模型几何截面模型的建立

3.2.4 简化线束模型终端负载阻抗的处理

3.2.5 简化线束模型终端电压源的处理

3.3 线束简化建模方法的数值算例验证

3.3.1 简化线束模型终端负载的电磁耦合

3.3.2 简化线束模型的电磁辐射

3.4 线束简化建模方法在机箱中的应用

3.5 本章小结

第四章 线缆串扰及临界布线间距计算方法研究

4.1 双导体传输线间串扰计算方法

4.1.1 单位长度电感矩阵和电容矩阵的求解

4.1.2 基于模量解耦方法的串扰计算

4.1.3 数值算例验证

4.2 临界布线间距计算方法

4.2.1 串扰与布线间距的解析关系

4.2.2 临界布线间距的数学定义

4.2.3 临界布线间距的物理含义

4.2.4 布线参数对临界布线间距的影响

4.3 线束临界布线间距实验验证

4.4 本章小结

第五章 基于电磁拓扑理论的屏蔽机箱内线缆场线耦合干扰计算方法研究

5.1 电磁拓扑理论

5.1.1 电磁拓扑理论分析步骤

5.1.2 BLT方程

5.2 机箱内线缆电磁拓扑模型的建立

5.2.1 电磁拓扑图

5.2.2 主要干扰路径选取

5.2.3 信号流图

5.3 机箱内线缆场线耦合的计算方法

5.3.1 传导耦合干扰电压

5.3.2 PCB迹线耦合干扰电压

5.3.3 计算结果与验证

5.4 本章小结

第六章 线缆电磁干扰建模与计算方法的应用

6.1 电机及其驱动系统电磁干扰机理与传播路径

6.1.1 系统干扰源分析与测试

6.1.2 干扰路径分析及建模

6.2 电机及其驱动系统辐射电磁干扰建模

6.2.1 电机等效电路模型

6.2.2 直流母线及动力线缆模型

6.2.3 系统预测模型

6.3电机及其驱动系统辐射电磁干扰仿真与实验

6.3.1 场-线-路混合仿真

6.3.2 系统电磁辐射实验验证

6.4 动力线缆参数对电磁干扰的影响

6.4.1 截面结构参数对系统辐射电磁干扰的影响

6.4.2 布线参数对系统辐射电磁干扰的影响

6.4.3 布线参数对信号线串扰的影响

6.5 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续展望

致谢

参考文献