亚瑟j . Glazar生活IEEE高级会员
背景
射频(RF)信号能量通常局限于内部的同轴电缆。射频电流的电缆护套表面不良,通常表示一个问题。盾表面电流可能发生的结果进行敏感性(CS)或辐射敏感性(RS)。无论他们的事业,保护电流将引起一个干扰电压的传讯导体同轴电缆通过表面转移阻抗的机制。RS测试通常是用来描述这种干扰造成电缆护套的耦合外部电磁(EM)领域。然而,因为RS测试是复杂和昂贵的BCI是一个有吸引力的选择。
考虑到RS测试设置如图1所示。盒1包含一个信号源和盒2包含信号的负载。其他两个盒子,并电连接,地平面。同轴电缆,离地面的飞机,把所需的信号从盒1盒2。两个盒子加上电缆组成一个被测系统(SUT)。一个测试的电磁场的存在是象征性的表示。为简单起见,测试和测量组件没有显示。
图2描述了一个等价的BCI测试设置。而不是一个新兴领域,射频测试电流被迫同轴电缆的屏蔽在点p,通常利用电流注入探针。注入电流的路径包括整个长度的盾牌,盒子和地平面。
简要地说,保护电流导致负载噪音。屏蔽电流是否存在辐射或传导的结果无关只要观察或预测负载噪音。可以计算负载噪音如果电缆的保护电流分布及其转移阻抗是已知的。在讨论中,一个简单的BCI配置将使用一个输电线路(TL)模型分析和数值电磁学(NEC)的代码。结果将显示一个TL模型可以有效地用于分析BCI。
传输线建模
TL模型具有很大的优势,它的方程可以解决各种各样的工具,如电子表格、数学软件和流行的编程语言。另一方面,TL模型表示一个理想化;时,必须考虑其局限性分析真正的系统。大多数的讨论对TL建模的局限性做出了类似的免责声明没有透露更多细节。本文的目标是识别和避免一些限制的TL模型用于BCI分析。
图3是根据所使用的分析方法a·a·史密斯[1]。Zs1和Zs2代表盾终端阻抗源和负载箱,分别。维d代表同轴电缆护套的外径。S盒和h之间的电缆长度电缆地面高度。维度z是距离Zs1电缆护套上的任意点。维p是Zs1到指定的电流注入点的距离。TL理论提供,稍后讨论与限制,一个简单的方法寻找当前分布沿电缆护套:如果保护地面的高度,h,比盾(a)更大的直径和(b)远远小于四分之一波长,然后盾牌可以被视为一个单导线输电线路特性阻抗Z01 = 60包厢(4 h / d)。例如,如果h = 100毫米和d = 5毫米,然后h / d = 20 Z01 = 263欧姆。为了应用经典稳态传输线方程,方便将图3转化为一个等价的二线平衡的自由空间。这是通过考虑单导线线有一个镜像低于地平面,如图4所示。 In this equivalent, the values of the terminating impedances and the characteristic impedance are all doubled with respect to the physical case represented in Figure 3; that is, Z1 = 2Zs1, Z2=2Zs2, Z0=2Z01. Also, the injected current has a phase-inverted counterpart in the image conductor, and the driving point impedance, Z(p), at the injection point is likewise doubled in the equivalent TL. Let us now stipulate that our model (Figure 4) is lossless, which is a reasonable assumption in most EMC applications, and which simplifies the TL model with little loss of accuracy in practice. In Appendix D of Reference [1], Smith derives equations for the current distribution along a 2-conductor transmission line excited by a voltage source injected at an arbitrary point on the line. The equations are almost tailor-made for our purpose. Smith’s equations (adapted to the notation used in Figure 4) are presented below. For currents located to the left of the injection point (i.e., z < p):
BCI分析,最好有方程(1)和(2)所述的注入电流,我(p),而不是注入电压、V (p)。如果驱动点阻抗,Z (p), TL模型是已知的,V (p) =我(p) Z (p)(注1)。为此,我们观察到,通过设置Z = p方程和选择V (p) = 1为方便起见,可以解决方程获得比V (p) /我(p) = Z (p)。即为V (p) = 1和z = p,方程(2)
注意,只需要一次性解决方程(3)对于一个给定的频率和注射点位置;也就是说,在这些条件下Z (p)是常数。曾经发现Z (p)因此,方程(1)和(2)可以重写的注入电流(p)。
一个程序写于快速解决基本方程(3),(4)和(5),该计划BCI。BAS,生成的图形和表格电流分布解决方案和计算输入功率和驱动点阻抗。BCI的使用。BAS将下面的示例中演示。让图3代表一个SUT拥有以下特点和测试参数(注2):
图5显示了生成的情节BCI。BAS的表示问题。在100 MHz的频率,波长是3米,这正是物理线长度。我们注意到如果Z1 = Z2 = Z0在方程(4)和(5),然后所有的z值和频率,我(z)是常数的大小,因为它应该是,终止线的特性阻抗。然而,在我们的示例中,在一般情况下,输电线路提出了一个极端的不匹配,因为这两个盾终端阻抗通常将几乎为零。因此,驻波电流将出现在所有频率的TL长相比四分之一波长。在注射点,p,输入功率:
再保险(Z (p))是驱动点阻抗的电阻分量。在图5中,电流最大值发生在注射点,Z (p) = 2 + j(0)和销= 157毫瓦BCI.BAS计算。如果相反,注入点一直位于或接近当前最低(即。,an impedance maximum), then the power input would necessarily have to be increased to maintain the specified injection current.
很明显,目前的分布,驱动点阻抗和输入功率显著不同实际BCI在频率扫描测试。因此,在规划一个BCI测试,能够非常值得估计这些频率相关变量与某种程度的信心。为系统设计师,保护电流分布非常重要,因为它直接影响EMC通过/失败的需求。EMC测试工程师,然而,电源输入可能更重要,因为它影响测试硬件的需求。
频率的考虑和TL模型的局限性
特定的TL,频率可以分为三个相对范围。这些范围可以定义通过比较一个四分之一波长的注入电流TL的物理长度:
范围1。低频率。在这个范围之内,TL小于四分之一波长和TL模型产生精确的结果。如果TL比四分之一波长更短,系统可以使用小型电路分析理论;即。,Ohm’s Law. For example, at zero frequency equations (4) and (5) reduce to a constant current throughout the line and its terminating impedances.
范围2。介质的频率。在这个范围内,TL超过四分之一波长和TL模型产量合理准确的结果。欧姆定律不考虑失败,因为线反射小小电路理论。
范围3。高频率。在这个范围之内,TL远远超过四分之一波长和TL模型的准确性会降低由于两个主要因素:(a)不考虑辐射效应;(b)方程(4)和(5)不占终端的长度两端的线。辐射主要修改驱动点阻抗,和终止长度主要影响电流分布和共振频率。
NEC分析
用户友好的NEC软件可用这些天精装教科书的价格。无线电业余爱好者熟悉EZNEC®,威望极高,NEC-based天线分析程序[2]。EZNEC的效用(发音“Easy-NEC”)远远超过天线分析,然而,是一个有价值的工具,用于电磁兼容工程师。的读者可能希望浏览EZNEC网站,下载和教程材料是可用的。
SUT如图3所示,参数来自我们的例子中,成立于EZNEC五个步骤:首先,无限,无损地平面从EZNEC菜单中选择地面系统的选择。第二,电缆护套被建模为三个相互连接的电线;3米的水平截面被指定为线# 1,和左右垂直滴电线分别为2和3。所有电线都指定(再一次,通过菜单选择)无损的导体直径5毫米。第三,1电阻负载(Z1和Z2)被添加的中心电线2和3。第四,0.28安培的电流源添加到线# 1的中心。最后,100 MHz的频率选择和问题的例子是可以运行(注3)。EZNEC数据输出选项包括一个表每个导线的电流强度和相位以及图形显示的相对线电流叠加在一个线系统的观点上。图6显示了我们SUT的EZNEC图形模型。在图中,数字显示线数字,圆形表示信号来源和方形表示加载。还要注意,史密斯的z轴和EZNEC轴是互换的。 The present paper, however, adheres to Smith’s notation, where the horizontal plane is the y-z plane and x is the vertical axis.
比较NEC和TL模型的解决方案
BCI。BAS包括提供阅读EZNEC现任和源数据文件。程序使用这些文件情节EZNEC和TLM解决方案在同一图直接比较。
SUT的示例问题,数据被超过一百的频率从直流到300 MHz(注4)。图7、8和9选择从这些为了说明特定感兴趣的特性。的人物,TL模型解决方案(TLM)是黑色,用红色和NEC的解决方案。平均电流(Iavg), TLM和NEC计算并显示在屏幕上。同样,功率耗散的盾终端阻抗(pdi)计算并显示。辐射功率的比例占总输入功率(马/销)NEC解决方案显示,自从TL模型
不考虑辐射功率。
图7显示了电流分布的情节和其他数据在f = fQ = 25兆赫。TLM和NEC的情节是没有区别的,他们的平均电流相差不到一半dB。NEC辐射功率小于10%,驱动点阻抗同意相当不错。电流分布基本上是统一的(平),指示一个恒定阻抗和无电流沿行驻波。
图8显示了数据f = 2 fq = 50 MHz。在这个线长1/2波长,频率的驻波电流明显。当前注入点恰逢一个阻抗最大的中心。辐射功率约占总输入功率的48%。之间的巨大差异是显而易见的TLM和NEC包括三角驼峰的NEC情节并不出现在TLM阴谋。
图9显示了数据f = 4 fq = 100 MHz。在这个频率线是一个波长长,和电流最大的中心和两端。恰逢一个阻抗最小电流注入点。辐射功率几乎总输入功率的60%。平均电流同意密切,但阻抗和输入功率之间存在显著的差异,正如所预期的那样,由于大型组件NEC的辐射功率模型。
在观察这些“快照”在离散频率,它可能会得出结论,TL模型未能fQ以上频率是有用的。然而,当数据研究了从不同的角度来看,一个新图片。在图10中,Iavg TLM和NEC的值作为频率的函数绘制从直流到300 MHz(注5)。显然,比例的频移效应,导致TLM数据在频率相对于NEC数据。总频移是大约9%。大约6.7%的这被认为是由于“失踪”长度的两个盾终端TL模型;即。,2h. When a frequency substitution is made such that f’ = f ( 1 + 2h / S) = f ( 1.067), the results are as shown in Figures 11 through 14 which should be compared to the previous
图7到10。注意,特别是在注入点的出现一个三角形的驼峰在图12中,缺席图8。在图11到14中,修正频率f的计算中使用,而未修正的频率,f,屏幕上报告。
在我们的示例中得过,剩下的2%频移的原因(在调用f ')是不明显的。已经注意到,尽管总频移随系统几何,f '的TL模型替代仍然提供合理准确的预测以前讨论BCI保护当前的指导方针。
正如前面指出的,使用TL模型的最终目标是估计负载所产生的噪声电流注入一个盾牌。在这里,史密斯[1]的方法提供了以下方程:
创建的一个有用的预测工具可以编写一个程序在方程(3),(4),(5)和(6),目标是情节负载噪声和频率,给出极限曲线(如mil - std - 461 e,图CS114-1)作为输入。
笔记
(1)在参考附录A[1],史密斯独立获取驱动点阻抗方程。不幸的是,目前绝版参考[1]。等效分析可在其他文本如万斯的“耦合屏蔽电缆”。
(2)在本例中,电阻焊端佐薇相比可以忽略不计。在后面的例子比较辐射与耗散功率的终端是有帮助的。注入电流的选择价值,.28A (109 dBuA)的最大级别被mil - std - 462 / CS114。一个编译和BCI的可执行版本。BAS是可用在电子邮件请求作家。
(3)问题是准备好运行,也就是说,除了非常重要的考虑线“分割”,这一主题超出了本文的范围。
(4)EZNEC自动系统的准则不允许运行该特定问题配置低于3.5 MHz。
(5)数字10,14创建一个单独的绘图程序使用文本列表作为输入的数据点。
引用
[1]a . a . Smith,外部电磁场的耦合传输线,第二版,干扰控制技术,Inc .,盖恩斯维尔,弗吉尼亚州(1987)。
[2]EZNEC Version 3.0中,天线分析程序对于Windows,版权(c) 2000 - 2002,由罗伊·w·LeWallen www。eznec.com。