基于多端口网络理论的系统级EMC预测方法

叶城恺，高 锋，夏娇妮，汪春华

(1. 重庆大学 电气工程学院，重庆 400044 ；2. 国网重庆市电力公司 检修分公司，重庆 400015；3. 中国汽车技术研究中心，天津 300300)

基于多端口网络理论的系统级EMC预测方法

叶城恺1，高 锋1，夏娇妮2，汪春华3

(1. 重庆大学 电气工程学院，重庆 400044 ；2. 国网重庆市电力公司 检修分公司，重庆 400015；3. 中国汽车技术研究中心，天津 300300)

提出了一种基于多端口网络理论的EMC预测方法，能够实现复杂系统内多干扰源/敏感设备并存情况下的EMC预测。应用该方法进行复杂系统EMC预测时，将系统内部耦合作为多端口网络，将由电器部件构成的干扰源或敏感设备统一为网络端口处理，由网络耦合特性和端口特性进行系统级EMC预测。同时，给出了系统级EMC的预测方法，以及预测所需的网络耦合特性和端口等效特性的建模方法，并通过预测电动汽车电机系统对车载天线末端的骚扰电压，来对所提出方法的有效性进行验证。

电磁兼容；仿真预测；多端口网络；散射系数

伴随电子产品小型化、高频化、集成化趋势，产品集成度和频率越来越高，这使得电磁环境越来越复杂[1-2]。特别是汽车、飞机、航母等系统，会在有限的空间内布置大量电子设备。这些电子设备工作时产生的电磁能量，可能会影响系统中的其他电子设备的正常运行[3-6]，即电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, EMC)问题。目前，该问题已成为电子产品设计中的关键问题[7-9]。

在汽车、飞机、航母等系统中，如果越早进行EMC分析并发现问题，那么解决问题可采取的措施就越多，成本也越低[10-12]。仿真预测是EMC技术的发展趋势，针对只有少数收发干扰的系统，文献[13]采用简化形式的预测模型实现EMC预测，提高了预测效率。对于复杂系统，国内外已形成一定的专门软件实现EMC分析和预测。文献[14]设计了基于数据模型的系统内EMC分析软件，具有较强的通用性。文献[15-16]在仿真预测基础上增加专家诊断系统，除判断是否超标外，还具备一定的问题诊断能力。文献[17-18]提出通过一种基于计算机的平台系统来分析、预测和设计系统级EMC。总结现有成果，目前的预测方法通常都是对系统的干扰源、耦合途径和敏感设备进行逐一建模。但是，当系统过于复杂时，很难将耦合途径考虑全面，同时也难以建立干扰耦合模型。

为解决复杂系统EMC预测所面临的问题，本文提出了一种基于多端口网络理论的复杂系统EMC预测方法。该方法通过将三维电磁场数值求解与电路仿真相结合，将物理建模和实验建模相结合，在实现多干扰源和敏感设备、复杂耦合下复杂系统EMC预测的同时，解决了预测精度和计算效率间的矛盾。在理论分析基础上，通过预测电动汽车电驱动系统引起的车载天线末端骚扰电压，验证了本方法的有效性。

1 复杂系统EMC预测方法

针对大型系统EMC预测所面临的同时存在多种干扰源和敏感设备，电磁耦合途径复杂，电大和电小结构并存等问题，本文提出了图1所示的基于多端口网络理论的系统级EMC预测方法。该方法采用多端口网络描述干扰源和敏感设备之间的耦合特性，通过S/Z参数转化，将干扰源、敏感设备的建模和耦合途径的建模分离，从而提高计算效率。

图1 基于多端口网络理论的系统级EMC预测方法

应用该方法进行复杂系统EMC预测时，将复杂系统作为多端口网络，将由电器部件或测量设备构成的干扰源或敏感设备统一作为网络端口处理，从而降低模型复杂性和计算难度。基于该方法构建的复杂系统EMC预测模型如图2所示。图2中，VS(k)(若是敏感设备，VS(k)=0)，ZS(k)，U(k)和I(k)分别表示端口k的等效干扰电压、输出阻抗、端口电压和电流。

图2 EMC预测多端口网络模型

文中采用Z参数(开路阻抗参数)矩阵描述网络耦合特性，由端口电压、电流关系可得

U=ZI，U=VS-ZSI

(1)

式中：U和I分别为端口电压和电流构成的向量；VS和ZS则分别为端口的等效干扰电压和内阻构成的向量。式(1)经过化简可得

U=Z(Z+ZS)-1VS，I=(Z+ZS)-1VS

(2)

由式(2)可知，若已知Z参数矩阵和端口等效特性(等效干扰电压VS和输出阻抗ZS)，则可得到敏感设备端口上的电压和电流值，即干扰电压和电流。根据问题不同，选择不同的Z参数矩阵和等效端口，即可实现多种EMC问题的预测。Z参数矩阵和端口等效特性的建模方法将在第2节介绍。

采用图2所示的预测模型，通过选择不同的Z参数矩阵和等效端口，根据式(2)可以实现多种EMC问题的预测：

1)预测辐射发射/抗扰时，将系统内的干扰源/敏感设备、电磁场的接收/产生天线作为网络端口；

2)分析线束耦合串扰问题时，则将关注的干扰源和敏感设备作为网络端口。

2 耦合特性和部件特性建模

2.1 网络耦合模型

考虑散射系数(即S参数)适用于高频，且可用网络分析仪或三维电磁场数值求解软件直接得到[19]。所以，本文采用散射系数来表征不同端口间的耦合关系，然后通过理论分析建立其与Z参数的转换关系，得到多端口网络的耦合模型。对于n端口网络，定义归一化入射波和归一化反射波[20]：

(3)

式中：U和I分别为端口电压和电流；Z0为端口特征阻抗(一般为50 Ω)。

根据散射系数定义有[21]

b=S·a

(4)

式中，S为该网络的散射系数矩阵。

由式(3)和式(4)得端口电压电流为

(5)

式中：E为单位阵；U和I分别为端口的电压和电流。

将式(5)代入Z参数与端口电压、电流的关系式U=ZI得到

Z=Z0(E+S)(E-S)-1

(6)

根据式(6)，即可由散射系数计算得到由多种干扰源和敏感设备构成的多端口网络的Z参数矩阵。在此基础上，进一步建立端口的等效阻抗模型，即可实现系统级EMC预测。根据部件在EMC问题中的作用不同，分为干扰源和敏感设备两类，下面分别介绍如何通过试验方法建立等效特性模型。

2.2 敏感设备

对于连接敏感设备的端口，主要关心其等效阻抗特性。可以通过阻抗仪直接测量端口阻抗，但考虑与网络分析仪相比，阻抗仪的适用频带较低，文中给出一种根据散射系数计算等效阻抗的方法，原理如图3所示。

图3 网络分析仪测阻抗原理

此时，将敏感设备看作单端口网络，由式(6)可得到该端口的阻抗特性为

ZS=Z0(1+S11)/(1-S11)

(7)

式中：S11为散射系数。

2.3 干扰源

与敏感设备相比，干扰源的建模更加复杂。除关心等效阻抗特性外，还要描述干扰的大小。根据戴维宁等效原理，文中采用等效输出电压和输出阻抗表征干扰源的特性，并假设负载阻抗的变化不会影响干扰源的特性。由于能量的流向是可逆的，则可采用2.2节的方法，用网络分析仪测出干扰源内阻ZS。

为测干扰源大小，构建了如图4所示的干扰源试验模型。

图4 干扰源试验建模原理

由图4根据电路原理，可以得到干扰源的等效输出电压

VS=I(ZS+ZL)

(8)

式中：ZS和ZL为已知的干扰源内阻和外加负载的阻抗；I为试验测得的干扰电流。

3 应用

为验证提出的复杂系统EMC预测方法的有效性，本文将应用该方法预测电驱动系统引起的车载天线末端的骚扰(FM频段)。电驱动系统与车载天线的耦合关系如图5所示。

图5 电驱动系统与车载天线的耦合

电机控制器中的驱动元件开通或关断的瞬间会产生电磁干扰，通过线缆向周边空间辐射电磁能量[22]。在图5所示系统中，干扰源有两处：干扰源1为电机控制器与电机相连的端口；干扰源2为电机控制器与配电盒相连的端口。敏感设备为车载天线。测取干扰源特性在半波暗室中进行。电机正常工作时，用电流钳测得干扰电流I；用网络分析仪测得干扰源内阻ZS和外加负载ZL；由式(8)可得干扰源的等效输出电压。

其中，干扰源的输出阻抗如图6所示；干扰源的等效输出电压如图7所示。

采用FEKO三维电磁场数值求解软件对图5所示的系统进行建模并仿真得出S参数矩阵。通过式(6)将S参数矩阵转换成Z参数矩阵。其中，敏感设备与干扰源之间的S参数如图8所示，Z参数如图9所示。

图6 干扰源的输出阻抗

图7 干扰源的等效输出电压

图8 敏感设备与干扰源的S参数

根据Z参数矩阵、端口等效输出阻抗和等效输出电压，由式(2)可以预测出天线末端骚扰电压。为了验证预测结果的准确性，在10 m半波暗室中进行了实验测试，测试场景如图10所示。预测值与实测值的对比如图11所示。

图9 敏感设备与干扰源的Z参数

图10 实验测试场景图

图11 天线末端骚扰电压预测值和实测值对比图

对比预测结果和实测结果可以看出，预测结果和实测值在整个分析频带内的变化规律大致相同。此外，文中提出的EMC预测方法成功预测出了80 MHz，87 MHz和95 MHz附近主要的3个峰值点。预测值比实测值整体偏小，是因为实测环境下存在背景噪声。综上，文中提出的基于多端口网络理论的EMC预测方法较好地实现了如图5所示的复杂系统中线束串扰的预测，能够用于复杂系统EMC问题的预测和分析。

4 结论

本文提出了一种基于多端口网络理论的系统级EMC预测方法，通过理论分析和实际应用验证表明：

1)采用多端口网络描述电器部件间的耦合特性，能够实现多干扰源/敏感设备并存下的EMC问题预测；

2)根据问题不同，通过选择不同的Z参数矩阵和等效端口，该方法可以适用于多种复杂系统，如汽车、飞机、轮船等；

3)通过S/Z参数转化，将部件和耦合特性的建模、系统EMC预测过程分离，从而提高计算效率，一定程度上解决了目前复杂系统EMC预测方法计算资源消耗巨大的问题；

4)理论分析、实物测试或者软件仿真都可以获得系统网络耦合特性和端口等效特性，使其能够适用于电气设备开发的全过程，减少后期的试验和整改投入。

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A Study on System-Level EMC Prediction Techniques Based on the Multi-Port Network Theory

YE Chengkai1，GAO Feng1，XIA Jiaoni2，WANG Chunhua3

(1．School of Electrical Engineering of Chongqing University，Chongqing 400044，P.R.China； 2．Maintenance Branch of State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 400015，P.R.China； 3．China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300，P.R.China)

This paper introduces EMC prediction techniques based on the multi-port network theory，which can realize EMC predictions in complex systems with multiple interference sources or sensitive equipment．In the application，couplings of the systems are used as the multi-port network while the interference sources or sensitive equipment composed of electrical components are regarded as network ports，then predictions are based on the characteristics of both the network couplings and the ports．In addition，it introduces detailed prediction techniques as well as the modeling methods for the characteristics of network couplings and the equivalent characteristics of ports．The effectiveness of the techniques has been verified by predicting the disturbance voltage at the end of the vehicle mounted antenna caused by the motor system of an electric automobile．

electromagnetic compatibility；simulation prediction；multi-port network；scattering coefficient

2016-12-07

重庆市科技计划项目(cstc2015zdcy-ztzx60002和cstc2015zdcy-ztzx60005)。

该文获重庆市电机工程学会2016年学术年会优秀论文一等奖

叶城恺(1992-)，在校硕士研究生，研究方向为汽车电磁兼容性设计。

TN03

A

1008- 8032(2017)01- 0031- 05