电子系统互连电缆的电磁兼容性仿真分析与优化布线研究

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互连电缆作为传输线的一种,是电子系统中各个功能模块之间最主要的能量和信号传输介质。在电子系统的传导发射(Conducted Emission,CE),辐射发射(Radiated Emission,RE),抗扰度和信号完整性(Signal Integrity,SI)等电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)问题中,电缆都起着至关重要的作用。本文针对电子系统平台互连电缆网EMC优化布线的需求,开展了互连电缆的串扰分析方法、电缆束内部串扰高效分析方法和最大串扰约束下的电缆束布线方法研究。本文的主要研究工作和创新点如下:1.针对编织屏蔽同轴电缆难以仿真的问题,提出了一种内外传输线(Internal and External Transmission Line,IETL)转移矩阵来表征同轴电缆内导体与屏蔽层之间的耦合关系。从多导体传输线(Multiconductor Transmission Line,MTL)方程出发,分析了同轴电缆内外双传输线模型,并根据内外传输线端口阻抗固定的特点,推导出IETL转移矩阵。使用IETL转移矩阵能够将编织同轴电缆简化为等效单芯线进行后续的EMC仿真。此外,在电偶极子法的基础上,提出了电抗叠加近场电场计算方法,将该方法与IETL转移矩阵结合,可用于分析同轴电缆的近场辐射情况。比较仿真结果和实测结果,验证了所提出的IETL转移矩阵能准确地反映同轴电缆的EMC性能,并提高了仿真的效率。2.针对含同轴电缆线束的串扰分析复杂、建模困难的问题,研究了能够降低电缆束复杂性的等效线束法(Equivalent Cable Bundle Method,ECBM)。通过将电缆束中相似性质的电缆简化为单根电缆,得到等效电缆束模型,大大减少所分析的电缆数目。把IETL转移矩阵引入ECBM后,该方法被推广到了含同轴电缆线束内部串扰分析问题。使用不同的数值方法仿真分析原电缆束模型,等效单芯线模型和等效电缆束模型中受扰同轴电缆内外传输线的串扰大小,仿真结果一致性好。说明提出方法能准确地进行含同轴电缆线束的串扰仿真,且有效地提高了仿真含同轴电缆线束相关问题的效率。3.针对传统电缆布线方法没有考虑电缆间串扰的问题,为了实现在布线阶段就考虑电缆束分支之间的串扰约束,提出了一种新的基于最大串扰约束的电缆束布线方法。首先,根据MTL方程推导出单芯线串扰公式的闭式表达式,得出单端信号与差分信号的低频近似串扰公式。根据串扰公式的特点,提出了与最大串扰约束相对应的最大重合长度的概念。研究了在布线空间中生成连通图和对应的邻接矩阵的方法,并选择逃逸图作为布线方法的连通图。然后,在传统的Dijkstra算法的基础上,提出了基于最大重合长度的Dijkstra算法变体。所提出的方法被分别应用于单端信号和差分信号的电缆束布线上,并与传统方法进行比较。相比之下,使用基于最大串扰约束的布线方法得到的布线结果更能满足串扰约束和布线需求。4.为了将电子系统电缆网的结构模型转化为能够用于电磁仿真的电气模型,提出了一种基于连接表的分层建模方法。该方法将一个电缆网分为电缆束、电缆束分支、电缆、信号和信号端口五个层次。通过在连接表基础上补充必要的电气化参数,完成对分层结构中每一个层次的定义。结合该电气化建模方法,提出了在电磁仿真软件的基础上进行二次开发的系统级电缆网EMC仿真方案,实现电缆网的电气化建模和EMC仿真。文中以一个常见的连接表为例,在电磁仿真软件中建立了对应的电缆束电气模型,并进行串扰仿真分析。仿真结果验证了提出的建模方法得到的电缆网电气模型能够准确地反映电缆网的EMC性能。
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