电磁兼容问题的计算机模拟与仿真技术PDF电子书下载

前言 1

第一章 电磁兼容原理与建模 1

1.1 电磁兼容基本概念 1

1.1.1 定义及定量单位 1

1.1.2 电磁干扰源、干扰性质、干扰途径和敏感设备 3

1.1.2.1 干扰源 3

1.1.2.2 敏感设备 5

1.1.2.3 干扰的耦合方式 6

1.1.2.4 电磁干扰的模式 8

1.1.2.5 干扰的耦合途径 9

1.1.3 干扰信号的时—频域特性及转换 10

1.1.3.1 周期性函数的傅里叶变换 10

1.1.3.2 非周期性干扰信号的频谱分析 11

1.1.3.3 脉冲信号的傅里叶积分 13

1.1.3.4 脉冲信号的快速时频域转换 16

1.2 电磁兼容问题中的场的概念 18

1.2.1 场的分类及特性 18

1.2.1.1 静电场与恒定磁场 19

1.2.1.2 准静态电场和磁场 19

1.2.1.3 电大与电小 20

1.2.1.4 准静态电流场（涡流场） 21

1.2.1.5 平面电磁波 22

1.2.2 辐射场的近区与远区 23

1.2.2.1 偶极子源 23

1.2.2.2 高频偶极子的近场与远场 24

1.3 EMC问题的建模技术 27

1.3.1 明确EMC模拟的目的 28

1.3.2.3 全时域波技术 29

1.3.2.2 扩散场技术 29

1.3.2 正确把握问题所属的电磁场性质 29

1.3.2.1 准静态场技术 29

1.3.2.4 谐波平衡技术 30

1.3.3 严格剖析问题的空间维数 30

1.3.3.1 一维模型 31

1.3.3.2 二维模型 31

1.3.3.3 三维模型 31

1.3.4 计算方法的选择 32

1.3.4.1 时域有限差分法 33

1.3.4.2 有限元法 34

1.3.4.3 矩量法 34

1.3.5 EMC模型中的元素 35

1.3.5.1 干扰源 35

1.3.6 EMC模型的实现 38

1.3.6.1 模型的几何问题 38

1.3.5.3 受干扰对象 38

1.3.5.4 试验的配合 38

1.3.5.2 耦合路径的模拟 38

1.3.6.2 模型的完整空间的问题 39

1.4 有关商用软件包的介绍 39

第二章 电磁兼容问题的计算高模拟技术 45

2.1 数值分析的基本原则 45

2.1.1 场域的离散化处理 46

2.1.1.1 常数单元 47

2.1.1.2 线性单元 47

2.1.1.3 局部坐标 49

2.1.1.4 二次及高次单元的形状函数 51

2.1.2 误差最小原理 53

2.1.2.1 算子方程及算子性质与解的关系 53

2.1.2.2 变分原理 55

2.1.2.3 加权余数原理 56

2.1.3 区域元法及边界元法 57

2.1.3.1 区域元法 58

2.1.3.2 边界元法 58

2.1.4 数值模拟的误差讨论 60

2.1.4.1 误差的定义及类别 60

2.1.4.2 数值模拟结果的校核 61

2.2 时域有限差分法 62

2.2.1 二维空间的时域有限差分法 62

2.2.1.1 时域有限差分法的空间离散 63

2.2.1.2 时域有限差分法的时间离散 65

2.2.2 三维空间的时域有限差分法 66

2.2.3 吸收边界条件 68

2.2.4 完全匹配层及吸收边界 71

2.2.5 内部源和外部源 73

2.3.1.1 有限元的节点元素 75

2.3 有限元法 75

2.3.1 用于标量和矢量函数的有限元形状函数 75

2.3.1.2 有限元的边界元素 76

2.3.2 静态和准静态场的有限元仿真 76

2.3.3 用于谐波和非线性电磁场问题的谐波平衡有限元法 77

2.3.4 频域有限元法 80

2.3.4.1 开放区域的亥尔姆霍兹方程 80

2.3.4.2 微带传输线有限元法的实现 80

2.3.5 时域有限元法 81

2.3.5.1 一维波动方程 81

2.3.5.2 二维波动方程 82

2.3.5.3 有损耗情况下的波动方程 83

2.3.6 Newmark-β法 85

2.3.6.1 Newmark-β法的标准矩阵方程 85

2.3.7 吸收边界条件及理想匹配层条件 86

2.3.6.2 稳定性的评估 86

2.3.8 远场的计算 87

2.4 矩量法 87

2.4.1 简介 87

2.4.2 矩量法的矩阵结构及解 88

2.4.3 矩量法解积分方程 92

2.5 EMC模拟的高性能并行计算和可视化 92

2.5.1 高性能计算简介 92

2.5.2 使用集群式并行编程的时域有限差分法 93

2.5.2.1 并行代码结构 94

2.5.2.2 计算模型和激励 94

2.5.2.3 计算结果 96

2.5.3 计算模拟结果的可视化 97

2.5.3.1 计算机可视化 97

2.5.3.2 科学可视化 97

2.5.3.3 具有动画图像的印刷电路板平面波导模型实例 99

2.5.3.4 协作互动可视化 100

第三章 多导体传输线及干扰 106

3.1 引言 106

3.2 双导线传输线 107

3.2.1 双导线传输线的基本假设 107

3.2.2 均匀双导体传输线的信号传输特征 108

3.2.2.1 均匀平行传输线的原参数 108

3.2.2.2 均匀无损耗传输线中的电压电流波 109

3.2.2.3 双导线传输线终端的折反射及匹配 112

3.2.3 干扰源位于任意位置时沿线电压电流的分布 113

3.3 电缆在外电磁场中受的干扰 115

3.3.1 转移阻抗与转移导纳 117

3.3.1.1 转移阻抗与转移导纳的物理意义 117

3.3.1.2 转移阻抗与转移导纳的定义 118

3.3.2 共模干扰与差模干扰之间的转换 120

3.4.1 均匀介质中的无损耗多导体传输线 121

3.4 多导体传输线的分析方法及其特性 121

3.4.2 不均匀介质中的无损多导体传输线 122

3.4.2.1 模式理论及多导体传输线的解 123

3.4.2.2 传播常数Г的确定 126

3.5 导线间的串扰 127

第四章 低频电磁干扰的分析 133

4.1 开关电源变压器中的谐波分析 133

4.1.1 应用于磁路的谐波平衡分析的概念 133

4.1.2 由电流源产生的磁场的谐波平衡有限元法 134

4.1.2.1 由电流源激励产生的磁场的谐波平衡有限元矩阵方程 134

4.1.2.2 电流源激励的开关电源的磁场分析 135

4.1.2.3 电压源激励的非线性磁场系统的谐波平衡有限元法 136

4.2.1 带屏蔽的高频同轴变压器结构 139

4.2 用于开关电源的高频同轴变压器的屏蔽及耦合效应 139

4.2.2 基于边界元法的数值模拟 141

4.2.3 耦合效率的验证 143

4.3 母线排周围的工频磁场及屏蔽 145

4.3.1 母线排周围的磁场计算 145

4.3.1.1 空气绝缘母线排周围的磁场 147

4.3.1.2 空气绝缘母线槽周围的磁场 149

4.3.1.3 全封闭母线槽周围的磁场 150

4.3.2 母线槽的屏蔽 152

4.3.2.1 工频磁场的屏蔽机理 153

4.3.2.2 不同形状的屏蔽盒的屏蔽率 157

4.3.2.3 金属槽的有关参数对屏蔽效果的影响 163

4.4 变电所工频磁场分布的数值计算 167

4.4.3 计算实例及与测量值的比较 168

4.4.2 变电所工频磁场计算 168

4.4.1 直导线产生的磁场 168

第五章 高频电磁干扰的分析 178

5.1 辐射问题的基本概念 178

5.1.1 线天线 178

5.1.1.1 赫兹偶极子 178

5.1.1.2 天线阵列 178

5.1.1.3 环天线 179

5.1.2 印刷板（平板）天线 180

5.1.3 三维空间结构的天线 182

5.2 印刷电路板的辐射 182

5.2.1 有关噪声的特性 182

5.2.1.1 模拟电路的问题 183

5.2.1.2 某些逻辑电路家族的问题 184

5.2.1.3 印刷电路板——“电子设备的基石” 185

5.2.1.4 元件与电磁兼容 186

5.2.2 印刷电路板的天线仿真 187

5.2.3 印刷电路板内部的电磁兼容 188

5.2.3.1 引线和印刷电路板的走线 188

5.2.3.2 差模辐射 189

5.2.3.3 共模辐射 189

5.2.3.4 高频印刷电路板 190

5.3 CPU散热器辐射的模拟 191

5.3.1 CPU散热器的电磁兼容模型 192

5.3.1.1 传统的散热器模型 193

5.3.1.2 英特尔P4处理器散热器 193

5.3.2 基于频域有限元法的CPU散热器模拟 194

5.3.2.1 两个接地点的传统散热器模型 195

5.3.2.2 四个接地点的传统散热器模型 196

5.3.2.3 P4处理器的散热器模型 197

5.4.1 用于抑制电磁干扰的铁氧体磁环 199

5.4 高频电缆辐射的抑制 199

5.4.2 带屏蔽磁环的电缆的计算模型 200

5.4.3 S参数的计算 201

第六章 脉冲电磁干扰的分析 205

6.1 引言 205

6.2 用FETD分析变压器绕组波过程 206

6.2.1 时域有限元法对色散传输线的波过程分析 207

6.2.2 高压变压器绕组的无损传输线模型 208

6.2.3 数值解的稳定性 211

6.2.4 某个典型变压器绕组中的波过程 211

6.3 建筑物直接遭受雷击时的干扰计算 213

6.3.1 雷电流在建筑物钢结构内的分布 213

6.3.1.1 钢构件的等值参数模型及离散化原则 214

6.3.1.3 雷电流频率离散点数的选取 216

6.3.1.2 电容和电感参数的计算 216

6.3.1.4 计算结果分析 218

6.3.2 磁场计算 220

6.3.3 电缆感应电压的计算 221

6.4 建筑物金属构架对近区雷击的磁场屏蔽效果 221

6.4.1 数值计算及其实验验证 221

6.4.2 金属构架的磁屏蔽效果 224

6.5 静电放电 226

6.5.1 静电放电的特性 226

6.5.2 静电放电产生的辐射场 227

6.5.3 静电放电的模拟方法 228

6.5.4 抑制静电对印刷电路板的干扰 229

附录Ⅰ 有关计算程序 233

目录 233

1.1 见软件内 233

2.1 2-D时域有限差分法程序（FDTD） 233

2.2 2-D有限元法程序（FEM） 235

2.3 在并行系统及C语言环境下运行2DFDTD—Parallel 237

3.1 该程序用于计算n根平行导线间的串扰 238

附录Ⅱ 有关公式（编号与章节号对应） 239

第二章 239

2.2 时域有限差分法 239

2.2.1 有限差分的基本概念 239

2.2.1.1 空间函数的中心有限差分近似 239

2.2.1.2 拉普拉斯方程的中心有限差分近似 241

2.3 有限元法 242

2.3.1 有限元的各种离散单元 242

2.3.2 静态和准静态场的基于有限元法的仿真 243

2.4 矩量法 248

2.4.1 矩量法理论 248

2.4.2 Pocklington积分方程 250

2.4.3 Hallen积分方程 252

2.4.4 基函数和检验函数 253

第三章 255

3.2 传输线的等值网络 255

3.3 同轴电缆参数计算 256

第四章 257

4.1 用于谐波和非线性电磁场问题的谐波平衡有限元法 257

4.2 一段直导线周围的磁场 260

第五章 262

5.1 辐射问题的基本概念 262

5.1.1 赫兹偶极子的辐射公式 262

5.1.2 印刷板（平版）天线（二维空间问题） 267

5.4.1 基于铁氧体磁环模型的二维BOR时域有限差分法 268

5.4.2 商用铁氧体磁环中空气缝隙对扼流的影响 272

第六章 273

6.2 基于Newmark-β法的矩阵方程的解 273