复杂环境中线缆网络电磁干扰特性高效预测方法研究

With the rapid development of information technologies, various types of electronic information systems become more powerful and the internal electromagnetic environment becomes increasingly complex at the same time. As the important connection paths among the inner equipments and modules of the system, the cable network is a main factor to form or introduce electromagnetic interference. According to the electromagnetic interference analysis of the cable network in complex environment, our research will put forward a feasible scheme for the resolution of the simulation challenges introduced by a complex, multi-scale, and multi-stage coupling system and the major contribution is summarized as follows. Firstly, we propose a line-circuit hybrid method based on the single port coupled model to obtain the collaborative simulation of the transmission line and circuit. Secondly, we propose a hybrid high-order time domain method to predict the 3-D space electromagnetic field distribution of the system efficiently and accurately. It combines the high-order time domain finite difference method, the thin wire model, conformal technique, domain decomposition technique, and parallel technology together, which makes it possible to simulate the problem with higher frequency and more details. Furthermore, through the comprehension in depth to the antenna-line, field-line coupling processes and the reasonable construction of the physic layer boundary condition, we can obtain some precise coupling models between external field and the cable network. Finally, by giving overall consideration to the effects of field, line, and circuit in the complex system environment, a field-line-circuit union simulation scheme is carried out to support the theory, method and technology innovations for the electromagnetic interference analysis of cable networks.

随着信息技术的飞速发展，各类型电子信息系统在功能强大的同时，内部电磁环境正变得日益复杂。线缆网络作为系统内部设备、模块间重要连接通道，是形成或引入电磁干扰的重要因素和途径。本课题以复杂环境中线缆网络电磁干扰特性分析方法为研究对象，针对平台结构复杂、多尺度及多耦合通道等特点带来的仿真难题与挑战，拟开展如下研究：1）复杂线缆网络线路混合高阶时域分析方法，提出线、路单端口耦合模型，实现线路协同仿真；2）三维高效混合时域仿真方法，将高阶时域有限差分法与细线、共形、区域分解、并行技术相结合，使得更高频率、更多细节模拟成为可能；3）精确场线耦合模型，研究天线-线缆、外场-线缆耦合过程，合理构建各物理层边界条件；4）综合考虑场、线、路混合效应，建立各仿真模块数据交换机制，搭建实验验证平台，以获得系统级线缆网络电磁干扰特性场-线-路联合仿真，最终实现复杂环境中线缆网络系统级电磁干扰理论、方法和技术创新。

本课题以电子信息系统内部线缆网络在复杂电磁环境中特别是存在外场激励下的电磁干扰效应高效预测方法为研究对象，通过研究复杂电子信息系统各物理层间能量耦合机理，建立耦合子系统相互连接条件，研究出一种适合具有超宽带、多尺度及多级耦合特点的复杂电子信息系统新型场-线-路一体化仿真方法。主要研究工作包括： . 针对研究内容一，基于传统高阶FDTD方法和不同隐式FDTD方法,通过离散传输线方程,得到了高阶FDTD和不同隐式FDTD的传输线电压电流迭代方程,针对线缆网络情形,提出了线-路单端口和二端口耦合模型。解决了各类FDTD传输线方法的终端负载条件的模型建立和协同求解问题，包括复杂非线性电路处理。. 针对研究内容二，课题组提出了基于FDTD（2，4）方法的混合时域仿真方法。该方法将金属共形技术、介质共形技术、细线技术综合拓展到高阶与FDTD（2，4）方法相契合，既利用高阶FDTD方法的数值色散误差小的优点，又利用亚网格技术减少剖分网格数量，进一步通过引入并行技术，很好的解决了超宽带、多尺度大平台电子信息系统问题的三维电磁仿真难题，使得大平台线缆网络空间电磁仿真的精度和效率得到保证。. 针对研究内容三，课题组通过研究场线主要耦合路径,提出了基于细线技术的天线端口耦合模型和基于基于转移阻抗的同轴线缆耦合模型,解决了场线协同仿真的边界处理难题.进一步地,将上述场线耦合模型与传输线FDTD方法和终端负载电路模型, 实现了典型平台中线缆网络电磁干扰特性场-线-路联合仿真，使得线缆网络的多级耦合过程得以准确描述和求解。. 针对研究内容四，课题组利用已开发的场-线-路协同仿真算法软件模块，对典型平台线缆网络的电磁干扰特性作了多方面仿真、分析，主要包括：入射波姿态（方向及极化方式）、平台结构、耦合路径、线缆网络分布以及终端负载发生变化时，线缆终端响应的变化规律，并针对不同响应规律给出相应的防护建议。