PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析方法和系统

技术领域

本发明涉及一种PCB作用传输线的电磁干扰分析领域，更具体地说，它涉及PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析方法和系统。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)的工作频率不断提高，导致PCB电路上的一些元件会向外辐射电磁能量。PCB电磁泄漏在空间形成的辐射场作用到设备的传输线上将耦合产生干扰信号并流入端接电路，进而影响设备的正常工作。因此，为了提升设备的电磁安全性，模拟分析PCB泄漏场作用传输线的电磁耦合具有十分重要的研究意义。由于PCB包含丰富的元器件和大量的微带走线，结构精细且复杂，设备中用于电力和信号传输的线缆结构同样十分精细，对PCB泄漏场作用传输线的电磁耦合过程使用全波算法进行数值模拟，导致剖分网格量大而计算效率低。目前，等效辐射源建模算法主要包括等效电/磁流源法和等效偶极子法。等效电/磁流源法基于电场积分方程，使用矩量法构建近场数据与等效电/磁流源之间的矩阵关系式，并求解得到辐射场的等效电/磁流源。但是该方法不能有效分析干扰源的辐射场对周围电路结构的近场干扰。与等效电/磁流源法相比，等效偶极子计算辐射场的解析公式更加简单，其核心思想是，根据阵列单元与集成电路上方扫描平面所有观察点位置之间的映射矩阵，构建了集成电路泄漏场的等效源模型。

针对空间电磁场作用传输线的电磁耦合问题，可通过BLT方程、FDTD-SPICE方法和FDTD-TL等方法实现电磁耦合计算。传统的BLT方程基于电磁拓扑理论，构建传输线和反射矩阵，实现终端负载响应的快速计算，但是该算法在处理干扰源为宽带信号的耦合问题时，会降低计算效率。FDTD-SPICE方法基于传输线方程，构建传输线的SPICE等效电路模型，结合FDTD获得传输线的激励场，再利用SPICE软件仿真，得到端接负载的瞬态响应。但是，该方法在求解的过程中需要大量的公式推导，且不能实现空间电磁场辐射和终端负载瞬态响应的协同计算。除此之外，现有场线耦合算法尚不能直接应用于设备集成电路电磁泄漏作用传输线的电磁耦合计算，是因为使用全波算法计算传输线激励场时，必须对设备集成电路精细结构直接建模而导致计算效率低。

发明内容

为解决现有技术的不足之处，本发明提供了一种PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析方法和系统，本发明将等效偶极子法和FDTD算法相结合，形成一种高效的时域混合算法，实现PCB泄漏场作用传输线的电磁耦合快速模拟，避免对PCB与传输线精细结构的直接建模，实现空间电磁场和传输线瞬态响应的协同计算，大大提高了分析泄漏场作用传输线的电磁耦合效率，从而为电子设备的电磁安全性评估提供技术支撑。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本申请的第一方面，提供了一种PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析方法，方法包括：

构建偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，逆求解所述映射关系，得到PCB电磁泄漏场的等效偶极子阵列模型；

利用FDTD方法模拟所述等效偶极子阵列模型的电磁辐射，以得到等效偶极子阵列的空间辐射场分布，根据所述空间辐射场分布构建PCB电磁泄漏作用传输线的传输线方程；

利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，迭代求解得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应。

在一种实现方案中，构建偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，包括：

获取PCB电磁泄漏的近场信息，其中采用近场扫描技术测量PCB电磁泄漏的近场扫描点，以得到近场信息；

将所述PCB电磁泄漏的辐射源通过偶极子阵列进行等效，由偶极子阵列的辐射场替代PCB电磁泄漏产生的近场信息；

将偶极子阵列在空间任意点的辐射场分别与阵元的极矩和磁矩的关系矩阵作为偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，其中所述偶极子阵列在空间任意点的辐射场是由偶极子阵列本身及其镜像源共同辐射产生。

在一种实现方案中，所述偶极子阵列的阵元数量为N，每个阵元由两个水平方向的磁偶极子和一个垂直方向的电偶极子组成，其中N为正整数，磁偶极子的两个水平方向分别为x、y方向，电偶极子的垂直方向为z方向。

在一种实现方案中，所述偶极子阵列的阵元个数N需小于或等于近场扫描技术的近场扫描点个数M。

在一种实现方案中，利用FDTD方法模拟所述等效偶极子阵列模型的电磁辐射，以得到等效偶极子阵列的空间辐射场分布，包括：

根据磁偶极子极矩的幅度和相位信息，确定磁偶极子极矩在x方向和y方向产生的磁场分量；

利用FDTD方法的差分格式对磁偶极子极矩在x方向和y方向产生的磁场分量进行离散，分别得到近场扫描点在x方向和y方向的磁偶极子的辐射场分布；

根据磁电流与磁矩的关系，利用麦克斯韦方程描述磁偶极子产生的电磁辐射；

将麦克斯韦方程转化为一个标量方程，得到电偶极子产生的电磁辐射；

根据电偶极子极矩的幅度和相位信息，确定电偶极子极矩在z方向产生的磁场分量；

利用FDTD方法的差分格式对电偶极子极矩在z方向产生的磁场分量进行离散，得到近场扫描点在z方向的电偶极子的辐射场分布；

将近场扫描点在x方向和y方向的磁偶极子的辐射场分布和近场扫描点在z方向的电偶极子的辐射场分布合并，以得到等效偶极子阵列在x、y和z方向的空间辐射场分布。

在一种实现方案中，利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，迭代求解得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应，包括：

利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，得到传输线上电压与电流的迭代公式；

利用前向差分和后向差分对电压与电流的迭代公式进行迭代求解，得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应。

在一种实现方案中，所述传输线方程包括分布电压源方程和分布电流源方程。

本申请的第二方面，提供了一种PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析系统，系统包括：

第一模块，用于构建偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，逆求解所述映射关系，得到PCB电磁泄漏场的等效偶极子阵列模型；

第二模块，用于利用FDTD方法模拟所述等效偶极子阵列模型的电磁辐射，以得到等效偶极子阵列的空间辐射场分布，根据所述空间辐射场分布构建PCB电磁泄漏作用传输线的传输线方程；

分析模块，用于利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，迭代求解得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应。

在一种实现方案中，第一模块，包括：

信息获取模块，用于获取PCB电磁泄漏的近场信息，其中采用近场扫描技术测量PCB电磁泄漏的近场扫描点，以得到近场信息；

等效模块，用于将所述PCB电磁泄漏的近场通过偶极子阵列进行等效，由偶极子阵列的辐射场替代PCB电磁泄漏产生的近场信息；

映射关系构建模块，用于将偶极子阵列在空间任意点的辐射场分别与阵元的极矩和磁矩的关系矩阵作为偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，其中所述偶极子阵列在空间任意点的辐射场是由偶极子阵列本身及其镜像源共同辐射产生。

在一种实现方案中，分析模块，包括：

差分离散模块，用于利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，得到传输线上电压与电流的迭代公式；

瞬态响应计算模块，用于利用前向差分和后向差分对电压与电流的迭代公式进行迭代求解，得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将等效偶极子法和FDTD算法相结合，形成一种高效的时域混合算法，实现PCB泄漏场作用传输线的电磁耦合快速模拟，避免对PCB与传输线精细结构的直接建模，实现空间电磁场和传输线瞬态响应的协同计算，大大提高了分析泄漏场作用传输线的电磁耦合效率，从而为电子设备的电磁安全性评估提供技术支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的PCB泄漏场作用传输线的场线耦合模型的示意图；

图3为本申请实施例提供的PCB泄漏场的等效源建模的示意图；

图4为本申请实施例提供的封装后的PCB电路模型的示意图；

图5(a)为本申请实施例提供的PCB电路在z＝25mm处的磁场分布图；

图5(b)为本申请实施例提供的等效偶极子阵列模型在z＝25mm处的磁场分布图；

图6为本申请实施例提供的外加屏蔽腔的集成电路辐射单根传输线的场线耦合模型示意图；

图7为本申请实施例提供的负载R2上的电压响应示意图；

图8为本申请实施例提供的一种PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

如背景所述，传统的BLT方程基于电磁拓扑理论，构建传输线和反射矩阵，实现终端负载响应的快速计算，但是该算法在处理干扰源为宽带信号的耦合问题时，会降低计算效率。FDTD-SPICE方法基于传输线方程，构建传输线的SPICE等效电路模型，结合FDTD获得传输线的激励场，再利用SPICE软件仿真，得到端接负载的瞬态响应。但是，该方法在求解的过程中需要大量的公式推导，且不能实现空间电磁场辐射和终端负载瞬态响应的协同计算。除此之外，现有场线耦合算法尚不能直接应用于设备集成电路电磁泄漏作用传输线的电磁耦合计算，是因为使用全波算法计算传输线激励场时，必须对设备集成电路精细结构直接建模而导致计算效率低。故此，本实施例提供了一种PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析方法和系统，将等效偶极子法和FDTD算法相结合，形成一种高效的时域混合算法，实现PCB泄漏场作用传输线的电磁耦合快速模拟，避免对PCB与传输线精细结构的直接建模，实现空间电磁场和传输线瞬态响应的协同计算，大大提高了分析泄漏场作用传输线的电磁耦合效率，从而为电子设备的电磁安全性评估提供技术支撑。

下面将结合具体的实例对本实施例提供的PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析进行说明，请参考图1，图1为本申请实施例提供的PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析方法的流程示意图，如图1所示，方法包括以下步骤：

S110，构建偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，逆求解所述映射关系，得到PCB电磁泄漏场的等效偶极子阵列模型。

如图2所示，图2为典型的印刷电路板泄漏场作用传输线的电磁耦合模型，其物理过程包括：PCB产生电磁泄漏并在空间辐射形成电磁场分布；空间电磁场作用传输线耦合产生电流信号，并流入端接负载造成干扰。故此，本实施例是根据镜像原理和格林函数，来构建偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，而映射关系的本质是一种线性方程，故此进一步的，逆求解映射关系，得到PCB电磁泄漏场的等效偶极子阵列模型。

如图3所示，PCB由一段U型微带线构成，始端使用集总电压源进行激励，终端接负载。需要说明的是，本实施例针对的是已知设计结构的PCB，并使用商业电磁仿真软件提取PCB邻近观察平面的近场磁场信息，以满足时域混合算法置信度的验证需求。

S120，利用FDTD方法模拟所述等效偶极子阵列模型的电磁辐射，以得到等效偶极子阵列的空间辐射场分布，根据所述空间辐射场分布构建PCB电磁泄漏作用传输线的传输线方程。

S130，利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，迭代求解得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应。

本实施例中，传输线方程的分布源项与传输线的散射场无关，因此可以避免对传输线结构进行直接建模，无需按照传输线的精细尺寸确定FDTD计算所需的空间步长，以免造成网格量较大而计算效率低下。

在一个实施例中，构建偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，包括：获取PCB电磁泄漏的近场信息，其中采用近场扫描技术测量PCB电磁泄漏的近场扫描点，以得到近场信息；将所述PCB电磁泄漏的辐射源通过偶极子阵列进行等效，由偶极子阵列的辐射场替代PCB电磁泄漏产生的近场信息；将偶极子阵列在空间任意点的辐射场分别与阵元的极矩和磁矩的关系矩阵作为偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，其中所述偶极子阵列在空间任意点的辐射场是由偶极子阵列本身及其镜像源共同辐射产生。

在本实施例中，提取PCB电磁泄漏的等效源，首要是获取PCB泄漏的近场信息，通常是采用近场扫描技术测量得到。受实验条件限制，通过设计已知结构的PCB，并使用商业电磁仿真软件提取PCB邻近观察平面的近场磁场，以满足时域混合算法置信度的验证需求。如图3所示，PCB由一段U型微带线构成，始端使用集总电压源进行激励，终端接负载。

进一步的，根据天线辐射理论，将PCB上产生电磁泄漏的微带线结构通过偶极子阵列进行等效，进而由偶极子阵列的辐射场替代实际PCB产生的泄漏场。作为一个优选的实施例，所述偶极子阵列的阵元数量为N，每个阵元由两个水平方向的磁偶极子和一个垂直方向的电偶极子组成，其中N为正整数，磁偶极子的两个水平方向分别为x、y方向，电偶极子的垂直方向为z方向。具体的，偶极子阵列的阵元数量为N，每个阵元由2个水平方向的磁偶极子(M

其中，[H

在一个实施例中，利用FDTD方法模拟所述等效偶极子阵列模型的电磁辐射，以得到等效偶极子阵列的空间辐射场分布，包括：根据磁偶极子极矩的幅度和相位信息，确定磁偶极子极矩在x方向和y方向产生的磁场分量；利用FDTD方法的差分格式对磁偶极子极矩在x方向和y方向产生的磁场分量进行离散，分别得到近场扫描点在x方向和y方向的磁偶极子的辐射场分布；根据磁电流与磁矩的关系，利用麦克斯韦方程描述磁偶极子产生的电磁辐射；

将麦克斯韦方程转化为一个标量方程，得到电偶极子产生的电磁辐射；根据电偶极子极矩的幅度和相位信息，确定电偶极子极矩在z方向产生的磁场分量；利用FDTD方法的差分格式对电偶极子极矩在z方向产生的磁场分量进行离散，得到近场扫描点在z方向的电偶极子的辐射场分布；

将近场扫描点在x方向和y方向的磁偶极子的辐射场分布和近场扫描点在z方向的电偶极子的辐射场分布合并，以得到等效偶极子阵列在x、y和z方向的空间辐射场分布。

在本实施例中，对于传输线电磁耦合时域分析的实现，其关键在于，如何准确获得传输线周围空间电磁场分布。而PCB电磁泄漏在空间形成的电磁场分布，可以通过FDTD方法对等效偶极子阵列的电磁辐射进行模拟得到。具体过程如下：

根据磁电流J

其中，E和H分别表示空间任意点的电场和磁场强度，μ

这里，以一个偶极子的磁矩M

其中，式(1)已经求得偶极子阵列所有阵元极矩的幅度和相位信息。假设某个磁偶极子单元极矩M

其中，ω

在时刻t＝nΔt且H

以此类推得到y方向磁偶极子和z方向电偶极子在FDTD计算区域中的辐射场表达式，表达式分别为：

其中A

在一个实施例中，利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，迭代求解得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应，包括：利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，得到传输线上电压与电流的迭代公式；利用前向差分和后向差分对电压与电流的迭代公式进行迭代求解，得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应。

在本实施例中，电子设备中的传输线距离导电板的高度小于PCB泄漏场的最小波长，此时传输线的辐射效应可以忽略不计。PCB泄漏场作用多导体传输线的电磁耦合使用传输线方程表示为：

其中，V(y,t)和I(y,t)分别为多导线的电压和电流向量。R、L、C、G分别为单位长度的电容和电感参数矩阵。V

传输线方程的分布源项与传输线的散射场无关，因此可以避免对传输线结构进行直接建模。为了获得传输线端接负载的电压响应，首先利用FDTD的中心差分格式对式(8)和(9)进行差分离散，得到传输线上电压、电流的迭代公式，然后结合前向差分和后向差分，计算传输线负载上的电压电流响应。

进一步的，所述传输线方程包括分布电压源方程和分布电流源方程。

本实施例还提供了两种具体的算例方式，如下：

算例1：对封装后的PCB结构进行等效建模，并通过对比原模型与等效后模型的辐射磁场图来验证该方法的正确性。封装后的PCB模型如图4所示，PCB尺寸为100mm×100mm×1mm，介质基板材料设置为FR4。U型微带线作为PCB电路的主要载体，1V正弦电压信号从微带线左端口馈入，沿着微带线传导并向外辐射电磁能量。在PCB结构周围封装一个尺寸为120mm×120mm×5mm的屏蔽腔体，屏蔽腔体上表面开有尺寸为20mm×20mm的孔缝，用来模拟PCB的泄漏，产生电磁泄漏的PCB工作频率设置为1GHz。

定义的等效源由等效电磁混合偶极子构成，根据封装后PCB结构的尺寸，等效电磁混合偶极子的数量为11×11＝121，其所在平面大小为50mm×50mm,平面高度为1mm，偶极子间的间距为5mm。利用电磁仿真软件仿真获得z＝15mm和z＝25mm高度处的磁场信息，平面大小选取为150mm×150mm，x和y方向场点的间隔为5mm。

图5(a)和图5(b)分别给出了原封装模型和等效偶极子阵列模型在z＝25mm处，尺寸为150mm×150mm的平面上x、y方向上的磁场分布对比图，可以看出重构后的磁场分布图与MOM法仿真结果吻合较好。

算例2：采用算例1中的等效偶极子阵列作为辐射源，辐射单根传输线，如图6所示。在封装结构底部放置一个尺寸为L

图7给出的是时域混合算法和MOM法仿真得到的电压响应曲线图。可以看出，时域混合算法在处理泄漏场作用传输线的场线耦合问题时，能够保持与MOM法仿真相同的计算精度，验证了该混合算法在的正确性。

基于同一发明构思，对应于上述实施例所述的一种PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析方法，本实施还提供了一种PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析系统，请参考图8，图8为本申请实施提供的一种PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析系统的结构框图，如图8所示，系统包括：

第一模块810，用于构建偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，逆求解所述映射关系，得到PCB电磁泄漏场的等效偶极子阵列模型；

第二模块820，用于利用FDTD方法模拟所述等效偶极子阵列模型的电磁辐射，以得到等效偶极子阵列的空间辐射场分布，根据所述空间辐射场分布构建PCB电磁泄漏作用传输线的传输线方程；

分析模块830，用于利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，迭代求解得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应。

本实施例提供的PCB电磁泄漏作用传输线的电磁耦合时域分析系统，将等效偶极子法和FDTD算法相结合，形成一种高效的时域混合算法，实现PCB泄漏场作用传输线的电磁耦合快速模拟，避免对PCB与传输线精细结构的直接建模，实现空间电磁场和传输线瞬态响应的协同计算，大大提高了分析泄漏场作用传输线的电磁耦合效率，从而为电子设备的电磁安全性评估提供技术支撑。

在一个实施例中，第一模块，包括：信息获取模块，用于获取PCB电磁泄漏的近场信息，其中采用近场扫描技术测量PCB电磁泄漏的近场扫描点，以得到近场信息；等效模块，用于将所述PCB电磁泄漏的近场信息对应的传输线结构通过偶极子阵列进行等效，由偶极子阵列的辐射场替代PCB电磁泄漏产生的近场信息；映射关系构建模块，用于将偶极子阵列在空间任意点的辐射场分别与阵元的极矩和磁矩的关系矩阵作为偶极子阵列与PCB电磁泄漏场之间的映射关系，其中所述偶极子阵列在空间任意点的辐射场是由偶极子阵列本身及其镜像源共同辐射产生。

在一个实施例中，分析模块，包括：差分离散模块，用于利用FDTD方法的中心差分格式对所述传输线方程进行差分离散，得到传输线上电压与电流的迭代公式；瞬态响应计算模块，用于利用前向差分和后向差分对电压与电流的迭代公式进行迭代求解，得到PCB泄漏场在传输线上耦合产生的电压与电流的瞬态响应。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。