【摘 要】
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随着信息技术的飞速发展,电子系统功能日益强大的同时,其内部电子设备、器件的密集程度也逐渐上升。以线缆为代表的传输线网络作为设备与设备间、设备内部各器件间信息及能量传递的桥梁,其数量也急剧增加。线缆既是电磁干扰的受害者又是电磁辐射的制造者,线缆网络的大量使用将使得系统内部电磁环境变得愈加复杂。对线缆网络电磁干扰的精确高效预测与分析,将为电子系统电磁兼容的顶层设计提供重要参考,具有十分重要的应用和理论
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随着信息技术的飞速发展,电子系统功能日益强大的同时,其内部电子设备、器件的密集程度也逐渐上升。以线缆为代表的传输线网络作为设备与设备间、设备内部各器件间信息及能量传递的桥梁,其数量也急剧增加。线缆既是电磁干扰的受害者又是电磁辐射的制造者,线缆网络的大量使用将使得系统内部电磁环境变得愈加复杂。对线缆网络电磁干扰的精确高效预测与分析,将为电子系统电磁兼容的顶层设计提供重要参考,具有十分重要的应用和理论意义。本文系统地研究了传输线ADI-FDTD方法及leapfrog ADI-FDTD方法,在二者基础上提出了适合多尺度线缆网络电磁干扰仿真分析的混合FDTD方法,并结合全波方法实现了场-线-路系统级协同仿真,为系统级线缆网络电磁安全评估提供了一条行之有效的技术手段。本文的主要研究内容详述如下:首先结合传输线方程,从传输线FDTD方法的迭代公式开始,分别针对接有线性或非线性负载的线缆网络,使用不同的方式求得终端响应,并与HSPICE的仿真结果进行对比,验证其正确性,同时解决了在传输线非均匀情况下的瞬时响应问题。然后推导了用于传输线网络的ADI-FDTD方法,通过数值计算验证了该方法的无条件稳定性,同时证明了该方法在空间以及时间上的精度问题。针对多尺度线缆问题带来的仿真精度与效率问题,本文将ADI-FDTD方法与FDTD方法相结合,在相同时间步长的情况下,采用不同的空间网格分别处理如PCB的精细结构和同轴线缆这种大尺度结构,解决了多尺度线缆网络仿真精度及效率之间的矛盾。并将上述所提及的一维混合FDTD与全波FDTD相结合,建立外场与电子系统间物理边界条件,通过安培定理将外场转换为激励源,作为强制电压项参与到线缆网络的求解中,从而完成系统级的电磁干扰分析。最后对传输线ADI-FDTD方法进行改进,推出在最终形式上并不需要子时间步的leapfrog ADI-FDTD方法。用这两种方法分别对相同的传输线网络进行迭代计算求出终端处的电压响应,得出ADI-FDTD方法的仿真时间为1.641 s,leapfrog ADI-FDTD方法的仿真时间为0.922 s,比ADI-FDTD方法减少了43.8%,从而验证了新的隐式方法可以明显提高计算效率。此外,将leapfrog ADI-FDTD方法与FDTD方法联合求解多尺度线缆网络,并与全局使用FDTD方法的情况进行对比,可以减少52%的仿真时间,证明了新的显隐式混合FDTD方法更具实用价值。
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