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电磁兼容电路建模方法

源自国际知名学者50多年从事理论教学和工程设计的深厚积累,被国外多所大学选作教材

作者:[英]伊恩·B.达尔内(Ian B. Darney)著,李迎松、姜 弢(译)
定价:69
印次:1-1
ISBN:9787302537403
出版日期:2020.01.01
印刷日期:2019.11.12

本书从电磁兼容的研究方法着眼,重点研究利用电路建模的方法分析电磁兼容,采用集总参数模型,传输线模型,天线模型和中间模型分析等方面研究电磁兼容的电路建模方法。最后,根据实际工程,举例研究了电磁兼容的电路设计方法。

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前言 早在20世纪60年代,作者作为飞行训练器设计团队的一名成员,设计这样的飞行训练器设备: 模拟计算机产生一组梯形光栅的波形,并显示在一个飞点扫描器的屏幕上; 屏幕的光可以照亮一条5英里(1英里≈1609米)宽的可连续移动的屏幕,且投射到屏幕上的光通过一个准直透镜聚焦到光电倍增管产生电影; 视频输出模拟了安装在低空飞行导弹上的摄像机。 该系统运作良好,但从来没有圆满解决被大范围干扰的问题。其事实的根本原因是,在项目初期,客户坚持在设备机架的底部采用单点接地端子和三线编织的方式连接单点地。这些指定的“模拟地”“逻辑地”和“电源地”,星点与欧姆阻抗点相连。在设备中的其他位置,参考“地”被彼此隔离,这可能是最坏的布局方式。 即便如此,“星点接地”的概念已被工程领域广泛接受。其他流行的误导性的概念是“等电位地”,并且需要“避免接地环路”。 本书作为一份研究报告,提倡使用一套准则取代一些误导性的概念。工程师们持怀疑态度,总有人可以指出推理的缺陷。因此,我们收集了很多背景材料,进行了充分的试验,做出了进一步的分析,最终可以清楚地看出利用电路模型可以有效地分析耦合机制。 但仍有批评者指出,这种做法不能用于解决高频模拟问题。所以,电路模型分析方法的深入发展需要分析传输线的影响,且应该考虑电缆作为天线的作用。最终的结果是,需要一种可用于评估和分析电磁干扰(EMI)相关联的问题的技术。这项技术需要解决以下几个方面的问题:  公共阻抗;  电场(电容感应);  磁场(磁感应);  电磁场(平面波)。 下面将提供一些电路模型模拟各种传导EMI和辐射EMI问题。这些模型使用简单独特的分析方法,并且很容易实现。 这些内容对各类设计工程师是有用的,如电路设计师、印制电路板设计者、电子系统工程师、电力系统工程师、电磁兼容(EMC)工程师和EMC顾问。设计者的时间很宝贵,建议设计者首先阅读第9章,该章描述了自上而下的方法,并提供了一套简单的指导方案。如果该系统的方法可以实现,那么设计可以基本完成。然后,值得一读的是第8章,其大部分技术可以降低EMI的耦合程度,并阐述了有关的技术原理。前面几章的内容可以作为详细推荐内容的补充材料进行阅读。 本书讲述了实际设计的基本概念,对电子电路设计(如模拟、数字、切换模式、射频等)相关课程的老师非常有用。 通过阅读本书,电气工程的学生将受益匪浅,因为EMC不再是一个可选的课题,以下几章介绍的方法可能是最简单的。 基于本书提出了一种不同的方法来分析电磁干扰问题,因此,对开设电磁兼容课程的大学非常有用。本书不需要具有电磁场理论的数学能力,可以作为工程师的参考书。 书中第7章的测试确定了一个事实,即天线模式电流传播比差模电流更快,并且展示了如何进行速度测量,研究员对此将会比较感兴趣。 有很多书描述了各种干扰耦合机制,并找出了切实可行的设计方案。也有部分书深入地研究和分析了电磁场的传播。因为上述内容可以在其他书籍上找到,因此本书没有必要重复分析,这样可以使得本书比较简洁。 以下是本书的主要内容。 第1章指出了基本概念,总结了电路模型方法。 第2章定义了所有电路模型并派生出熟悉的简单模型的结构,如共模电路和差模电路的耦合,这些模型对了解耦合机制是非常有用的,且这些模型适合使用SPICE软件进行分析。当信号波长是电缆长度的十分之一时,仿真响应相当精确地反映响应的频率。 第3章开发的分析方法,允许在复杂的部件情况下仿真电磁耦合,如飞机机翼或多层板。虽然这些模型的频率响应与简单结构的限制一样,但是应用范围被大大拓展了。 当信号的波长等于四分之一线长时,开路线将产生一个谐振频率,短路线将谐振在半波频率。在谐振频率,干扰水平将达到峰值。如果希望仿真任何信号链路的干扰耦合特性,那么模型应能够处理信号达到和超越线的半波的频率。 第4章通过调用传输线理论关系实现了这一目标。 第5章进一步研究了这个分析过程,以模拟电缆作为天线的性能。 第6章导出了一个电路模型,可以复制一条双导体电缆作为天线的瞬态特性。 第7章阐述了电路模型如何用来模拟实际台架试验的硬件响应,这是联系理论和实践的重要纽带。 第8章描述了许多工程师用于提高EMC的技术,并与前面章节中的干扰耦合机制设计和识别衔接起来。 第9章概述了利用系统的方法分析在研系统的电磁兼容特性。它清晰地建立了正规的EMC设计要求和设备的性能之间的联系。S.I.系统单元贯穿全书。 虽然分析过程比使用电磁场理论简单,但是计算仍需要使用计算机。SPICE仿真程序可以处理如第2章所述的简单结构,但不能处理后面的章节中描述的计算,还需要数学软件来协助分析。 Mathcad是理想的软件,因为它可以把电磁场传播和电路分析方程结合起来。它可以接收待审查硬件的几何测量数据,并将这些数据和硬件测试数据结合起来。附录A给出了该软件的简单介绍,Mathcad软件的工作表副本可以从www.designemc.info网站下载。 本书给出了一个操作实例,把Mathcad翻译成MATLAB的.m文件,这些也可以从网站www.designemc.info下载。附录B确立了两个软件包之间的关系,可以帮助熟悉MATLAB的工程师阅读和理解Mathcad工作表的内容。 分析的主要特点之一是采用传输线理论方程得到传输公式。附录C提供了分布参数概念的简要介绍,并在第4章的开始得到了混合方程。 尽管本书中使用的许多概念是电气和电子工程师熟悉的内容,但也有一些概念是新的。因此,附录D提供了一些新概念的定义。 经过进一步测试和分析的报告将在完成后发布在网站www.designemc.info,读者可以通过该网站进行反馈。 作者 2019年8月

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  • 作者简介:
    Ian B. Darney,于格拉斯哥大学获电气工程学士学位。1960—1978年,在布里斯托飞机公司担任装备设计师;1978—1988年,在英国航空航天公司担任装备设计师;1988—1994年,在空中客车公司担任高级电气工程师;1996—2008年,在J.S.Chinn工程公司担任EMC顾问;2008年至今,自建实验室,开展EMI耦合实验。他长期致力于导弹设备电路设计、电磁兼容设计、电路建模、地基设备、深潜器、飞船等领域的设计和研究工作。他根据电磁兼容设计经验和建模方法,结合多年从事工程设计的丰富经验,撰写了Circuit Modeling for Electromagnetic Compatibility一书。译者简介:
    李迎松,工学博士,哈尔滨工程大学教授、博士生导师,中国电子学会高级会员,IEEE高级会员。先后获得高知工科大学和哈尔滨工程大学双博士学位,2016—2017年赴加州大学戴维斯分校访学,2017年赴高知工科大学访学,2018年赴英国约克大学访学。入选2015年哈尔滨工程大学青年骨干教师支持计划,黑龙江省“龙江科技英才”特别支持计划。担任高知工科大学、远东联邦大学和圣彼得堡彼得大帝理工大学客座教授;担任AEU-International Journal of Electronics and Communications(SCI源)领域编辑、IEEE Access(SCI源)副主编、ACES Journal (SCI源)副主编;担任ICEICT 2019、 ACES-China 2019、 iWEM 2019技术程序委员会共同主席。发表SCI检索论文140余篇,授权发明专利11项,获优秀论文奖4项,谷歌学术引用2600余次,主持国家重点研发计划、十三五海装预研等课题20余项。担任黑龙江省科技奖励评审专家,科技部专家库专家,教育部学位论文通讯评议专家等。

    姜弢,工学博士,哈尔滨工程大学教授、博士生导师。2003年在哈尔滨工业大学通信技术研究所进修,2004年在新加坡国立大学雷达信号处理实验室进修。2013年所讲授课程入选教育部来华留学英语授课品牌课程,曾获得省部级科技二等奖两项,曾主持或参与电磁兼容与防护专业领域项目二十余项,已发表SCI/EI检索科技论文百余篇。

  • Ian B. Darney是国际知名学者,在电磁兼容设计和分析领域造诣深厚。他根据电磁兼容设计经验和建模方法,结合多年从事工程设计的丰富经验,专门针对大学高年级本科生、研究生和从事实际工作的工程师撰写了Circuit Modeling for Electromagnetic Compatibility一书,本书出版之后,广受好评,现已成为世界上许多知名大学的教材。

    本书特色:
    •完整概述、系统简化设备EMC设计流程,满足EMC要求。
    •专注于EMC电路设计与分析方法,使电气工程师可以单独处理EMC问题。
    •有助于最大程度地缩短新产品的上市时间,并减少昂贵且耗时的EMC整改。
    •概述如何使用通用测试设备(示波器和信号发生器)验证和完善EMC模型。
    •讨论如何使用Mathcad进行EMC分析和评估。
    (1)内容新颖独特。作者拥有多年教学经验,很多观点具有独创性。涵盖基本电路、集总参数电路、变压器等以及国际上的最新研究成果。
    (2)突出电路建模方法。特别针对工程应用中典型电磁兼容问题进行重点讲解,对电磁兼容的电路模型方法进行理论分析,理论联系实践。
    (3)适合作为教材。在有限篇幅内系统精炼地阐明基本理论、方法,辅以典型的电路分析、实例和相关程序,化繁为简,便于学习和认知。

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  • 目录

    第1章简介

    1.1背景

    1.1.1电磁兼容的必要性

    1.1.2务实的方法

    1.1.3学术方法

    1.1.4管理方法

    1.1.5误导性的概念

    1.1.6电路模型

    1.1.7计算方法

    1.1.8测试

    1.1.9方法的本质

    1.2模型发展

    1.2.1基本模型

    1.2.2参数类型

    1.2.3推导过程

    1.2.4复合导体

    1.2.5邻近效应

    1.2.6电气长度

    1.2.7分布参数

    1.3系统干扰

    1.3.1信号连接

    1.3.2仿真结构

    1.3.3等效电路

    1.3.4传导发射

    1.3.5传导敏感度

    1.3.6变压器

    1.3.7电流变压器

    1.3.8典型的电路模型

    1.4系统间的干扰

    1.4.1偶极子模型

    1.4.2虚拟导体

    1.4.3威胁电压

    1.4.4最坏情形分析

    1.5瞬态

    1.6测试的重要性

    1.7实用设计技术

    1.8系统设计

    1.8.1指导准则

    1.8.2自上向下分析方法

    1.8.3正规的电磁兼容要求

    第2章集总参数模型

    2.1原始电容

    2.2初始电感

    2.3L与C的对偶

    2.4环路参数

    2.5电路参数

    2.5.1简介

    2.5.2电容

    2.5.3二元性维持

    2.5.4阻抗

    2.5.5基本假设

    2.6双导体模型

    2.7三导体模型

    2.8耦合优化

    2.9...

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