传输线端接复杂电路的电磁耦合时域分析方法

该文基于时域有限差分(FDTD)方法和传输线方程,结合Ngspice软件,提出一种高效的时域混合算法,能够快速模拟空间电磁场作用传输线端接复杂电路的电磁耦合问题.该算法的优势在于实现了空间电磁场辐射与端接复杂电路瞬态响应的协同计算,且避免了对传输线和复杂电路结构的直接建模.首先,将复杂电路通过传输线的特性阻抗进行等效,采用FDTD方法结合传输线方程,求解得到特性阻抗上的入射电流响应.然后,在每个时间步上,将该电流引入复杂电路作为激励源,联合电路模型建立网表文件.最后,使用Ngspice软件读取网表文件,并仿真得到电路各元件上的瞬态响应.通过相应计算实例的数值模拟,与电磁场仿真软件CST的计算结果以及耗用内存和时间进行对比,验证了算法的正确性和高效性.     

屏蔽腔内任意高度线缆端接TVS管电路的电磁耦合时域分析

该文基于时域有限差分(FDTD)方法和传输线方程,结合插值技术和牛顿迭代法,提出一种新的时域混合算法,能够快速模拟屏蔽腔内任意高度线缆端接瞬态电压抑制(TVS)管电路的电磁耦合问题,并实现空间电磁场与线缆和电路瞬态响应的同步计算。该算法首先利用FDTD方法结合STL网格剖分技术实现屏蔽腔结构的快速建模以及腔体内空间电磁场分布的准确模拟。然后利用传输线方程结合插值技术建立腔体内线缆的场线耦合模型,结合FDTD方法,迭代求解出线缆上的电压和电流响应。对于线缆端接的TVS管电路,列写电压电流方程,采用牛顿迭代法计算得到电路端口的电压响应。通过与电磁仿真软件的计算结果进行对比,验证了所提时域混合算法的正确性。研究表明,该算法能够很好地应用于屏蔽腔内线缆端接负载的TVS管限幅防护设计。     

外场作用双导线的电磁耦合时域分析方法

基于时域有限差分（finite-difference time-domain，FDTD）法和传输线方程，并结合插值技术，研究了一种高效的时域混合算法，能够快速模拟电磁波照射自由空间和屏蔽腔内双导体传输线的电磁耦合，并实现空间电磁场与双导线瞬态响应的同步计算.该算法先采用FDTD方法模拟双导线周围空间的电磁场分布，结合插值技术构建适用于双导线电磁耦合的传输线方程，再采用FDTD的中心差分格式进行离散，从而求解得到传输线和端接负载上的瞬态响应.同时，分析双导线间距对其电磁耦合的影响，掌握其耦合规律.通过相应数值算例的模拟，并与FDTD方法进行对比，验证了该时域混合算法的正确性和高效性.     

PCB上微带线的电磁耦合时域建模分析方法

基于时域有限差分方法和传输线方程,结合高效网格建模技术,文中提出了一种高效的时域建模算 法,它能有效解决微带线的电磁耦合建模问题,实现空间电磁场与微带线瞬态响应的同步计算。首先,结合经验公 式,计算得到微带线的单位长度分布参数,构建适用于微带线电磁耦合分析的传输线方程。然后,采用时域有限差 分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)方法,结合非均匀网格技术和自动网格生成技术,仿真得到微带线激励场, 并在每个时间步进上引入传输线方程获得等效分布源项。最后,对传输线方程使用FDTD 的中心差分格式进行离 散,实现微带线及其端接电路上瞬态响应的迭代求解。为了验证时域建模算法的正确性和高效性,通过自由空间和 屏蔽腔内PCB 上微带线电磁耦合的数值模拟,从计算精度和耗时两方面与传统FDTD 方法的计算结果进行了对比。     

端接复杂电路传输线网络的电磁耦合时域并行计算方法

针对端接复杂电路传输线(TL)网络的电磁耦合问题,仍缺乏高效的场路协同仿真技术。该文将传输线方程与时域有限差分(FDTD)方法、诺顿定理和置换定理以及NGSPICE软件相结合,并引入消息传递接口(MPI)并行技术,提出一种高效的时域混合并行算法(FDTDTL-NGSPICE)。首先,根据诺顿定理和置换定理,将传输线网络分解为传输线子系统和复杂电路子系统,并构建对应的等效电路模型。然后,使用FDTDTL并行算法计算传输线子系统沿线各点的电压和电流,并获取对应诺顿等效电路的电流源和等效导纳大小。最后,使用NGSPICE对复杂电路子系统进行传导干扰分析,获得复杂电路各元件上的瞬态响应,并将端口电压反馈给传输线子系统作为边界,实现传输线网络电磁耦合的场线路联合协同仿真。通过对3类典型场景的计算实例,分别使用时域混合并行算法和电磁仿真软件CST电缆工作室(CS)进行数值模拟并对比,验证所提算法的置信度。     

端接非线性负载的非均匀传输线瞬态分析

在均匀多导体传输线的时域有限差分法(FDTD)基础上，对非均匀多导体传输线及端接非线性负载的情况进行了分析。结果表明：对于非均匀多导体传输线，采用FDTD法进行瞬态分析极为方便，并且可以处理端接非线性负载的情况；同时，还可获得线上各点的电压、电流波过程。通过实例验证了所提出的FDTD算法的有效性，可用于传输线波过程的研究。     

端接非线性负载的不等长传输线瞬态分析

对时域有限差分(FDTD)法应用于不等长多导体传输线端接非线性负载的情况进行了介绍.首先给出了多导体传输线电报方程和差分公式;然后介绍了不等长传输线的仿真模型;在此基础上,最后通过建立端接非线性负载的不等长多导体传输线模型,对该情况下传输线两端的电压响应进行了分析.数值仿真结果说明了FDTD法解决此类问题的正确性和有效性,为不等长传输线瞬态分析的进一步研究打下了基础.     

多导体传输线瞬态响应研究

针对多导体传输线瞬态响应的无源性问题,提出了基于集总等效源模型的多导体传输线瞬态响应模型.从外场激励下的多导体传输线的频域电报方程解出发,将外场在传输线上激励的分布电压源和电流源与传输线指数矩阵解耦,建立了集总等效电压源和电流源模型.为避免复杂的傅里叶反变换及卷积运算,推导了集总源模型的时域递推方程.在此基础上,采用时域有限差分法建立了端接线性负载、非线性负载和外场激励下的不等长多导体传输线瞬态响应离散递推方程.通过对无损传输线的仿真对比,验证了方法的有效性.最后,对端接线性负载、非线性负载和外场激励下的不等长多导体传输线瞬态响应进行了试验和仿真分析.     

多导体传输线瞬态响应研究

针对多导体传输线瞬态响应的无源性问题,提出了基于集总等效源模型的多导体传输线瞬态响应模型. 从外场激励下的多导体传输线的频域电报方程解出发,将外场在传输线上激励的分布电压源和电流源与传输线指数矩阵解耦,建立了集总等效电压源和电流源模型. 为避免复杂的傅里叶反变换及卷积运算,推导了集总源模型的时域递推方程. 在此基础上,采用时域有限差分法建立了端接线性负载、非线性负载和外场激励下的不等长多导体传输线瞬态响应离散递推方程. 通过对无损传输线的仿真对比,验证了方法的有效性. 最后,对端接线性负载、非线性负载和外场激励下的不等长多导体传输线瞬态响应进行了试验和仿真分析.       

立体弯折线缆线束电磁耦合分析的时域混合算法

受复杂系统布线空间的制约，线缆通常为线束结构，并呈现弯折和空间立体分布形态。目前，针对立体弯折线缆线束(BSCs)的电磁耦合，仍缺乏高效的时域建模分析方法。因此，该文基于时域有限差分(FDTD)方法和传输线(TL)方程，提出自适应线缆网格技术，结合高效插值技术和电荷守恒定律，研究了一种高效的时域混合算法，实现立体弯折线缆线束的电磁耦合时域快速同步计算。首先，将立体弯折线束整体结构按照弯折节点分解成多段独立的子线束。然后，基于传输线方程和FDTD方法，结合自适应线缆网格技术和插值技术，构建各段空间立体分布的子线束电磁耦合模型，并求解得到线束沿线各点的瞬态响应。最后，根据电荷守恒定律，构建弯折节点的等效电路模型并求解得到节点处的电压，实现各段子线束之间的干扰信号传输。通过理想导电板上和屏蔽机箱内立体弯折线束电磁耦合的数值模拟，从计算精度和耗用时间方面与CST和FDTD-SPICE的仿真结果进行对比，验证所提方法的正确性和高效性。     

Bounds on the Load Currents of Exposed One-and Two-Conductor Transmission Lines Electromagnetically Coupled to a Rocket

Three circuits are analyzed. One consists of an isolated two-wire transmission line with terminating impedances; another of a single conductor with terminating impedances grounded to an infinite perfectly conducting plane; and, finally, a terminated two-wire transmission line in the vicinity of an infinite perfectly conducting plane. In all cases a plane monochromatic electromagnetic wave is incident on the wires with the electric vector parallel to their axes. The wires are oriented with respect to the incident field and the ground plane, if present, for maximum response. The objective is to derive formulas for the currents in the load impedances of the three circuit configurations described in the preceding. The writer then presents a heuristic argument to the effect that solutions of these problems bracket the response of exposed unshielded one-and two-wire transmission lines arranged parallel to the axis of a rocket and close to its surface. The established upper and lower bounds for the load currents are sufficiently close together to be of considerable practical value in the study of the electromagnetic compatibility of rockets.     

基于FDTD的约瑟夫森结与超导传输线协同分析方法

为实现高性能处理器,超导RSFQ（快速单磁通量子）电路被提出.该电路主要由超导约瑟夫森结和超导无源传输线组成,对其建模分析是超导RSFQ电路设计的基础.本文提出了基于FDTD（时域有限差分）的约瑟夫森结与超导传输线的协同分析方法.该方法采用FDTD数值方法求解超导传输线的电报方程.在超导传输线与约瑟夫森结交界处的非线性边界条件上,采用了Newton-Raphson迭代算法.数值结果表明,本文提出的约瑟夫森结和超导传输线的协同分析方法与WRspice仿真软件相比具有相同精度,且运算效率显著提高.     

Transient analysis of microwave active circuits based ontime-domain characteristic models

A modular method is presented to speed up transient simulation of microwave active circuits which consist of linear components and active devices that are often nonlinear. Firstly, the linear components and active devices are individually characterized by time-domain characteristic models (TDCM's) and lumped equivalent circuits, respectively, to reduce the computer memory. Then, based on deconvolution, the TDCM's of linear components are synthesized from the terminal voltages and currents of step voltage excitation, which are simulated by the finite-difference time-domain (FDTD) method. Finally, transient analysis of a one-dimensional (1-D) discrete-time system is applied to obtain the terminal responses of the microwave active circuits, in which a larger sampled step is chosen to reduce the simulation time. This method is employed to two realistic circuits to validate its efficiency and accuracy. The results are in good agreement with the time-consuming direct FDTD simulation of entire circuits     

Calculation of radiated electromagnetic fields from cables usingtime-domain simulation

Radiated electromagnetic fields are produced by currents in cables or transmission lines interconnecting various circuits. An elegant method of computing the resultant electromagnetic field, produced by several radiating current elements, is given. The current in each radiating cable is first found from a time-domain simulation algorithm and this may be a steady-state or transient current. The radiated field is then calculated by assuming that a radiating transmission line can be treated as a chain of short radiating dipoles. The problems associated with the calculation of the near-zone term at low frequencies and the overall response near the radiator are clarified. The proposed technique is fully evaluated and compared with other methods     

Fast transient analysis of incident field coupling to multiconductor transmission lines

Due to the rapid surge in operating frequencies and complexity of modern electronic designs, accurate/fast electromagnetic compatibility/interference analysis is becoming mandatory. This paper presents a closed-form SPICE macromodel for fast transient analysis of lossy multiconductor transmission lines in the presence of incident electromagnetic fields. In the proposed algorithm, the equivalent sources due to incident field coupling have been formulated so as to take an advantage of the recently developed delay extraction based passive transmission line macromodels. Also, a method to incorporate frequency-dependent per-unit-length parameters is presented. The time-domain macromodel is in the form of ordinary differential equations and can be easily included in SPICE like simulators for transient analysis. The proposed algorithm while guaranteeing the stability of the simulation by employing passive transmission line macromodel, provides significant speed-up for the incident field coupling analysis of multiconductor transmission line networks, especially with large delay and low losses.     

并行传输线共模泄漏的等效场-线耦合数值模型

针对并行传输线间感性和容性耦合计算问题,该文提出并行传输线等效场-线耦合亚网格时域有限差分(FDTD)数值模型,模型更适合非均匀介质等复杂情形的耦合串扰求解,且具有更为简洁的数值计算形式。利用该等效场-线耦合数值模型,对并行传输线间共模电磁信息泄漏进行模拟仿真和实验测试,时域模拟和频域实验结果均表明,该模型可以有效刻画并行传输线共模电磁信息泄漏发射特性。