基于时域有限差分法的宽带电磁兼容方法

基于时域有限差分法的宽带电磁兼容方法

许庆帅

江南机电设计研究所，贵州贵阳 550009

摘要：电磁兼容又称之为EMC，EMC的工作主要有两个方面：抗干扰和电磁干扰控制。随着通信技术的迅速发展，宽带通信线路的EMC问题日益凸显，为解决此方面问题，本文引入时域有限差分法，设计宽带电磁兼容方法，以提高电子设备在宽带网络使用中的更高效能与价值。

关键词：时域有限差分法；兼容方法；

1电磁场干扰分量计算

通信网络是目前所有网络中用户数量最多、最关键的网络形式之一，随着多媒体技术和现代化互联网技术的飞速发展，如何通过现有宽带网络，实现数据、语音和视频等多媒体通信，已成为当今通信领域的重要研究课题。宽带通信技术是近几年来发展最快的一种技术，目前在市场内已处于初步应用阶段。然而，由于宽带网络线路存在同时输送大量的信息的现象，且现有的宽带网络在使用中存在稳定性差、传输距离无法达到预期的问题，加之网络所处的电磁环境十分复杂，导致带宽网络运行经常出现异常。此外，由于宽带通信网络在运行中，可能对波段中其他无线传输业务产生一定的电磁干扰，为满足用户的需求，提高宽带无线通信质量，服务商对宽带无线通信的推广和应用，提出了更高的兼容需求。电磁场兼容是指电气或电子设备在携带电磁干扰的环境下工作，彼此间不会产生不可抗拒的电磁干扰，确保各自在运行环境中发挥对应的功能。为实现对宽带及其环境中运行电子设备的电磁兼容设计，引入时域有限差分法，计算宽带电磁场干扰分量。计算过程中，利用此方法，构建针对宽带运行过程中，其时域场内的旋度方程，对于此过程中的微商求解问题，直接使用差商计算法代替，通过此种方式，掌握宽带运行过程中，其磁场中的有限差分成分。在此基础上，利用具有相同电磁属性的网格，划分宽带通信过程中的通信传输区域，设定通信传输区域的边界条件，将其作为电磁场干扰控制的边界条件。将相关信息按照标准录入PC机内，根据磁场波的传播方式与不同目标之间在通信传输过程中的相互作用，完成基于时域有限差分法的宽带电磁场干扰分量计算。引入时域有限差分法，设计一种全新的宽带电磁兼容方法。该方法在通过对比测试后证明可以有效抑制不同范围内的电磁干扰。

2电磁兼容屏蔽场设计与滤波处理

为降低电磁对宽带的干扰，可以通过空间布置的方式，增加不同电子设备之间的隔离度，降低相互间干扰。在此过程中，考虑到电磁干扰隔离度受到多种因素的影响，因此，在设计电磁兼容屏蔽场前，计算电磁干扰隔离度。在此基础上，设计电磁兼容屏蔽场，在选择屏蔽材料时，优先选择性能较优的材料，利用材料的反射、吸收等物理效应，减少干扰源的电磁辐射，降低电磁对敏感物体的干扰。可在设计中选择多个材料，计算材料的屏蔽效能，以此种方式，确保所选的材料在使用中综合性能达到最优。评估电磁兼容屏蔽场设计材料的综合性能。选择合适的材料，对电子设备作业空间与环境中的关键部位采取有效的屏蔽措施，通过此种方式，生成电磁兼容屏蔽场。完成上述设计后，引入和输出滤波器，限制接收和发射的信号频段，过滤设备中不需要的信号、干扰电磁波，降低输出信号对其他设备的干扰，增加输入端的信噪比。对电磁干扰环境的导线、干扰敏感的线路、无线电收发设备等采用滤波法处理，在发送器的输出端增加输出滤波器，减少频带干扰，通过在主要功率源上安装隔离滤波器，可有效地抑制共模干扰。

3接地设计与电磁辐射处理

为了确保宽带的安全稳定运行，必须采取接地技术，但若接地处理不当，也会因地线阻抗问题而产生干扰。因此，提出单点接地法，将各个线路和外壳分别连接到一个接点，为各个线路提供一个共同的电位参考点。单点接地要求各线路一次接地，接在同一点上。

为降低接地中电磁辐射对宽带的影响，引入灭弧处理法。灭弧处理前，应先明确宽带运行的电流形式，参照基尔霍夫第二定律，交流电弧和直流电弧在相同的宽带条件下存在差异，其瞬态电压值随着时间推移而改变。瞬态电压通过零点后，电弧输出能量为0。此时，电弧温度降低，电弧自然熄灭。当电压和电流发生改变时，再次点燃电弧。通过此种处理方式，降低宽带电磁兼容布置中的电磁辐射。

4对比实验

以某电力场为例，设计对比实验，测试本文提出的方法使用后对其环境中电子设备的电磁兼容效果。为确保测试过程的规范性与测试结果的真实性，按照规范布置测试环境，设计内容如图1所示。

图1电磁兼容测试环境

选用CISPR-25测量设备作为电磁干扰测量的主要设备，设计CISPR-25测量设备的技术参数，如表1所示。

表1CISPR-25测量设备技术参数

在使用本文提出方法设计宽带电磁兼容时，需要引入时域有限差分法，基于此方法，计算电磁场干扰分量，掌握测试环境中电子设备在运行中所受到的电磁干扰程度。设计电磁兼容屏蔽场，对屏蔽场内通信传输信号进行滤波处理。同时，设计电子设备的接地方法，做好环境场的电磁辐射处理。

完成对本文方法的应用后，引入基于BP神经网络的兼容方法，与基于灰狼算法的兼容方法，将提出的方法作为传统方法1与传统方法2，分别使用三种方法设计测试环境中的电子设备的电磁兼容性。将电子设备在宽带网络运行中的窄带杂波抑制度作为评价指标，统计实验。本文方法可以抑制-40MHz~-120MHz的电磁干扰，抑制过程较为连续，由此可以证明在此种条件下，电子设备与电磁的兼容性良好。传统方法1在使用中只能抑制-90MHz~-120MHz的电磁干扰，抑制过程较为连续，但可控制的电磁干扰量较低，即无法排除低电磁干扰对此种环境下电子设备运行的影响。传统方法2在使用中可以抑制-40MHz~-120MHz的电磁干扰，但抑制过程存在连续性差的问题，即无法达到电磁兼容设计的实际需求。

结语

宽带线路通信是以现有线路为通信的数据服务与共享通道，通过线路的数字扩频法或正交频分多址技术，可以实现数据、资源、信息的高速传送。为降低电磁干扰对宽带及其环境中电子设备运行造成的影响，通过宽带电磁场干扰分量计算、电磁兼容屏蔽场设计与滤波处理、宽带电磁兼容布置中的接地设计与电磁辐射处理，引入时域有限差分法，设计一种全新的宽带电磁兼容方法。该方法在通过对比测试后证明可以有效抑制不同范围内的电磁干扰。

参考文献

[1]陈光宇.城市轨道交通机电核心系统建设环节的电磁兼容问题探讨[J].城市轨道交通研究,2022,25(08):44-46+51.

[2]方烜,杨帆,梁家豪,等.基于改进灰狼算法-BP神经网络的智能巡检机器人电磁兼容故障诊断[J].科学技术与工程,2022,22(01):243-249.