電磁兼容分析與優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)淺析

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摘要：由于TPM高密度集成和千伏級(jí)工作電壓要求，模塊內(nèi)部的電磁兼容問題尤為突出。本文采用C＃編程語言以及VBA宏語言，實(shí)現(xiàn)了一款電磁仿真分析與優(yōu)化的軟件設(shè)計(jì)，并通過電路輸出紋波研宄驗(yàn)證了其對(duì)模塊內(nèi)行波管相位穩(wěn)定度的影響并給出改進(jìn)意見，對(duì)TPM電磁兼容設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：TPM；仿真平臺(tái)；電磁兼容；C＃；紋波。

1引言

太赫茲微波功率模塊（TerahertzPowerModule，TPM）是一種工作于太赫茲頻段的高密度集成功率設(shè)備，常用于衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。內(nèi)部由于整合了高密度集成電源、行波管和固態(tài)放大器等器件，導(dǎo)致了內(nèi)部電磁環(huán)境異常復(fù)雜，由于輻射和傳導(dǎo)等因素設(shè)備常常工作異常甚至損壞。因此電磁兼容問題的預(yù)測(cè)，定位干擾源，通過布局布線，加入濾波等手段對(duì)此類問題進(jìn)行優(yōu)化整改十分重要。對(duì)TPM在復(fù)雜電磁環(huán)境下的分析和研究需要專業(yè)的仿真軟件，CST作為一款電磁仿真軟件，雖然能夠?qū)Π寮?jí)、系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)的電磁兼容問題仿真分析，但是由于其理論步驟和過程過于復(fù)雜且針對(duì)性較弱，因此本文基于VBA宏語言的CST控制技術(shù)，通過CST開放的Matlib／VBA以及Python等接口實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，完成了對(duì)電磁兼容問題仿真功能的集成與自動(dòng)化分析，并且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行后處理操作。軟件平臺(tái)采用C＃語言設(shè)計(jì)，通過VBA語言在CST的基礎(chǔ)上開發(fā)調(diào)用I1－3］，從而開發(fā)一款針對(duì)TPM的電磁仿真分析軟件，通過典型案例介紹展示了軟件的設(shè)計(jì)思路，功能和實(shí)現(xiàn)方法，并重點(diǎn)分析了模塊內(nèi)電源輸出紋波對(duì)工作穩(wěn)定度的影響，為高密度功率模塊設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2軟件設(shè)計(jì)方案

2．1仿真軟件具備功能

為了能夠?qū)PM內(nèi)部復(fù)雜電磁環(huán)境如傳導(dǎo)發(fā)射及輻射發(fā)射特性進(jìn)行分析，本文設(shè)計(jì)的仿真軟件具備以下的功能：（1）模型預(yù)處理軟件平臺(tái)模型預(yù)處理的任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建。（2）數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后處理功能主要是根據(jù)用戶的自身需求，獲取待處理目標(biāo)二維或三維數(shù)據(jù)的結(jié)果。軟件可以實(shí)現(xiàn)例如線形、標(biāo)題和圖例的修改，二維坐標(biāo)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)、傅里葉變換。通過對(duì)S參數(shù)、近遠(yuǎn)場(chǎng)分布和瞬態(tài)電流／電壓的仿真結(jié)果分析，從而預(yù)測(cè)目標(biāo)輻射敏感區(qū)域，傳導(dǎo)干擾數(shù)值進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

2．2仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件〒＾舍幾用IDEMicrosoftVisualStudio2019作為集成開發(fā)環(huán)境，包含C＃、C鐘等在內(nèi)的多種編程語言，．Net可實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)開發(fā)。使用C＃編寫軟件平臺(tái)；通過VBA控制CST進(jìn)行建模仿真＾使用Python編程語言進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理？該軟件乎臺(tái)整體采用分屋設(shè)計(jì)思想3乎合根據(jù)執(zhí)行功能不同分為視嵐層，（View）、控制雇（Control）、模拱j｜｛Model）？視厲崖的座要功態(tài)包括參數(shù)設(shè)置、流程控制、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和顯示等交互界曲1；控制層的主要功能包括調(diào)用C＃編寫的類庫，調(diào)用TPM傳導(dǎo)模塊和TPM輻射模塊的業(yè)務(wù)邏輯，傳導(dǎo)模塊和輻射模塊包含電路模型的創(chuàng)建，參數(shù)修改、探針添加、數(shù)據(jù)處理等；模塊層X分為模型預(yù)處理、模型計(jì)算、數(shù)據(jù)后處理以及電磁兼容問題分析。模型預(yù)處理包含實(shí)際模型建立，部分參數(shù)更改巻？模：型計(jì)算包含CSTPCBStudio、CSTMICROWAVEStudio、CSTCABLESTUDIO作室功能；數(shù)據(jù)磨處理及電磁分析模塊一方面包會(huì)愚對(duì)NavigationTree的一系列操作即導(dǎo)出相應(yīng)的ASCII數(shù)據(jù)文件以及對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成對(duì)應(yīng)結(jié)果，另一友面包含對(duì)處理結(jié)果的分析，用來預(yù)測(cè)目標(biāo)的電磁兼容問題《本軟件甲臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示：TPM：X作需．要輸入的參數(shù)主要包括f工作電壓、工作電流和蟲作頻率等，部分參數(shù)設(shè)置如圓2所示：根據(jù)電路模型輸入理想?yún)?shù)（輸入電壓、輸入電流、頻率班行仿真s例如厲3所示管腳電流：

3TPM模塊輸出紋波與穩(wěn)定度

M前TPM中行波管輸入功率的不穩(wěn)定性、負(fù)載阻抗變化造成的相位不穩(wěn)定性可以通過使用隔離器解決W。而脈沖行波管放大器設(shè)計(jì)過程中各極供電的電源電壓穩(wěn)定性急需解決M。與陰極電壓相比，燈絲、收集極電壓等穩(wěn)定性對(duì)相位穩(wěn)定度的影響低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，即本文研究不涉及收集極電壓和燈絲電壓穩(wěn)定性的影響，而系統(tǒng)定置地分析了脈沖行波管放大器陰極電壓對(duì)TWT相位穩(wěn)定度的影響，并且通過對(duì)比分析得也了效果更好的改進(jìn)方式。如圈4所示為TPM內(nèi)部組件高密度集成電源的輸出電壓22kV，為行波管提供禽作堆壓，，其中雜散著60V的紋波電壓，在賣際研究中，陰極電壓的不穩(wěn)定性（紋波）＆在一定范圍內(nèi)的，用有限變化Acp和AUk來表示，慢波線電長度為N（單位波長），所以由子EPC陰極輸出端不穩(wěn)定將導(dǎo)致行波管產(chǎn)生的相移增量表示為Acp，由公式⑴可得5A＜pk？－0．58＾－iV－—式⑴Uk其中0．5871通常估算為104，實(shí)際計(jì)算時(shí)N取大功率行波管典型值＾由仿真可以看出陰極輸出電壓到達(dá)22kV，將在陰極產(chǎn)生約60V的紋波電壓，從而產(chǎn)生約14．18a的相移偏移』弘影響輸－出質(zhì)：量如廣5所示6圖6紫色和藍(lán)色波形分別是輸出LC．型濾波電路和vt獲濾波電路后的輸出波形，録色波開I是未經(jīng)任何改進(jìn)的輸出波形，從圖中可以看到it型濾波電路相比LC型濾波更加有效的降低了紋波峰值。仿真測(cè)量LC型濾波電路后的輸出紋波峰值為7．56V，對(duì)相位增暈的最響約為1．79。型．濾波電路后的輸出紋波峰值為5．168V，對(duì)相位增憊的影響約為1．22°如圖7所示相較于LC型濾波抑制了約0．6°，所以本文最終選定使用itil濾敏路進(jìn)行優(yōu)化抑制。

4結(jié)論

通過利用CST的VBA、Pythaa接口在CST的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，采用0＃語作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了伉真〒臺(tái)搭建，并利用該軟件〒臺(tái)分析了TPM內(nèi)電源輸出紋波對(duì)工作穩(wěn)定度的影響，針對(duì)穩(wěn)定度問題進(jìn)行整改對(duì)比，為實(shí)現(xiàn)TPM正常X作提供了指導(dǎo)。

作者:田振峰 張金玲 康軍磊 王德 王晨晨 單位:北京郵電大學(xué)