部分元等效电路理论在无线电能传输系统中的应用研究

磁耦合谐振式无线电能传输技术凭借其传输距离远、传输效率高等优势逐渐成为了无线电能传输方面研究的热点,而磁耦合谐振系统的设计和优化依赖于准确的参数计算和系统性能计算。针对这一问题提出采用部分元等效电路PEEC(partial element equivalent circuit)法进行计算。首先介绍了PEEC的基本理论以及部分参数的计算方法,然后建立耦合线圈的部分元等效电路模型,对平面矩形螺旋线圈的自感和互感进行计算,通过计算结果和实验结果的对比验证了PEEC法计算参数的高效性和准确性。在此基础上,分别建立了双线圈系统和单共振磁耦合谐振式无线电能传输系统,采用PEEC法结合电路法对2个系统的传输特性分别进行了研究和分析,并通过与有限元法计算结果的对比,验证了所提方法的准确性和快速性。

混合电磁结构磁性部分元等效电路建模技术的解析及实验研究

磁性材料在电磁结构中广泛应用,而传统(标准)部分元等效电路(partial element equivalent circuit,PEEC)方法对包含磁性材料的各种结构进行分析时已无能为力。针对基于几何平均距离和空间磁介质均匀化处理的新型磁性PEEC建模方法(magnetic PEEC,MagPEEC),该文提出使用同轴电缆解析计算以及大型钢板耦合与邻近效应实验对该建模方法进行验证。利用解析法对给定同轴电缆单位长度电阻与电感参数进行了计算,并将计算结果与由MagPEEC建模计算的结果进行了比较;分大型舰船钢板差模回路耦合和共模回路耦合干扰两种情况,对MagPEEC建模计算的耦合阻抗进行了实验验证;利用所研制的钢板地电流测量装置在钢板中部进行测量,并将测量结果和MagPEEC理论计算的结果进行比较,从而实现金属壳体地电流测量和MagPEEC理论计算方法的直接验证。利用该文所提供的解析方法和3种实验方法,对MagPEEC建模技术进行了充分证明,为MagPEEC建模技术的推广使用奠定了基础。

基于Krylov子空间中Lanczos算法的金属导体部分元等效电路模型缩减

针对金属导体部分元等效电路模型的渐近波形估算(waveform evaluation,AWE)方法缩减的数值病态问题,提出使用基于Krylov子空间的Lanczos算法对系统模型进行缩减,将直接矩量显式计算转化为间接矩量隐式计算,将主导极点的抽取转化为主导特征值的抽取,并对系统近似误差限和程序自动终止准则进行了分析计算。在此基础上,给出了独立于频率之外的简化等效电路模型,得到了解耦电阻电感参数,并通过计算实例验证了该方法的正确性。该文的研究成果克服了AWE等直接矩量显式计算只能提取有限几条缩减支路的不足,极大提高了模型缩减方法的有效性和普适性。

渐近波形估算方法在金属导体部分元等效电路模型缩减中的应用

利用部分元等效电路(PEEC)对金属导体进行建模后,通过对角解耦求取系统缩减等效电路时会耗费大量的计算时间和计算机资源。因此,本文根据缩减系统总导纳和原始电路总导纳相等的关系,将两种情况下的总导纳对复频率s进行幂级数展开并令对应的系数相等,得到了以解耦缩减等效电路参数为未知量的非线性方程。在此基础上,利用渐近波形估算方法(AWE)对系统进行缩减处理,给出了考虑集肤效应时独立于频率之外的解耦缩减等效电路模型,得到了对应的电阻及电感参数,并通过算例验证了该缩减方法的正确性。本文研究成果为PEEC方法和AWE模型缩减方法的广泛应用奠定了基础,具有较重要的理论和工程应用价值。

一种改进部分元等效电路模型及其在互连封装分析中的应用

提出了一种改进的部分元等效电路模型 ,它以矢量磁位的积分表达式和洛仑兹规范代替了矢量磁位和标量电位的积分表达式 ,对积分方程进行展开 .避免了复杂介质结构中的电容矩阵提取 ,节省了计算时间 .同时 ,它以描述系统的改进节点法方程 ( MNA)代替了具体的等效电路 .该模型可方便地嵌入更大的系统进行分层次的综合分析 .数值计算的结果与文献值吻合较好 。

混合电磁结构磁性部分元等效电路建模技术

磁性材料在电磁结构中广泛应用,而传统(标准)部分元等效电路(partial element equivalent circuit,PEEC)方法对包含磁性材料的各种结构进行分析已无能为力。该文提出了基于几何平均距离和空间磁介质均匀化处理的磁性PEEC建模方法(magnetic PEEC,MagPEEC),根据磁性材料边界单元切向磁通密度在边界两边的关系得到了载流磁性材料表面磁化面电流和传导电流的耦合系数矩阵,给出了仅用传导电流表示的系统方程。对矩形单元之间、矩形单元与线单元之间、线单元与线单元之间的各种几何平均距离(geometrical mean distance,GMD)进行了分析,得到了相应的计算公式,在此基础上导出了平均切向磁感应强度的计算公式,并应用于磁性材料的MagPEEC建模。通过有限元(finite element method,FEM)方法对两邻近金属板的新型MagPEEC建模方法进行了验证。

印制电路板射频线圈的部分元等效电路研究

印制电路板(PCB)射频线圈具有性能优良、占用空间少且制作工艺简单的特点,常用于无线电能传输以及单边核磁测井等领域。为分析线圈性能,需计算交流电阻、电感以及射频磁场分布。由于PCB线圈铜线厚度与外围尺寸跨度大,尤其在考虑金属涡流时,常规有限元软件与解析法在处理这种多尺度电磁场问题时的计算速度与精度无法达到要求。在0.5~15MHz频率范围内,该文采用部分元等效电路(PEEC)法计算金属涡流下PCB线圈(铜厚为35μm)的阻抗与射频磁场分布。建立平面矩形螺旋PCB线圈的PEEC模型;通过计算结果与实测结果对比,总结给出PEEC剖分参数选取方法;分析PEEC模型下线圈的磁场分布;最终实现金属涡流下PCB线圈的阻抗与射频磁场的准确且快速计算。该文工作可为应用于无线电能传输以及单边核磁测井等领域的PCB线圈分析提供参考。

基于低频部分元等效电路法的共地干扰

基于低频部分元等效电路(PEEC)模型计算接地回路电流和电势分布,研究分析了共地传导干扰机理。基于混合位积分方程建立了低频PEEC模型,并与边界元方法的结果对比验证其准确性。基于PEEC模型实现对导体中三维电流分布的计算,获得了典型大导体接地回路的电流分布,分析了频率对电流分布的影响特性。结果表明,地导体中电流分布主要集中在接地极附近,两接地极间会由于电感感抗的影响而呈现出电势差,揭示了接地回路中的共地传导干扰机理,建立的PEEC模型能够有效应用于共地干扰分析与抑制。

基于重叠型区域分解的部分元等效电路算法

部分元等效电路(PEEC)是一种用于联合分析场和电路的全波工具,但是其直接求解方法不适合大规模复杂结构。基于两个子域的区域分解方案,本文提出了一种基于重叠型区域分解的部分元等效电路的组合算法(PEEC-2ODDM)。该算法建立两个子域上的等效网络,利用子网络间的受控电压源实现子区域间耦合作用,并通过区域间迭代以实现较大规模的全局PEEC分而治之求解。一个简单的微带传输线结构验证了该算法的可行性和有效性。

基于部分元等效电路的外旁通柜寄生参数分析

外旁通柜是ITER整流电源系统中进行过流和过压保护的重要设备。由于寄生参数的存在,会造成并联支路分流不均,导致个别器件过载而影响整个设备的运行。论文利用部分元等效电路(PEEC)方法,对外旁通柜进行了电路建模和寄生参数计算。最后通过仿真和实验对计算结果进行了验证,表明该方法对外旁通柜寄生参数的分析是正确并且有效的。

提取近场扫描天线等效电路参数的一种新方法

提出了一种新的提取近场扫描天线等效电路参数方法。利用静电场与静磁场有限元分析方法结合无限元技术,分别计算了近场扫描天线线圈等效电路的电容和电感数值。考虑到线圈很薄,网格无法精细划分影响计算结果,采用插值推算法获取更精确数值。计算结果与HFSS仿真数据误差小于1.3%。与高频仿真软件相比,所提出的方法没有高频方法的低频奇异问题,这为处理低频问题提供非常重要的计算手段,弥补了高频有限元法在低频段的不足。最后通过对有限元网格、边界球半径以及无限元区域厚度的讨论,研究对计算结果的影响和变化规律将对有限元仿真分析设定参数提供参考依据。

计及部分电容的接地回路高频电路模型

建立相对精确的接地回路电路模型,研究接地回路的阻抗频率特性,对研究接地回路的传导干扰具有重要意义。首先建立了一个大尺寸的接地回路实物模型,运用PEEC方法求出各部分参数并建立了考虑部分电容作用的等效电路模型。实测和仿真的阻抗频率特性非常吻合,证明用PEEC方法分析研究大尺寸接地回路的高频阻抗特性是可行的,拓展了PEEC方法的应用领域。另外,在用HP4395A阻抗分析仪测量高频阻抗频率特性时,为屏蔽外界电磁干扰,应该对被测模型加屏蔽罩并可靠接地。

基于PEEC法的发电机定子绕组线棒高频电路模型

建立合理的电机定子绕组电路模型,对于研究定子绕组绝缘局部放电信号的传播规律,了解局部放电信号的特征具有重要意义。部分元等效电路(PEEC)法是基于电磁场方程推导出来的等值电路模型,能够对一些用传统方法难以建模的复杂物理结构建立合理的电路模型,并且所建模型可以方便地与其它模型(比如传输线模型)综合连接、计算仿真,该方法还能够综合考虑外部测量电路的影响,在集成电路高频电路模型建立中有广泛的应用。本文采用PEEC法原理,建立了电机定子绕组单根线棒高频电路模型和双根线棒的耦合传播模型,此方法克服了以往多导体均匀传输线理论在电机定子绕组电路模型建立中的不足。模型中的部分电感、部分电容等参数由PEEC原理结合相关计算软件求得。模型的仿真计算与实验结果比较,证实了所建模型的有效性及参数的准确性。

基于PEEC方法的平面电路EMC问题分析

提出了基于部分元等效电路 (PEEC)方法求解印制板电路电磁兼容问题的新方法 .即将印制板电路的辐射问题分为两步 :(1 )用部分元等效电路的方法确定印制板导体上的场源 (电流 )分布 ;(2 )将所有电流元的辐射场进行叠加求总的辐射场 .文中对上述方法进行了分析 ,在此基础上通过一个对称电路和一个非对称电路的辐射场计算 ,提出了一些工程设计中减小辐射的设计准则 .

基于三角面元剖分的全波信号完整性建模方法

推导了一种采用三角面元剖分和RWG(Rao-Wilton-Glisson)基函数的部分元等效电路(PEEC)方法,在此方法中采用了离散复镜像(DCIM)来计算格林函数。对于有拐角的印刷电路板(PCB)走线,同传统PEEC的四边形剖分方法相比,采用RWG基函数定义的三角形剖分方法有更高的计算精度和计算效率;不同于一般的使用准静格林函数的PEEC方法,在高频条件下,采用离散复镜像的PEEC方法的计算结果依然准确,并可以兼容HSPICE仿真信号完整性(SI)问题。给出了联合使用PEEC和HSPICE仿真得到信号眼图的结果,将实际PCB板走线S参数的仿真结果和测量结果进行了对比。实验结果表明:RWG-DCIM-PEEC是一种有效的SI仿真与分析方法。

基于PEEC的WPT系统磁芯结构建模

磁耦合机构作为无线电能传输的核心部分,直接决定系统的传输性能。目前广泛采用加装磁芯来提高耦合机构的传输性能。然而加入磁芯后,线圈与磁芯的融合建模及协同设计问题,目前多依赖于电磁仿真软件及二维分区建模,该方法无法量化磁芯参数对系统传输性能的作用。此处基于部分元等效电路(PEEC)对磁芯进行建模,根据磁性材料特性分别从涡流、磁化强度两方面构建磁芯二元模型,并引入退磁因子对磁化强度模型进行修正。基于电场积分方程构建了以磁芯涡流、节点电压和磁化强度为未知量的解决矩阵,实现了线圈与磁芯融合建模。在融合建模的基础上,基于矢量磁位提取了带芯线圈的自感系数,将建模结果与商用仿真软件及实验进行对比,其误差控制在5%以内,验证了建模结果的准确性。带芯线圈自感参数量化了磁芯对线圈的附加耦合作用,为磁芯结构设计提供理论支撑。

一种分析高速MCM电路中同步开关噪声的方法

提出了一种分析高速 MCM电路系统中电源 /接地板上同步开关噪声的方法 ,即基于部分元等效电路 (PEEC)结合块缩减算法 PRIMA和多端口网络 (电源 /接地板 )的时域宏模型 .通过与平面电路解析公式的结果比较和实例分析高速 MCM电源 /接地板上同步开关噪声 ,结果表明 ,该方法具有参数提取简单、高效率。

共面结构双面印刷电路板的电特性仿真

介绍了一个用于双面印刷电路板电特性分析的软件 ,它以布线软件生成的电路板描述文件、集总参数元件列表文件和芯片 I/O buffer的 IBIS模型文件为输入 ,用部分元等效电路模型对双面板上的导体建模并利用部分高斯消去法进行含非线性元件的电路分析 ,可计算各种激励下的电路响应 .对试验电路板的分析表明 。

部分浸没悬臂平板的声振特性

研究水下结构的声辐射问题时,流体声介质通常被假设为无限域,然而对于大部分水面海洋结构物,则是部分浸没在水中,自由液面的作用不可忽略。通过构造反对称边界条件来考虑自由液面的影响,采用有限元法结合间接边界元法研究水中部分浸没悬臂平板的振动和声辐射特性。首先,计算悬臂平板在不同浸没深度下的固有频率和模态振型,并与已有文献的算例进行对比分析,验证该方法的正确性;然后,对半浸没悬臂板的声辐射特性进行计算,并讨论载荷位置和浸没深度对平板声振特性的影响。研究表明:平板在水中的固有频率随着浸没深度的增加而降低;载荷位置对平板辐射声功率级有影响且和频率有关;平板辐射声功率是随着浸没深度的增加而增大,低频段辐射声功率曲线的峰值随着深度的增大有向低频移动的趋势。

硅衬底RF集成电路中螺旋电感的建模和分析

对硅衬底RF集成电路中的螺旋电感进行电磁场建模 ,考虑了衬底损耗效应 ,并通过电路分析和网络分析技术得到了二端口简化电感模型 .该模型在特定的截止频率以下可提供可靠的电路系统仿真 .利用该模型分析了硅衬底的损耗对螺旋电感品质因素 (Q)的影响 .