基于散射参数和智能算法的EMI噪声源阻抗等效参数提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于散射参数和智能算法的EMI噪声源阻抗等效参数提取方法。本方法基于散射参数原理，使用矢量网络分析仪和两个电流探头，分别测量短路、加载标准电阻、加载噪声源阻抗时的传输参数和反射参数，从而计算得到被测噪声源的阻抗。然后利用智能算法中的GA算法对被测阻抗的幅频和相频特性进行寻优处理，最终得到阻抗的等效RLC参数，并给出阻抗的幅值和相位的一般表达式。本发明专利技术仪器精简，无需使用辅助模块，降低了由信号源和频谱仪等辅助模块引起的硬件误差；并且用GA算法估计参数，避免了牛顿-高斯、麦夸特法等方法需要给定参数初始值的问题，测量的精度提高，为EMI滤波器的设计提供了准确的参考依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电磁兼容
，具体是指使用散射参数（S参数）法和智能算法中 的遗传算法（Genetic Algorithm，GA)对传导电磁干扰（Electromagnetic Interference， EMI)噪声源阻抗等效参数进行提取的方法。
技术介绍
近年来，随着电子设备中高频电力电子器件和大规模集成电路芯片的广泛采用， 其产生高频噪声通过电源端口传输至电网，使得电力线上产生的EMI问题日趋严重，影响 电网的稳定及其他电子设备的正常运行；同时，该高频噪声还会以电磁场的形式向空间传 播，对周围其他电子设备产生电磁冲击。传导电磁干扰EMI噪声为系统内部各种电子线路、 开关电源、电动机、机械开关和保护器件等的动作所形成的经由电力线传播的电磁干扰噪 声；依据GB 9254,传导EMI噪声的测试频段为0. 15MHz至30MHz。 传导EMI问题的研究通常包括噪声模态分离、阻抗提取和抑制三个步骤。模态分 离是指依据噪声的特性、产生机理和位置的不同，将测量得到的总传导EMI噪声分离为共 模和差模两种分量。阻抗提取是指对噪声源进行分析建模，通过一定的计算方法，得到噪声 源阻抗等效参数的幅值和相位信息，为下一步抑制噪声提供理论支撑；噪声抑制是指用于 降低传导EMI噪声的措施，常用的方法就是设计EMI滤波器。为了较好的抑制EMI噪声，需 要考虑噪声源阻抗与负载阻抗的匹配情况，使设计的滤波器满足最大阻抗失配原则，从而 达到理想的滤波效果。因此，在设计EMI滤波器之前，有必要对噪声源阻抗进行分析和提 取。 现有的传导EMI噪声源阻抗提取方法都存在一些不足：例如谐振法适用频段低、 不具有广泛性；插入损耗法采用近似处理精度低、无法获取阻抗的相位；电流探头法只能 获取某些特定频点的阻抗信息；在处理阻抗幅频和相频特性的非线性数学模型时，通用 的是最小二乘迭代法，如牛顿-高斯、麦夸特法（Levenberg-Marquardt)或简面体爬山法 (Simplex Method)等，它们均可归属于局部最优法，如何有效地确定参数初始值始终是难 以克服的瓶颈，所以一些实际问题可能永远无法获得正解处理。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题，在于克服现有测量方法存在的缺陷，提出了一种较 为完善的传导EMI噪声源阻抗提取方法。通过使用S参数法对噪声源建模并获取阻抗，然 后建立阻抗的等效参数函数对其幅频特性进行处理，最后利用GA全局寻优的特点在传导 发射全频段搜索得到参数最优解，从而得到噪声源的阻抗信息，包括幅值和相位以及等效 LCR参数。 S参数是一种射频矢量参数，用于评估反射信号和传送信号的性能。S参数由两个 复数之比定义，它同时包含有关信号的幅度和相位的信息，能够更加全面的描述网络端口 特性和信号传递过程。单纯的电流探头法需要同时使用信号源和频谱仪，由于信号源输出 是特定频率的信号并通常只考虑幅度；相比之下，S参数法仅使用矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，VNA)，无需使用辅助模块，降低了由辅助模块引起的硬件误差并且考虑 了幅度和相位，测量的精度提尚。 GA是借鉴生物界自然选择和群体进化机制形成的一种全局寻优算法。与传统的优 化算法相比有如下优点：1)不是从单个点，而是从多个点构成的群体开始搜索；2)在搜索 最优解过程中，只需要由目标函数值转换得来的适应值信息，而不需要导数等其它辅助信 息；3)搜索过程不易陷入局部最优。GA在处理非线性数学模型时，对模型是否线性、连续、 可微等没有限制，也不受优化变量数目、约束条件的束缚，直接在优化准则函数的引导下进 行全局自适应寻优，该方法直观、简便、通用、适应性强，至今仍是国内外常用的实施方案。 本专利技术提出的基于散射参数和智能算法的EMI噪声源阻抗等效参数提取方法，采 用矢量网络分析仪和两个电流探头，其步骤是： 第一步：校准矢量网络分析仪后，将一个电流探头作为注入探头接至矢量网络分 析仪的输出端，另一个电流探头作为接收探头接至矢量网络分析仪的输入端，两个电流探 头经线路耦合阻抗与被测噪声源未知阻抗&组成闭合回路； 第二步：移去第一步中的被测噪声源未知阻抗^，使用短路导线代替阻抗Zx，打开 矢量网络分析仪测量散射参数中的反射系数和传输系数，使用矢量网络分析仪的标记功能 设置一系列的频点，得到对应频点的幅值和相位，并记为 第三步：移去第二步中的短路导线，使用标准电阻RSTD代替阻抗2：(，打开矢量网络 分析仪测量散射参数中的反射系数和传输系数，使用矢量网络分析仪的标记功能设置与第 二步中相同的频点，得到对应频点的幅值和相位，并记为5；^、5^ ; 第四步：移去第三步中的标准电阻RSTD，使用被测噪声源未知阻抗Zx代替，打开矢 量网络分析仪测量散射参数中的反射系数和传输系数，使用矢量网络分析仪的标记功能设 置与第二步中相同的频点，得到对应频点的幅值和相位，并记为Sn、S21; 第五步：通过第二步、第三步和第四步得到的散射参数，计算出被测噪声源未知阻 抗zx的唯一解： 第六步：建立阻抗模型函数，推算被测噪声源未知阻抗Zx在全频段的参数表达 式； 第七步：利用GA智能算法，提取被测噪声源未知阻抗Zx的电阻R、电感L和电容 C具体参数，从而确定第六步的阻抗参数表达式，完成得到全频段任一频率的阻抗值及其电 阻R、电感L和电容C参数。 本专利技术将S参数和GA智能算法相结合，提出了一套系统、全面的传导EMI阻抗测 量及等效参数提取方法。首先基于双电流探头和VNA的测试平台，利用S参数法原理，推 导出了 EMI阻抗的通用表达式；然后基于GA算法对阻抗的幅值和相位进行数据处理，避免 了牛顿-高斯、麦夸特法等方法需要收敛性好的迭代公式和给定参数初始值的问题，直接 在优化准则函数的引导下进行全局自适应寻优，从而搜索得到全局最优的RLC等效参数， 其软件程序通用性强，自动化程度高，测量的精度提高，且算法的控制参数设置简便，为EMI 滤波器的设计提供了准确的参考依据。综上，本专利技术的方法能够解决噪声源阻抗的非线性 问题，得到传导发射全频段传输阻抗及其具体参数，从而设计出滤波性能良好的EMI滤波 器，达到较好的噪声抑制效果。同时，本专利技术所用仪器精简，无需使用辅助模块，降低了由信 号源和频谱仪等辅助模块引起的硬件误差。【附图说明】 图1为本专利技术EMI噪声源阻抗提取实验布置图； 图2为本专利技术EMI噪声源阻抗提取等效电路； 图3为本专利技术EMI噪声源阻抗提取简化电路图； 图4为Boost电路阻抗等效结构图； 图5为短路导线代替被测阻抗时，反射系数#1的值，包括幅值和相位； 图6为短路导线代替被测阻抗时，传输系数@的值，包括幅值和相位； 图7为精密、型LCR仅标定后的20 Ω标准电阻的幅频特性曲线； 图8为精密型LCR仪标定后的20 Ω标准电阻的相频特性曲线； 图9为人工电源网络阻抗幅值的实测标准值与本专利技术的3次计算值对比图； 图10为人工电源网络阻抗相位的实测标准值与本专利技术的3次计算值对比图。【具体实施方式】 本专利技术以上步骤的具体推算过程为： 1、基于S参数的噪声源阻抗建模： 运用两个电流探头，一个作为注入探头接至VNA的输出端，另一个作为接收探头 接至VNA的输入端，两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于散射参数和智能算法的EMI噪声源阻抗等效参数提取方法，采用矢量网络分析仪和两个电流探头，其步骤是：第一步：校准矢量网络分析仪后，将一个电流探头作为注入探头接至矢量网络分析仪的输出端，另一个电流探头作为接收探头接至矢量网络分析仪的输入端，两个电流探头经线路耦合阻抗与被测噪声源未知阻抗ZX组成闭合回路；第二步：移去第一步中的被测噪声源未知阻抗ZX，使用短路导线代替阻抗ZX，打开矢量网络分析仪测量散射参数中的反射系数和传输系数，使用矢量网络分析仪的标记功能设置一系列的频点，得到对应频点的幅值和相位，并记为第三步：移去第二步中的短路导线，使用标准电阻RSTD代替阻抗ZX，打开矢量网络分析仪测量散射参数中的反射系数和传输系数，使用矢量网络分析仪的标记功能设置与第二步中相同的频点，得到对应频点的幅值和相位，并记为第四步：移去第三步中的标准电阻RSTD，使用被测噪声源未知阻抗ZX代替，打开矢量网络分析仪测量散射参数中的反射系数和传输系数，使用矢量网络分析仪的标记功能设置与第二步中相同的频点，得到对应频点的幅值和相位，并记为S11、S21；第五步：通过第二步、第三步和第四步得到的散射参数，计算出被测噪声源未知阻抗ZX的唯一解：ZX=RSTD·1+S11S21-1+S11(0)S21(0)1+S11(1)S21(1)-1+S11(0)S21(0)]]>第六步：建立阻抗模型函数，推算被测噪声源未知阻抗ZX在全频段的参数表达式；第七步：利用GA智能算法，提取被测噪声源未知阻抗ZX的电阻R、电感L和电容C具体参数，从而确定第六步的阻抗参数表达式，完成得到全频段任一频率的阻抗值及其电阻R、电感L和电容C参数。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵波，闫景瑞，马宇明，赵敏，
申请(专利权)人：江苏省计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32