[发明专利]一种MVB总线网络传输介质模型设计方法

权利要求书

1.一种MVB总线网络传输介质模型的设计方法，包括MVB总线网络传输介质结构数学模型，MVB总线网络传输介质串扰模型及MVB总线网络传输介质电路分布参量模型的设计方型法；所述MVB总线网络传输介质结构数学模型通过一次参数，其包括电缆尺寸、介质参数、线径和工作频率，对二次参数，其包括衰减常数、特性阻抗、回波损耗，进行数学模型建立，并设计二次参数方程进行传输介质结构数学模型的表述，屏蔽双绞线为星型四线扭绞结构，包括传输线1、传输线2、传输线3、传输线4，传输线1，2，3，4外部结构为屏蔽层6，传输线1，2通过扭绞可看作一条传输线7，传输线3，4通过扭绞可看作一条传输线8，外部由屏蔽层5构成；假设内外屏蔽层5，6为圆柱状一致的，D_s为屏蔽内经，r为导体半径，R为双线中心距，R_s1为导体电阻率，R_s2为屏蔽层电阻率，其中D_s＝2R；

传输线传播常数γ的定义为:

由于MVB总线信号传输频率很高，满足R₀＜＜ωL₀,G₀＜＜ωC₀，可得：

则衰减常数α为：

式中α_d，α_c分别为介质损耗及导体损耗所导致的衰减常数部分，可以得出二次参数α由一次参数R₀,G₀,C₀,L₀决定；

可知由介质损耗所引起的介质损耗为：

根据MVB总线网络传输介质结构数学模型可知一次参数微小段电阻R₀值为：

其中导体的表面电阻率为R_S1＝R_k1f^1/2Ωm，屏蔽层电阻率为R_S2＝R_k2f^1/2Ωm，τ为介质厚度，f为频率；

波阻特性Z_o值为：

将a＝R/r,b＝R/D_s代入上式可以进一步简化为：

可得介质损耗所引起的介质损耗为：

由导体损耗所导致的衰减部分为：

则得到MVB总线网络屏蔽双绞传输线总衰减为:

总衰减可表示为:

由MVB总线电缆的衰减常数，可以得出MVB双绞传输线的衰减特性取决于屏蔽双绞线的长度、线径、电阻率、频率参数；

所述MVB总线网络传输介质串扰模型将屏蔽双绞线看作一对长度为l的均匀的线对，其中x₀,x₁,x₂,x₃代表绞线对上的位置，U(x),I(x)对应位置x处的电压及电流，对间的串扰电压进行分析，其中传输线11与传输线10扭绞，外部为屏蔽层9；为了解决屏蔽双绞线的非均匀性及微分方程求解难的问题，通过采用双端口ABCD网络模型，建立电压及电流参数分布方程为：

通过屏蔽双绞线的电压及电流参数分布确立其分布方程为：

式中ψ(l)为ABCD参数矩阵，P为置换矩阵，参数矩阵ψ(l)为：

式中Z_l为传输线的特性阻抗，γ为传输线传播常数，置换矩阵P为：

根据IEC标准，MVB电缆每米的绞数不应小于12；则取每米绞数为12，并假设MVB传输电缆为lm，则共有l/12个绞环，通过引入置换矩阵P可得长度为lm双绞线的ABCD参数矩阵为：

因此，MVB总线电缆的电压及电流参数分布方程为：

可得串扰电压为：

U_l＝U₀(l)-U₁(l)＝I₀(l)Z_l0-I₁(l)Z_l1

上式中Z_l0,Z_l1为负载阻抗，通过串扰电压与电源电压的比值对屏蔽双绞线的抗干扰能力进行分析；

所述MVB总线网络传输介质电路参量模型为了计算方便将由两根线缆绞合而成的非均匀双绞线12，13看作均匀的传输线进行等效处理，即将双绞线分割成许多微元段Δz，每个微元段可看作集中参数电路，用一个Γ型网络14，15来等效，则整个双绞线电缆可等效成按特定方式将多个Γ型网络的级联，根据电路定理得出微元段Δz上的电压电流关系：

为了具有更为普遍的意义，设信源角频率为ω，线上电压及电流皆为正弦时变规律，则

对两端的才t求导带入上式并Z＝R₀+jωL₀,Y＝G₀+jωC₀可得微分方程组为：

其中Z为单位长度线缆的阻抗，Y为单位长度线缆的导纳，对上式两端对z进行求导，得到：

可求得上式通解为

如果已知信源电压及电流分别为U_S,I_S时，可得:c₁＝0.5(U_S+Z₀I_S),c₂＝0.5(U_S-Z₀I_S)I_S，将c₁和c₂的值带入通解，则可求出双绞线z处电压值为U(z)＝U_Schγz-Z₀I_Schγz，电流值为：I(z)＝-U_S/Z₀chγz-I_Schγz；

同理，已知负载端电压及电流为U_L,I_L时，设传输线长度为l，可求得双绞线线上任意位置的电压值为U(z)＝U_Schγ(l-z)-Z₀I_Schγ(l-z)，电流值为：I(z)＝U_L/Z₀chγ(l-z)+I_Lchγ(l-z)；

通过以上对屏蔽双绞线等效电路的分析，可通过信源或者负载电压电流进行双绞线上任意处电压及电流的确定，然后通过串扰模型对传输双绞线进行串扰分析。