Circuit models of shielded single and multiconductor cables for EMC analyses

Abstract

In dieser Arbeit werden neuartige Schaltungsmodelle für Koaxialkabel mit Geflechtschirm über einer Masseebene vorgestellt. Die Modelle sind aus der Leitungstheorie abgeleitet und eignen sich zur Integration in SPICE-Simulationsprogramme. Es werden zwei Arten von Modellen vorgestellt. Zuerst wird ein konzentriertes Schaltungsmodell (lumpedcircuit model) erklärt, bei dem das Kabel in kleine Abschnitte unterteilt ist, wobei jeder Abschnitt durch ein Ersatzschaltbild ersetzt wird. Dann wird aus den analytischen Lösungen der Leitungstheorie ein Makromodell entwickelt, welches das gesamte Kabel ohne Diskretisierung darstellt. Diese Arbeit demonstriert die Effizienz des Makromodells in Bezug auf Rechenzeit und Genauigkeit im Vergleich zum konzentrierten Schaltungsmodell. Die entwickelten Schaltungsmodelle können die eingekoppelte Spannung an den Abschlüssen des Kabels berechnen, wenn eine einfallende ebene Welle in das Kabel eingekoppelt wird. Diese Modelle können auch die Kopplungen aufgrund von Störungen durch konzentrierte Quellen berechnen. Die entwickelten Modelle eignen sich daher für die Schaltungs-EMVAnalyse von Systemen, die geschirmte Kabel enthalten und anfällig für Feldeinkopplungen oder Störungen mit anderen Systemen sind. Die bidirektionale Kopplung zwischen der Innen- und Außenseite des Kabelschirms wird berücksichtigt, was die Analyse der Störfestigkeit und der Emission ermöglicht. Die mathematischen Funktionen zur Berechnung der Kopplung zwischen dem inneren und dem äußeren System des Kabels werden in Ersatzschaltungen umgewandelt, die den Einsatz der Modelle im Frequenzbereich oder zusammen mit nichtlinearen Elementen im Zeitbereich ermöglichen. Die entwickelten Modelle für ein einadriges geschirmtes Kabel werden im Rahmen dieser Arbeit für geschirmte mehradrige Kabel erweitert. Die Schaltungsmodelle werden durch Messungen und Feldsimulationen validiert, wobei die Ergebnisse eine sehr gute Übereinstimmung zeigen.

In this thesis, novel circuit models for coaxial cables with braided shields placed above a ground plane are presented. The models are derived from the transmission line theory and are suitable for integration into SPICE simulation programs. Two types of models are presented. First, a lumped-circuit model is developed in which the cable is divided into small sections, with each section replaced with an equivalent circuit and connected to represent the entire cable. In the second type, a macromodel is developed from the analytical solutions of the transmission line theory to represent the entire cable without discretizing it. This work demonstrates the efficiency of the macromodel in terms of computing time and accuracy compared to the lumped-circuit model. The designed models can be used to calculate the induced voltage at the termination loads of the cable when an incident uniform plane wave is coupled in. These models can also calculate the coupling results due to interference from lumped sources. The developed models are therefore suitable for the circuit EMC analysis of systems that contain shielded cables and are susceptible to field coupling or interference with other systems. The bidirectional coupling between the inside and outside of the cable shield is taken into account, which enables the analysis of interference immunity and emissions. The mathematical functions for calculating the coupling between the inner and outer systems of the cable are transformed into equivalent circuit diagrams that allow the models to be used in the frequency domain or together with nonlinear elements in the time domain. The developed models for a single conductor shielded cable are expanded for shielded multiconductor cables within the scope of this work. The circuit models are validated by measurements and field simulations, and the results show excellent agreement.