本发明属于电气和电子设备中任意形状的耦合空心线圈的快速设计方法，尤其涉及一种适用于形状任意的空心耦合线圈的频响特性快速计算方法。
背景技术：
1、相互耦合的线圈在电气设备中有着重要作用，且近些年来得到了广泛的应用。耦合线圈是一种应用电磁感应原理，将电能从一种电路传输到另一电路的电磁装置。在交流电路中，耦合线圈起到电气隔离、功率传输、电压变换等作用。如连接两部分电路的信号传输，即前级信号通过它送至后级电路，与电容组成串联或并联谐振回路，用于选频电路等，在发射线圈上加高频电压，产生变化的磁场，被接收线圈接收后，经其谐振网络将相应频率的电信号选择放大。发射线圈和接收线圈两边的电压变换比等于其绕组匝数比。在一些特殊的电路中，耦合线圈可以充当电子设备的保护器，防止电压过高或过低对设备造成损坏，同时也可以隔离相互干扰的两个电路，保证电子设备的正常工作。常见的应用场景有供电系统，无线电通信系统，电子设备等。因此，耦合线圈是一种重要的电子元件，在电磁能量传输和转换、信号传输和隔离、电子设备保护等方面都有着广泛的应用。了解并熟练运用结构任意的耦合线圈的快速设计方法，对于电气和电子领域的从业者和爱好者有非常重要的意义。
2、然而，目前并无适用于结构任意的耦合线圈的快速计算和设计方法。目前大部分的线圈绕线截面尺寸较小(线径通常小于0.1mm)、线圈的骨架较大(尺寸大于绕线线径的上千倍)，绕线的匝数多为上百上千匝。这种情况下，很难用电磁仿真软件和一般的计算机来计算线圈各个电磁参数。而基于理论推导的计算公式仅适用于骨架为圆柱或者圆环形状的线圈，而不适用于任意结构的耦合线圈，通用性差。因此，一种适用于结构任意的耦合线圈的快速计算方法，对于电子和电气领域的从业者和爱好者有非常重要的意义。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种计算方便、计算精度高、计算周期短的一种适用于形状任意的空心耦合线圈的频响特性快速计算方法。
2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于形状任意的空心耦合线圈的频响特性计算方法，包括：
3、以耦合线圈附近某一点为坐标原点建立三维直角坐标系，将相互耦合的线圈分别分为若干个线匝单元，按照电流在线圈内的流向依次对每个线匝单元进行编号，将其中一个耦合线圈的一端作为参考电位，得到每一个线匝单元的空间参数方程；
4、基于每个线匝单元的空间参数方程和线匝几何形状尺寸，计算每个线匝单元的自感和受频率影响的考虑集肤效应和临近效应的电阻，计算任意两个线匝单元间的互感和电容；
5、基于每个线匝单元的自感和受频率影响的考虑集肤效应和临近效应的电阻及任意两个线匝单元间的互感和电容得到两个相互耦合线圈中的耦合线圈一的每个线匝单元的电压和支路电流与线圈一和线圈二其他线匝单元的第一电气关系式，其中，线圈二表示两个相互耦合线圈中的另一个线圈；
6、基于每个线匝单元的自感和受频率影响的考虑集肤效应和临近效应的电阻及任意两个线匝单元间的互感和电容得到两个相互耦合线圈中的耦合线圈二的每个线匝单元的电压和支路电流与线圈一和线圈二其他线匝单元的第二电气关系式；
7、将耦合线圈一的第一电气关系式和耦合线圈二的第二电气关系式转变为矩阵方程式的形式；
8、根据两个相互耦合线圈的端口条件，得到矩阵方程式的边界条件；
9、将矩阵方程式经过转变化简为表示线圈端口电压和端口电流关系式的方程，根据线圈端口电压和端口电流关系式的方程得到相互耦合的线圈的端口频响特性。
10、在一些可选的实施方案中，耦合线圈一中每个线匝单元的电压和支路电流与线圈一和线圈二其他线匝单元的电气关系式为：
11、
12、pi(i≥2)：
13、
14、其中，p1代表耦合线圈一的第一个线匝单元，下标pi代表耦合线圈一的第i个线匝单元，下标sj是耦合线圈二的第j个线匝单元，ipi和vpi(i≠0)分别表示线圈一中第i个线匝单元的支路电流和第i个线匝单元末尾端点电压，isi和vsi(i≠0)分别表示耦合线圈二中第i个线匝单元的支路电流和第i个线匝单元末尾端点电压，mpi，pj是耦合线圈一的第i个线匝单元和第j个线匝单元间的互感，cpi，pj是耦合线圈一的第i个线匝单元和第j个线匝单元间的电容，cpi，sj是耦合线圈一的第i个线匝单元和线圈二的第j个线匝单元间的电容，zpi是耦合线圈一的第i个线匝单元的阻抗，zpi＝rpi+jωlpi，rpi和lpi分别是耦合线圈一的第i个线匝单元的电阻和自感，n表示耦合线圈一的线匝单元个数，m表示耦合线圈二的线匝单元个数，ip是耦合线圈一的输入电流。
15、在一些可选的实施方案中，耦合线圈二中每个线匝单元的电压和支路电流与线圈一和线圈二其他线匝单元的第二电气关系式为：
16、
17、si(i≥2)：
18、
19、其中，msi，sj是线圈二的第j个和第i个线匝单元间的互感，msi，pj是耦合线圈二的第i个线匝单元和耦合线圈一的第j个线匝单元间的互感，csi，sj是耦合线圈二的第i个线匝单元和第j个线匝单元间的电容，cs(i-1)，pj是耦合线圈二的第i-1个线匝单元和线圈一的第j个线匝单元间的电容，zsi是耦合线圈二的第i个线匝单元的阻抗，zsi＝rsi+jωlsi，rsi和lsi分别是耦合线圈二的第i个线匝单元的电阻和自感，is是耦合线圈二的输入电流。
20、在一些可选的实施方案中，所述将耦合线圈一的第一电气关系式和耦合线圈二的第二电气关系式转变为矩阵方程式的形式，包括：其中，
21、
22、
23、
24、
25、
26、
27、在一些可选的实施方案中，由将耦合线圈一的第一电气关系式和耦合线圈二的第二电气关系式转变为矩阵方程式的形式。
28、在一些可选的实施方案中，根据线圈的端口条件，若是耦合线圈一连接阻抗分析仪，耦合线圈二短接，则边界条件为is＝0，zpp＝vpn/ip，zpp是耦合线圈一的输入阻抗，vpn和ip分别是耦合线圈一的端口电压和输入电流。
29、在一些可选的实施方案中，由将矩阵方程式经过转变化简为表示线圈端口电压和端口电流关系式的方程，其中，d[(n+m)，1]＝(q(n+m)×(n+m))-1a(n+m)×1。
30、在一些可选的实施方案中，由得到耦合线圈一的端口频响特性。
31、按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
32、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
33、本发明的一种适用于具有任意结构的耦合空心线圈的端口频响特性快速计算方法，通用性强，可计算具有密细绕线任意分布的任意结构的耦合线圈的端口频响特性快速计算方法。计算方便，不需要借助有限元等其他计算软件；易于编制程序进行计算，节省设计时间；计算过程中没有经验公式，计算精度高。
34、其能解决现有常见的电磁仿真软件无法对密细绕线(匝数常常为几千匝，漆包线线径常常小于0.1mm)的线圈进行网格刨分计算的问题，以及现有的理论计算方法仅适用于理想的特定情况，不适用于当形状任意的耦合线圈的问题。
1.一种适用于形状任意的空心耦合线圈的频响特性计算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，耦合线圈一中每个线匝单元的电压和支路电流与线圈一和线圈二其他线匝单元的第一电气关系式为：p1:
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，耦合线圈二中每个线匝单元的电压和支路电流与线圈一和线圈二其他线匝单元的第二电气关系式为：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将耦合线圈一的第一电气关系式和耦合线圈二的第二电气关系式转变为矩阵方程式的形式，包括：其中，
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由将耦合线圈一的第一电气关系式和耦合线圈二的第二电气关系式转变为矩阵方程式的形式。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据线圈的端口条件，若是耦合线圈一连接阻抗分析仪，耦合线圈二短接，则边界条件为is＝0，zpp＝vpn/ip，zpp是耦合线圈一的输入阻抗，vpn和ip分别是耦合线圈一的端口电压和输入电流。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，由将矩阵方程式经过转变化简为表示线圈端口电压和端口电流关系式的方程，其中，d[(n+m),1]＝(q(n+m)×(n+m))-1a(n+m)×1。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由得到耦合线圈一的端口频响特性。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
