微波脉冲与带缝非金属腔体、金属腔体耦合的研究

论文摘要

孔缝耦合问题是高功率微波应用和系统抗高功率微波加固以及电磁兼容系统研究的关键问题。本文采用基于时域有限差分方法的数值模拟软件研究了微波脉冲与带缝非金属腔体、金属腔体的耦合过程。微波脉冲进入带缝非金属腔体的途径主要有两种,一种是通过孔缝耦合进入腔体,另一种是通过腔体的介质壁耦合进腔体。本文对微波脉冲与带缝非金属腔体耦合过程进行了数值模拟研究,发现已有的微波脉冲与带缝金属腔体耦合的一些结论对带缝非金属腔体仍然适用:微波脉冲与带缝非金属腔体耦合过程中出现脉宽展开现象、群时延现象和极化特性,但随着介电常数的增大现象更加明显;随着腔壁厚度的增大,腔体内耦合峰值场强和耦合峰值功率都减小;随着孔缝面积的增大,透过孔缝截面的耦合功率峰值增大,面积一定时,耦合功率峰值随纵横比的增大而增大。同时,得到了一些新的结论:利用耦合函数给出了系统内部耦合场的分布特性,对于非金属体在孔缝内的耦合场出现衰减,而对于金属腔体在孔缝中心处出现场增强。低介电常数时,非金属腔体内没有发生频谱分离现象,孔缝中心也没有出现共振效应,且进入腔体的耦合场衰减较快,而金属腔体内的耦合场衰减很慢,且出现明显的频谱分离现象和共振效应。高介电常数时,腔体中心出现了明显的频谱分离现象,孔缝中心出现了多峰共振效应,其它参数不变时,共振频率随介电常数的增大而减小,但金属腔体中共振频率只与孔缝尺寸有关。对于非金属腔体耦合场在较高频段上衰减较大,在较低频段上衰减较小,近似于低通,且介电常数变大时衰减较大的频域范围变大,而对于金属腔体只有共振频率点附近频带的微波才能容易通过,近似于带通;随着介电常数持续增加,介质腔体中心的时域场耦合系数先增大再减小,孔缝中心的时域场耦合系数逐渐减小,并趋向于金属腔时相应的耦合系数。在一定范围内,非金属腔体的电导率对介质腔系统耦合特性的影响很小,随着电导率的增大,腔体内耦合场时域电场峰值及耦合功率峰值都小幅减小。在微波频率5GHz,介电常数εr<15,孔缝面积S<4.0cm2,厚度H<10cm时,由孔缝耦合进入腔体的微波耦合功率峰值比耦合进腔体的总功率峰值小的多,但随着介电常数、孔缝面积及腔壁厚度的增大,由孔缝耦合进入腔体的耦合功率峰值占总耦合功率峰值的比重越来越大。本文最重要的贡献之一就是研究了微波脉冲与带缝金属腔体的耦合过程,发现矩形窄缝耦合存在多峰共振现象这个新结论。通过数值模拟得到了多峰共振条件公式为:fn= （2n + 1） c/2a , n= 0,1,2....;此公式是对前人得到的单峰共振条件公式的推广,并利用互补天线原理求解了窄缝的多峰共振公式。结果表明,理论推导与数值模拟得到的结论是一致的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及研究现状
• 1.2 课题研究意义和主要内容
• 1.3 课题研究工作的主要贡献
• 第二章 时域有限差分法
• 2.1 差分的基本概念
• 2.2 时域有限差分法的物理学基础
• 2.3 时域有限差分法的基本算法
• 2.4 解的稳定性条件
• 2.4.1 时间离散间隔的稳定性要求
• 2.4.2 Courant 稳定性条件
• 2.4.3 数值色散对空间离散间隔的要求
• 2.5 亚网格技术
• 2.6 吸收边界
• 2.6.1 Engquist-Majda 吸收边界条件
• 2.6.2 二维Mur 吸收边界条件的FDTD 形式
• 2.6.3 计算区域的角点处理
• 2.6.4 吸收边界效果
• 2.7 小结
• 第三章 微波脉冲与带缝非金属腔体耦合的数值模拟研究
• 3.1 微波脉冲与带缝非金属腔体耦合的物理模型
• 3.2 微波脉冲与带缝非金属腔体耦合的物理过程研究
• 3.2.1 入射脉冲及参考入射波
• 3.2.2 微波脉冲与带缝非金属腔体的耦合场分析
• 3.3 微波脉冲与带缝非金属腔体耦合特性的研究
• 3.3.1 耦合函数
• 3.3.2 腔体内的耦合场分析
• 3.4 相对介电常数对系统耦合特性的影响
• 3.4.1 相对介电常数对脉宽展开现象和群时延现象的影响
• 3.4.2 相对介电常数对耦合场场强的影响
• 3.4.3 高介电常数时的系统耦合特性
• 3.4.4 相对介电常数对进入腔体耦合能量的影响
• 3.5 孔缝尺寸对系统耦合特性的影响
• 3.5.1 孔缝尺寸对系统耦合场的影响
• 3.5.2 矩形孔缝尺寸对系统耦合功率峰值的影响
• 3.6 腔体厚度对系统耦合特性的影响
• 3.6.1 腔体壁厚度对系统耦合场的影响
• 3.6.2 腔体壁厚度对进入腔体内部耦合场功率峰值的影响
• 3.7 电导率对系统耦合特性的影响
• 3.7.1 电导率对耦合场强的影响
• 3.7.2 电导率对腔体内耦合总功率峰值的影响
• 3.8 小结
• 第四章 微波脉冲与带缝金属腔体耦合的多峰共振特性研究
• 4.1 微波脉冲与带缝金属腔体耦合的物理模型
• 4.2 模拟结果及分析
• 4.3 多峰共振公式的理论推导
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表论文情况