混合FDTD法腔体屏蔽中的应用研究

论文摘要

随着科学技术的快速进步与发展,电磁干扰问题在日趋复杂的电磁环境中变得越来越重要。电磁脉冲对电子设备以及电力系统的干扰,不仅降低了电子设备的工作性能,还可能对一些比较敏感的电子设备造成毁灭性的破坏。为了避免敏感的电子设备耦合大量的电磁能量,一般情况下,敏感设备都由金属腔体封闭,用以切断电磁干扰路径、屏蔽外界复杂的电磁干扰信号。但是,在使用金属腔体进行屏蔽时,并不能将腔体内部与外界电磁信号完全隔离,因为腔体表面一般不可避免的开有孔缝或孔阵,用于与外界元器件的连接、通风或散热。而这些开孔必然会引入电磁耦合,造成电磁泄露,降低金属腔体的屏蔽作用。因此,我们需要对屏蔽腔体上的孔缝以及孔阵引起的电磁耦合做出精确预测,从而在设计中使屏蔽腔体内的电路元件及电子系统布局更加合理,使敏感元器件避开具有强电磁耦合的区域,以提高电子设备的抗干扰能力。FDTD方法由于其直接的时域求解、直接计算宽带响应以及一次计算可以得到全频域的结果等优点,已被广泛的应用于三维金属结构屏蔽效能的分析。使用FDTD方法对含有孔缝的屏蔽腔体进行有效的建模,本文即对孔缝的建模方法进行了深入的分析。对现有几种子网格模型进行了对比,验证了它们各自的精度。将细缝子网格模型算法用于腔体的屏蔽效能计算中,将数值计算结果与实际测量结果进行了对比,验证了算法的有效性和精确性。子网格模型应用简单,不仅降低了计算的复杂度,而且也节省了计算时间和所需内存。在对金属腔体屏蔽效能的研究中,本文提出了一种表征腔体屏蔽效能的新形式—腔体平均屏蔽效能。该定义打破了以往测量法和数值计算方法仅仅局限于描述腔体内某单一采样点屏蔽效能的局限性,提出的腔体平均屏蔽效能的定义更能描述整个腔体的屏蔽效能变化规律,更具普遍性和一般性。针对细缝的子网格模型技术,本文对含有孔缝的屏蔽腔体进行了建模仿真,使用Fortran结合MATLAB编程完成了仿真计算。论文分析了不同入射脉冲参数、不同脉冲极化角、不同细缝个数、不同细缝位置、不同细缝宽度、腔体表面开有不同孔阵、不同腔体尺寸以及不同观察点对金属腔体屏蔽效能的影响,给出了不同情况下确定的屏蔽效能曲线。通过仿真结果,提出了常用屏蔽腔体的最佳设计方案,为屏蔽腔体的防护设计提供了可靠的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 有孔金属腔体屏蔽效能的研究进展
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 内容结构安排
• 2 FDTD 方法的基本原理
• 2.1 时域有限差分方程
• 2.1.1 Maxwell 方程与本构关系
• 2.1.2 差分的基本概念
• 2.1.3 Yee 网格及差分方程的建立
• 2.2 数值色散与稳定性分析
• 2.3 FDTD 法计算区域的划分
• 2.4 吸收边界条件
• 2.4.1 吸收边界条件概述
• 2.4.2 PML 吸收边界条件
• 2.5 入射波激励源设置
• 2.5.1 激励源的类型
• 2.5.2 入射波的加入
• 3 细缝子网格模型技术
• 3.1 细缝子网格模型的发展
• 3.2 各种算法的比较
• 3.3 细缝子网格模型及其验证
• 4 FDTD 方法在电磁屏蔽中的研究
• 4.1 电磁屏蔽理论与技术
• 4.1.1 电场屏蔽
• 4.1.2 磁场屏蔽
• 4.1.3 电磁屏蔽
• 4.2 金属腔体屏蔽效能的研究
• 4.2.1 传统屏蔽效能
• 4.2.2 屏蔽效能的新形式
• 5 有孔腔体屏蔽效能的研究及应用
• 5.1 模型建立
• 5.2 数值验证
• 5.3 腔体屏蔽效能的计算结果分析与讨论
• 5.3.1 不同入射脉冲的情况
• 5.3.2 不同极化角的情况
• 5.3.3 不同细缝位置的情况
• 5.3.4 不同细缝个数的情况
• 5.3.5 不同细缝宽度的情况
• 5.3.6 不同阵列的情况
• 5.3.7 不同观察点分布的情况
• 5.3.8 不同腔体尺寸的情况
• 5.4 屏蔽腔体的最佳设计方案
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目
• 详细摘要