时域有限差分法在分析快前沿电磁脉冲模拟器场的传播与分布中的应用

论文摘要

本文对时域有限差分法(FDTD)的基本原理和吸收边界条件进行了讨论,采用FDTD法结合环路积分法,模拟电磁脉冲(EMP)在快前沿有界波模拟器中的传播,研究传输线结构形式对场的传播和场的分布的影响,探讨传输线过渡段夹角变化与场的上升时间的关系,给出了传输线的电磁泄露以及试验大厅墙体对模拟器工作空间电场波形的影响随距离的变化,为快前沿有界波模拟器传输线结构的选用和设计提供理论依据。本文讨论的快前沿有界波模拟器有三个不同的结构形式:亚纳秒前沿有界波模拟器,大型快前沿有界波模拟器,千兆赫横电磁波(GTEM)传输室。在亚纳秒模拟器的研究中,分析了适合亚纳秒脉冲传播的传输线结构形式,对传输线结构与场的上升时间的关系进行了理论分析;分别用三种双指数波形作为激励源,对EMP在亚纳秒模拟器中的传播和分布,进行了FDTD法数值模拟;并对模拟器工作空间场的传播和分布进行了实验验证。数值模拟与实测结果在场的传播和分布上很好地吻合。亚纳秒模拟器的上升前沿约为0.8ns,且工作稳定性很好,在1×1×1m~3工作区域内,电场最高场强达到50kV/m,其左右分布比较均匀,基本满足电子仪器EMP效应与电磁兼容试验的需要。大型快前沿有界波模拟器的突出特点是脉冲前沿较快(2.5～5ns),工作空间较大(6m×6m×4m),适合进行较大设备的试验。本文用FDTD法结合MPML吸收边界条件对该模拟器进行分析时,除了要考虑到FDTD法中的数值稳定性问题和数值色散问题,还要考虑计算机存储空间和计算时间的要求;本文针对传输线结构设计的问题,研究前过渡段长度及锥角变化对脉冲前沿的影响。数值计算结果表明,在工作空间中的场分布基本上是均匀的,且关于中心线呈对称分布,两端略有降低,与理论分析一致;在前过渡段长度一样的情况下,对称结构的传输线比非对称结构的传输线更利于传输快前沿的EMP;本文对大型快前沿有界波模拟器传输线结构的设计,还在展望部分提出了应用介质透镜的设想。为了解大尺寸GTEM室的频谱特性,本文选用高频特性较好的高斯脉冲源,分别以入射波频宽为1.5GHz和5GHz的高斯脉冲作为激励源进行FDTD分析,得到了不同条件下场的传输特性和±1dB、±2dB场分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪言
• 1.1 论文的选题背景
• 1.2 FDTD法的国内外发展现状
• 1.2.1 吸收边界条件
• 1.2.2 激励源模拟
• 1.2.3 网格剖分技术
• 1.2.4 曲线坐标系中的FDTD法
• 1.2.5 表面阻抗边界条件（SIBC）
• 1.2.6 适用于色散媒质和各向异性媒质的FDTD法
• 1.2.7 交替隐式差分格式算法（ADI）
• 1.2.8 并行计算技术
• 1.2.9 减少场量存储的FDTD算法（R-FDTD）
• 1.2.10 旋转对称时域有限差分法（BOR-FDTD）
• 1.2.11 FDTD法和其它算法的混合运用
• 1.2.12 FDTD法的进一步发展
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 时域有限差分法的基本原理
• 2.1 FDTD法的差分格式
• 2.2 数值稳定性分析
• 2.2.1 时间离散间隔的稳定性要求
• 2.2.2 Courant稳定性条件
• 2.2.3 数值色散对空间离散间隔的要求
• 2.3 源的类型和设置
• 2.3.1 FDTD中常用激励源
• 2.3.2 源的设置方法
• 2.4 吸收边界条件
• 2.4.1 PML吸收边界条件的基本原理
• 2.4.2 MPML吸收边界条件
• 2.4.3 有耗空间的MPML吸收边界条件
• 第三章 亚纳秒前沿有界波模拟器数值分析
• 3.1 引言
• 3.2 亚纳秒前沿有界波模拟器传输线结构
• 3.3 传输线电磁脉冲传播的数值模拟
• 3.3.1 差分方程
• 3.3.2 环路积分法
• 3.3.3 激励源及边界条件的设置
• 3.3.4 网格划分中时间及空间步长的选取
• 3.3.5 FDTD法程序流程
• 3.4 数值结果及分析
• 3.4.1 不同入射波在有界波模拟器中的传播
• 3.4.2 工作空间电场分布
• 3.4.3 传输线的电磁泄露
• 第四章 大型有界波模拟器数值分析
• 4.1 引言
• 4.2 模拟器的传输线结构
• 4.3 计算机存储空间和计算时间的估计
• 4.3.1 FDTD计算所需内存的估计
• 4.3.2 计算时间步估计
• 4.4 吸收边界条件和激励源设置
• 4.5 不同入射波数值计算结果
• 4.6 脉冲上升前沿随过渡段长度的变化
• 4.7 传输线的电磁泄露
• 4.8 墙体对工作空间电场的影响
• 4.9 模拟器工作空间场的分布
• 4.10 展望新的带介质透镜的传输线设计
• 第五章 GTEM室的数值分析
• 5.1 分析方法
• 5.1.1 吸收边界条件和激励源的设置
• 5.1.2 FDTD离散网格的确定
• 5.2 数值计算结果
• 第六章 实验验证及讨论
• 6.1 引言
• 6.2 测量方法
• 6.3 实验测量结果与计算对比
• 6.4 结论
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 研究生在读期间发表论文情况