多导体传输线高频场线耦合模型的研究综述

场线耦合模型的研究是电磁兼容分析和电磁效应评估的重要组成部分。低频时,可以使用基于准TEM波近似的经典场线耦合模型来计算外场激励下的传输线沿线电流电压响应,然而,当入射波频率增加到对应波长与传输线横向尺寸可比拟时,经典模型将产生不可接受的模型误差,因而需要发展高频情况下的场线耦合模型。介绍了国内外多导体传输线高频场线耦合模型的研究进展,详细分析和比较了两个主流分支:TRI模型和TLST模型;之后简要介绍了传输线超理论TLST模型并以算例说明了该模型的准确性和有效性;最后对高频场线耦合模型的研究内容和研究目标进行了总结和展望。     

高频电磁干扰对传输线耦合全波建模方法

对于场线耦合问题,经典传输线理论不适用于求解高频电磁干扰辐照下传输线负载上的电压和电流响应。针对这一问题,首先介绍了一种基于天线理论和模拟行为建模（ABM）的时域全波建模方法。该方法利用Harrington矩量法将电流积分方程离散并推导得到宏模型时域表达式,然后利用ABM频域功能实现频变参数的傅里叶逆变换和时域卷积计算。利用电路求解器,该建模方法可直接求解任意结构传输线耦合的负载处瞬态响应;与传统全波算法相比,模型一旦建立便可应用于任意入射场和线性/非线性负载的情况,无需重复耗时地求解电流积分方程。该方法可简化全波算法求解过程,提高仿真计算效率,尤其便于在入射场和负载存在不确定参数时进行高效重复抽样计算以获得统计特性。然后以高频电磁干扰耦合有损大地上的双导体传输线为例,通过与数值电磁代码和传统传输线理论方法的求解结果对比,验证了所提宏模型的有效性以及传输线理论在解决场线耦合问题时的局限性。结果表明,基于全波方法构建的宏模型可在时域内高效准确地求解高频电磁干扰辐照下任意形状传输线负载上的瞬态响应。     

基于多项式混沌方法的场线耦合响应不确定度量化

在传输线场线耦合的计算中,由于辐射场可能从不同方向入射,入射方位角和入射仰角会在一定范围内变化,可以将其看作不确定变量,因此传输线的响应也呈现出不确定性。针对输入参数服从非典型分布的情况,应用多项式混沌方法对传输线场线耦合频域响应进行不确定度量化。结合入射方位角和仰角的物理意义,给出其服从的分布类型并构建相应的正交多项式基底,并对该模型的传输线方程进行多项式混沌展开。最后结合含两个不确定参数的传输线场线耦合算例,给出远端电流响应的统计信息,对比蒙特卡罗方法,验证了该方法的正确性和高效性。     

估算双层屏蔽腔体窄缝耦合的混合方法

 用混合方法计算双层屏蔽腔体窄缝耦合时,外腔体的窄缝耦合用传输线模型计算,内腔体的用磁偶极子模型计算。混合法可以求出双层屏蔽腔体内的场分布和屏蔽系数的分布规律,避免了传输线模型只能计算腔体中心线上的屏蔽系数而不能分析腔内横截面上耦合场分布规律的缺点。将得到的窄缝耦合的传输线模型和磁偶极子模型的计算结果与实测值和Micro-Stripes软件仿真值进行对比,验证了传输线和磁偶极子模型的有效性。混合方法给出了窄缝数量及腔体内不同观测点对屏蔽系数的影响,结果表明：双层屏蔽腔体的屏蔽效能明显优于单层屏蔽腔体;随着相同尺寸的窄缝数量的递增,腔体内的屏蔽系数递减;在与双层屏蔽腔体中心线垂直的横截面上,观测点屏蔽系数以中心线上点为中心,沿窄缝方向向两边递增,也就是离中心线越远,腔体内的耦合电场越弱,且混合法的速度明显快于软件计算速度,适合于高频范围的分析。     

腔体内传输线耦合的电磁仿真软件与传输线方程的混合算法

研究了一种有限积分法软件与传输线方程相结合的混合算法,用于解决复杂电磁环境下屏蔽腔体内传输线的电磁耦合问题。利用有限积分法软件实现屏蔽腔体的建模,仿真得到腔体内部空间电磁场分布,并设置电场探针提取出传输线的激励场。利用传输线方程建立腔体内传输线的耦合模型,将得到的传输线激励场引入到传输线方程作为等效分布电压和电流源。利用时域有限差分(FDTD)格式对传输线方程进行离散,从而迭代求解出传输线终端负载上的电压和电流响应。通过与文献以及传统数值算法的计算结果进行对比,验证混合算法的正确性。研究表明,该混合算法在模拟电大尺寸腔体内传输线的电磁耦合方面,具有较高的精度和计算效率。     

耦合腔高频特性的单腔模型研究与应用

在耦合腔结构的高频特性模拟中,基于准周期边界条件法建立的双腔模型,由于两端电场的边界条件完全相同,导致了伪解的出现。本文建立了单腔仿真模型,消除了伪解存在的边界条件,避免伪解的出现。在保证求解精度的基础上,网格数目减少了 62%,总计算时间缩小了 56%,一次性生成色散曲线和耦合阻抗曲线,提高了色散和耦合阻抗的数据处理效率,为高频结构参数优化提供了更有效的途径。采用单腔仿真模型,模拟分析了各结构尺寸对高频特性的影响。     

渐近法高频场线耦合分析中等效短线长度的影响

深入研究了用于高频场线耦合分析的渐近法中等效短线长度取值对渐近法计算精度的影响。首先通过大量计算分析了不同等效短线长度对传输线上感应电流分布计算结果的影响,结果表明当任一等效短线长度为半波长时,渐近法计算结果不再可靠。其次对等效短线长度选择与导线长度的关系进行了分析,发现当传输线长度相对于导线间距较大时,必须适当增加等效短线的长度才能得到较为准确的沿线感应电流分布。这些研究结果为工程应用提供了有益指导。     

一种基于传输线方程的埋地电缆电磁脉冲耦合时域分析方法

 埋地电缆和其它金属长导体对核电磁脉冲的耦合分析对于确定合理的工程防护措施具有重要意义。采用Agrawal模型和时域有限差分算法对线缆耦合问题进行了分析，针对该模型中需要计算土壤阻抗与电流项卷积、土壤导纳与电压项卷积的问题，提出了一种土壤阻抗特性的线性拟合处理方法，可避免复杂的卷积计算。介绍了该方法的基本原理和试用结果。这一模型拟合法适用于确定无时域解析表达式的传输线模型参数，与传输线模型的时域有限差分方法相结合，可用于分析非均匀场作用下传输线的耦合。     

新的亚纳秒前沿有界波电磁脉冲模拟器

新近建立的亚纳秒前沿有界波模拟器由高压脉冲源、传输线、分布式负载和大地板等组成。高压脉冲源为外触发的冲击电流发生器。传输线由12根非均匀分布的缆线制成。亚纳秒前沿模拟器的传输线为锥形，分布式负载也为锥形，工作区域设置在锥形传输线中。因为没有平直段，像一个开放式的GTEM小室，电磁脉冲的高频分量可以达到GHz。亚纳秒削沿模拟器是研究电子仪器孔缝耦合、特种装置电磁效应的较为理想的模拟设备。锥角的设计满足试验区域对场的均匀性要求，本设计为tgθ=0．5。     

电磁波与复合材料板上传输线的耦合分析

利用单层均匀模型等效非均匀碳纤维复合材料,获得等效电磁参数,进而采用基于全波分析方法的仿真软件研究了碳纤维的排列方向以及入射波参数对传输线终端负载感应电流的影响。结果表明,当导线与碳纤维方向平行时,其场线耦合规律与同电导率导电板上的场线耦合变化规律基本一致,且负载感应电流大于导线与碳纤维正交时的感应电流。当电磁波垂直于复合材料板入射时,负载感应电流大于同等条件下电磁波平行入射时的感应电流。     

Enhanced transmission by a grating composed of left-handed materials

We present a detailed theoretical analysis about the influence of surface polaritons on the transmission properties of electromagnetic waves at the periodically corrugated interface between the vacuum and left-handed material by using nonlinear boundary condition approach. The principle behind this approach is to match the wave fields across the grating interface by using a set of linear wave equation with nonlinear boundary conditions. The resonant transmission of the incident electromagnetic radiation in this structure is feasible within a certain frequency band, where there is a range of frequency over which both the electric permittivity and the magnetic permeability are simultaneously negative. The enhanced transmission is attributed to the coupling of the incident electromagnetic wave with the excited surface polaritons on grating interface. Finally, we present the numerical results illustrating the effect of the structural parameters and angle of incidence on the transmission spectra of a TM polarized electromagnetic wave.     

地面附近架高线缆HEMP响应计算的Agrawal和Taylor模型比较北大核心

研究在高空核爆电磁脉冲(HEMP)的作用下,地面附近架高线缆感应瞬态电压、电流的传输线模型计算方法并进行比较。考虑到有耗地面的电气参数,列举了Agrawal和Taylor两种传输线理论模型的异同,应用格林函数求积分和叠加定理,分别采用两种模型,计算并比较了不同入射波和线缆布放状态下的电压、电流响应,以及各场分量(水平电场、垂直电场和水平磁场)单独存在时对电流、电压响应的贡献。结果显示,Agrawal和Taylor模型得到的电压、电流响应是一致的,可以考虑在有界波电磁脉冲模拟器中进行短线缆的效应实验;由于相同的场分量在不同的模型中对电压、电流响应的贡献并不相同,因此在阐述某一场分量对线缆响应贡献大小时,应该首先说明所采用的传输线模型。     

一种时延范德波尔电磁系统中的复杂行为(Ⅱ)——时空混沌图案动态

对于一个由线性无损传输线加非线性边界条件组成的简单无穷维电磁系统，应用行波理论确定了电压反射波的局部映射关系.数值仿真结果表明，当系统参数发生变化时，传输线沿线电压存在着非常丰富的时空非线性现象.通过描绘出空间振幅变化图和时空行为发展图，定性分析了传输线沿线电压的时空混沌图案动态，为研究和理解时空混沌提供了一种良好的可求解模型. 关键词： 图案 时空混沌 无穷维系统 时延范德波尔电磁系统     

电磁耦合实验平台系统线缆束的电磁拓扑分析

复杂线缆束系统的电磁耦合分析,随着电磁环境的日趋复杂化,显得越来越困难。而高功率电磁辐射技术的发展,对具有复杂电缆束网络和电子设备的系统,带来了严重的电磁威胁。这从电磁攻击与电磁防护两方面,对复杂线缆束的电磁耦合分析,都提出了更加迫切的需求。由于复杂线缆束网络所涉及的几何空间的边界条件十分复杂,所以很难用时域有限差分(FDTD)或频域有限差分(FDFD)方法求解复杂线缆束网络系统的电磁耦合问题。我们在基于传输线理论,采用拓扑学中将空间按照拓扑结构进行分解的思想,建立了线缆束网络电磁耦合的拓扑模型,得出了计算复杂线缆束网络系统终端耦合电压与电流的计算方法,并给出了仿真计算实例用以验证电磁拓扑法处理线缆网络电磁耦合效应的有效性。     

开孔屏蔽腔内传输线负载所受电磁干扰的解析算法

外界电磁场通过孔缝耦合进入屏蔽腔,并经由线缆对腔内电子设备造成干扰,这是电磁兼容中需要考虑的重要问题,而数值法分析此类尺寸跨度大的电磁问题效率过低。基于电磁拓扑和等效电路法,提出一种快速计算外界平面波辐照下开孔屏蔽腔内传输线负载所受电磁干扰的解析算法。首先利用电磁拓扑将整个耦合问题分解为两个独立的子问题:外界平面波辐照下开孔空腔内的耦合场问题与耦合场辐照下孤立传输线的响应问题,然后提出基于等效电路法求解空腔内耦合电场的计算方法,最后利用场线耦合BLT方程求解耦合电场对孤立传输线负载造成的电磁干扰。经CST仿真验证,该解析算法能有效计算任意位置开(多)孔屏蔽腔内任意放置传输线负载所受的电磁干扰。相比于数值法,该解析算法不仅花费更少的计算时间与资源,且能用于参数影响规律的研究。     

轨道电路系统长钢轨电容补偿电磁脉冲耦合效应

结合时域有限差分(FDTD)方法、传输线方程和长钢轨激励场快速计算方法,研究了一种高效的时域混合算法,实现长钢轨电容补偿电磁脉冲耦合效应的时域快速计算。首先,为避免对钢轨不规则结构的直接建模,根据趋肤效应,将钢轨等效为管状导体模型并提取对应的单位长度分布参数。然后,根据长钢轨激励场快速计算方法,快速计算长钢轨沿线电场分布,并结合传输线方程构建钢轨等效圆柱模型与补偿电容一体化的电磁耦合模型。最后,使用FDTD方法求解传输线方程,获取钢轨沿线各点的电磁脉冲耦合响应。研究结果表明,钢轨耦合电流波形不断展宽,但是峰值随长度增加到一定值后达到饱和状态,此结论可为轨道电路系统电磁防护设计提供重要的数据支撑。     

Metallization thickness in bilateral and unilateral Finlines

The theory and numerical results are presented to the effective dielectric constant and characteristic impedance of bilateral and unilateral finlines with metallization thickness. The full wave analysis of the transverse transmission line — TTL method is used to determine the electromagnetic fields of the structure in Fourier transform domain — FTD. Applying the suitable boundary conditions and the moment method, a homogeneous matrix system is obtained and the effective dielectric constant is extracted. The characteristic impedance is obtained using the relation between the voltage in slot and the transmitted power.Computational programs are developed to obtain numerical results to the effective dielectric constant and characteristic impedance.     

多重散射方法研究轴对称空腔覆盖层的声学特性

发展了一种多重散射方法研究声学覆盖层的半数值半解析模型,分析了影响轴对称空腔结构声学性能的主要能量耗散机制。在球坐标条件下推导出轴对称空腔结构的位移和应力场基函数,通过对空腔表面基函数的数值积分,得到散射波和入射波之间的传输矩阵方程,结合分层介质声传播理论计算了周期性空腔结构覆盖层的反射、透射和吸声性能。研究结果表明;空腔共振是低频能量耗散的主要形式,边界条件对材料空腔结构的谐振特性影响很大,利用双空腔耦合共振可以拓宽材料的低频吸声频带;背衬对材料的高频吸声影响较小,材料的高频能量损耗取决于空腔的散射和波型转换特性。