基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感的计算

提出了一种基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感计算方法,在层流模型得到的同轴磁绝缘传输线等效电感和等效电容理论公式中引入修正因子,对粒子模拟所得结果进行数值拟合,获得了等效电容和等效电感修正因子依赖于电压的拟合表达式,修正后的等效电容和等效电感理论公式与粒子模拟结果符合较好,所得结果可用于磁绝缘传输线的等效电路建模。     

基于传递函数的频率选择表面集总参数研究

等效电路法是分析主动FSS的主要方法,获得FSS集总参数是等效电路法分析问题的关键.本文在传统等效电路法基础上,根据传输线理论构造传递函数.依据等效阻抗与传输峰值之间的关系,建立由集总参数构成的矩阵方程,利用最小二乘法拟合得到等效集总参数,并借助传递函数快速得到FSS频响特性曲线.与全波分析法对比,传递函数法的计算结果与数值计算结果吻合,从而验证该方法的准确性和可靠性.该方法不仅能够获取FSS结构集总参数,还能够计算FSS结构的频响特性曲线,为基于等效电路法分析主动FSS提供理论参考.     

复合介质等效电磁参数的数值研究

利用时域有限差分(FDTD)方法研究了掺杂介质材料等效电磁参数的反演方法.首先用FDTD方法计算掺杂介质的反射、透射系数,然后结合遗传算法和传播矩阵法反演不同掺杂比率的等效电磁参数,得到了等效电磁参数随掺杂比率变化的关系曲线.在复合材料的掺杂比率较低和较高时,等效电磁参数计算公式之间以及数值方法得到的结果比较一致;当掺杂比率处于中间值时,则稍有差别.结果显示用数值方法反演复合材料等效电磁参数具有可行性.     

基于等效参数反演的敷设声学覆盖层的水下圆柱壳体声散射研究

应用了一种等效方法计算敷设声学覆盖层无限长圆柱壳体水下声散射特性.等效方法的核心是忽略复杂声学覆盖层内部的声学结构,将其作为具有等效材料参数的均匀阻尼层进行建模,该均匀阻尼层具有和原覆盖层相同的复反射系数.进而,应用COMSOL Multiphysics软件建立敷设均匀阻尼层圆柱壳体的有限元模型并求解其声散射特性.等效方法的关键是等效材料参数的获取.采用充水阻抗管实验和有限元数值实验两种方法获取声学覆盖层贴敷在与壳体具有相同厚度、相同材料背衬条件下的复反射系数,在此基础上,基于遗传算法反演材料的等效参数.研究表明,等效参数具有频变特性,且尽管等效杨氏模量和等效泊松比在频率范围内存在较大波动,但是等效前后复反射系数仍保持一致.为了验证等效方法求解壳体声散射特性的准确性,同时建立了敷设声学覆盖层壳体的完整有限元模型,将覆盖层内部声学结构进行精细建模,并求其声散射特性.结果表明,两种方法求得的形态函数符合得较好,在整个频率范围内平均误差大约为1 d B.     

双层螺旋环超表面复合吸波体等效电路模型及微波损耗机制

针对超材料吸波频带窄的问题,采用金属螺旋环超表面与碳纤维吸波材料相复合的方式,设计了宽频高性能复合吸波体.研究发现,在碳纤维吸波材料中引入双层螺旋环超表面能显著增强吸收峰值和吸波带宽,且适当增加螺旋环初始线长和吸收层厚度有利于提高复合吸波体的吸波性能, 9.2—18.0 GHz频段的反射损耗均优于–10 dB (带宽达8.8 GHz),吸收峰值达–14.4 dB.利用S参数计算得到螺旋环-碳纤维复合吸波体的等效电磁参数和特征阻抗呈现多频点谐振特性,通过构建双层螺旋环超表面等效电路模型,定量计算了复合吸波体的电磁谐振频点,发现由等效电路模型获得的谐振频点计算值与仿真值基本相符,说明该复合吸波体多频点电磁谐振是宽频电磁损耗的主要机制.     

基于电磁超材料的两种等效参数提取算法的比较分析

基于传统反演算法和Kramers-Kronig关系改进算法, 分别提取弱耦合和强耦合超材料渔网结构模型的等效参数, 并对两种算法的有效性及普适性进行了探讨.理论分析及计算结果表明, 传统的反演算法可以准确地反演弱、强耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但计算复杂度较高;而基于Kramers-Kronig关系的改进算法巧妙地降低了计算的复杂度, 能简单准确地提取弱耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但对于强耦合情形则不适用, 原因在于强耦合情形破坏了Kramers-Kronig关系的解析且连续性要求. 研究结果拓展了等效媒质理论并可为新的电磁超材料的设计提供理论参考. 关键词： 超材料 反演算法 Kramers-Kronig关系 等效参数     

各向异性蜂窝夹芯材料的电磁传输性能分析算法研究

蜂窝夹芯结构作为天线罩最常用的透波材料, 其电各向异性特征对电磁传输性能具有不可忽略的影响. 本文基于各向异性蜂窝夹芯材料对电磁波水平极化和垂直极化分量的有效介电常数, 建立了多层蜂窝夹芯材料的等效传输线网络传输方程, 并给出了其传输系数的计算公式.该计算公式由于考虑了材料的三维各向异性特征, 不仅理论上可以计算多层各向异性介质板对任意方向入射电磁波的传输系数, 而且能够揭示出材料方向角对传输性能的影响规律.同时, 通过传输线网络等效, 其计算效率远高于有限元等方法.数值算例表明, 本方法能够有效地揭示蜂窝夹芯材料的各向异性对其传输性能的影响, 计算结果在入射角为0°–80° 时与有限元法符合很好. 关键词： 电磁传输性能 电各向异性介质 蜂窝夹芯材料     

聚龙一号驱动Z箍缩负载内爆的简化电路模型

为方便描述聚龙一号装置与Z箍缩负载的电磁耦合过程,基于大量电参数实验数据和全电路模拟分析,建立了一个简化的集总电路模型,获得了等效电压波形和等效电阻、电感等集总参量。采用水介质三板输出线出口位置的开路电压作为等效电压,进一步拟合为正弦平方函数,峰值为3.3 MV（当前驱动器充压为65 kV）,零到峰值的时间长度为102.5ns。采用简化的流阻抗模型描述磁绝缘传输线内部空间电子流的电流损失效应。将电路程序与零维负载动力学程序耦合模拟,得到了与实验结果符合的负载电流波形,尤其电流波形的前沿和峰值符合较好,分析了电磁能转化为负载动能的过程。     

开孔矩形腔体的近场电磁屏蔽效能研究

基于扩展的等效电路方法, 建立了电偶极子和磁偶极子天线近场照射下开孔矩形腔体电磁屏蔽效能计算的近似解析模型, 计算分析了场源–腔体距离对电场和磁场屏蔽效能的影响规律. 结果表明在近场区, 屏蔽效能随场源–腔体距离的减小而明显减小, 近场屏蔽效能小于远场屏蔽效能. 基于Bethe小孔耦合理论, 得出了描述近场和远场屏蔽效能关系的解析公式, 并用该公式检验了等效电路方法计算结果的可信性. 关键词： 电磁屏蔽 矩形腔体 近场 Bethe 理论     

Vaughan二次电子发射模型的深入研究与拓展

当前国际上基于Vaughan二次电子模型的材料数据库十分丰富,且其数据均经过大量实验验证,具有很高的实验精度和可信度。为了将这些数据库融入到自主开发的电磁粒子联合模拟平台,完善和提高电磁粒子混合算法的计算精度,在对经典Vaughan模型做了深入研究的基础上,成功地推导出产生二次电子数目的计算方法。此外,为了使经典Vaughan二次电子发射理论更便捷和完整地应用到实际工程应用当中,还对二次电子出射能量以及二次电子出射角度的计算等实际问题做了进一步的拓展性研究。数值计算结果验证了拓展后Vaughan模型算法的准确性和鲁棒性。     

A FEM-based method to determine the complex material properties of piezoelectric disks

Numerical simulations allow modeling piezoelectric devices and ultrasonic transducers. However, the accuracy in the results is limited by the precise knowledge of the elastic, dielectric and piezoelectric properties of the piezoelectric material. To introduce the energy losses, these properties can be represented by complex numbers, where the real part of the model essentially determines the resonance frequencies and the imaginary part determines the amplitude of each resonant mode. In this work, a method based on the Finite Element Method (FEM) is modified to obtain the imaginary material properties of piezoelectric disks. The material properties are determined from the electrical impedance curve of the disk, which is measured by an impedance analyzer. The method consists in obtaining the material properties that minimize the error between experimental and numerical impedance curves over a wide range of frequencies. The proposed methodology starts with a sensitivity analysis of each parameter, determining the influence of each parameter over a set of resonant modes. Sensitivity results are used to implement a preliminary algorithm approaching the solution in order to avoid the search to be trapped into a local minimum. The method is applied to determine the material properties of a Pz27 disk sample from Ferroperm. The obtained properties are used to calculate the electrical impedance curve of the disk with a Finite Element algorithm, which is compared with the experimental electrical impedance curve. Additionally, the results were validated by comparing the numerical displacement profile with the displacements measured by a laser Doppler vibrometer. The comparison between the numerical and experimental results shows excellent agreement for both electrical impedance curve and for the displacement profile over the disk surface. The agreement between numerical and experimental displacement profiles shows that, although only the electrical impedance curve is considered in the adjustment procedure, the obtained material properties allow simulating the displacement amplitude accurately.     

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。     

Helmholtz水声换能器弹性壁液腔谐振频率研究

针对传统Helmholtz水声换能器设计中刚性壁假设的局限性,将Helmholtz腔体的弹性计入到液腔谐振频率计算中,实现低频弹性Helmholtz水声换能器液腔谐振频率精确设计.基于细长圆柱壳腔体的低频集中参数模型,导出了腔体弹性引入的附加声阻抗表达式,得到了弹性壁条件下Helmholtz水声换能器等效电路图,给出了考虑了末端修正的弹性壁Helmholtz共振腔液腔谐振频率计算公式.利用ANSYS软件建立了算例模型,仿真分析了不同材质、半径、长度时的Helmholtz共振腔液腔谐振频率.结果对比表明弹性理论值与仿真值符合得很好,相比起传统的刚性壁理论计算结果,本文的弹性壁理论得出的液腔谐振频率值有所降低,与真实情况更加接近.本文的结论可以为精确设计低频弹性Helmholtz水声换能器提供理论支持.     

Phonon-polariton in two-dimensional piezoelectric phononic crystals

The phonon-polariton behaviors of two-dimensional piezoelectric phononic crystals (PPCs) were studied using the plane wave expansion method. The governing equations combine Maxwell's equations and Newton's equations of motion. A mode-repulsion can be formed by strong coupling between electromagnetic (EM) waves and elastic waves in the vicinity of the center of the first Brillouin zone for PPC that comprises piezoelectric material and with opposite polarization in different periodically organized areas. Take a 2D ZnO PPC as a numerical example, it was decoupled into two independent groups. One refers to the mixed mode of the in-plane elastic waves and the transverse-magnetic (TM) mode EM waves. The other group refers to the mixed mode of the out-of-plane elastic waves and the transverse-electric (TE) mode EM waves. Coupling repulsion is also observed in these two groups.     

基于递推-变换方法计算圆柱面网络的等效电阻及复阻抗

获得任意电阻网络等效电阻的解析解一直是科学和数学上的难题.本文采用递推-变换方法研究了一类任意m×n阶圆柱面网络的等效电阻及复阻抗问题.首先采用网络分析建立递推矩阵方程模型;其次构造对角化矩阵变换方法以便获得矩阵的特征值和特征向量,从而获得矩阵方程的通解;再次采用网络分析建立边界条件约束方程模型,进而获得矩阵方程的特解;最后利用矩阵逆变换给出支路电流的解析解,从而获得任意m×n阶圆柱面网络轴线上等效电阻的解析解,所得结果由特征根构成及单求和表达.作为公式的应用,给出了任意半无限和无限情形时的数个新的等效电阻公式,在与其他文献结论的对比研究中得到了一个有趣的新的三角函数恒等式.研究了圆柱面RLC网络的等效复阻抗问题,给出了精确的等效复阻抗公式.     

感应电压叠加装置中角向传输线阻抗计算

在进行感应电压叠加装置设计时, 为了使初级脉冲形成与传输系统产生的快前沿高压脉冲均匀耦合到次级传输线, 需要建立感应腔的二维电路模型对电磁波在角向传输线中的传播过程进行分析, 并基于电路计算结果优化设计角向传输线阻抗分布规律,使次级传输线中电流能够均匀分布。由于角向传输线结构复杂, 没有精确求解阻抗值的解析公式, 介绍了一种基于电报方程和瞬态电磁场仿真求解复杂结构传输线阻抗值的方法, 采用该方法对等宽度和变化宽度两种结构角向传输线阻抗值进行了评估。研究结果表明,相比于三平板传输线阻抗计算公式, 采用微带传输线阻抗计算公式对角向传输线阻抗值进行求解结果更加精确。     

MNZ超材料的电磁特性

主要围绕磁导率接近0的MNZ超材料,通过理论分析和数值模拟方法对MNZ材料的电磁特性进行了研究。针对线源置于二维MNZ材料内部的情况,通过理论详细分析了在MNZ材料和空气交界处的阻抗匹配特性和传播常数的连续性,基于有限元数值方法模拟验证了电磁场在MNZ材料边界处的等幅同相特性,从而实现了均匀平面波的传播特性。同时,考虑到将线源置于空气中有助于辐射出电磁能量,通过数值模拟分析了电磁波由空气入射到MNZ材料的电磁特性,发现在特定极化条件下,只能当电磁波波前与MNZ材料边界平行时,才能较好地实现阻抗匹配,从而基于MNZ材料实现新颖的辐射特性。     

柱形等离子体辐射场和阻抗的数值计算

由柱形非磁化等离子体色散关系，得到信号沿柱形等离子体传输波矢空间分布，再根据天线方程推导得到柱形等离子体在轴向密度均匀、不均匀情况下辐射方向图、辐射阻抗与增益等参数.理论计算结果与实验都证明了柱形等离子体辐射方向图随等离子体参数变化而改变，同时实验结果表明，重新得到的数值计算结果更加精确，更加符合实际测量结果，这对等离子体作为天线传输具有重要的参考价值. 关键词： 柱形等离子体 辐射阻抗 辐射方向图     

Modification of Classical SPM for Slightly Rough Surface Scattering with Low Grazing Angle Incidence

Based on the impedance/admittance rough boundaries, the reflection coefficients and the scattering cross section with low grazing angle incidence are obtained for both VV and HH polarizations. The error of the classical perturbation method at grazing angle is overcome for the vertical polarization at a rough Neumann boundary of infinite extent. The derivation of the formulae and the numerical results show that the backscattering cross section depends on the grazing angle to the fourth power for both Neumann and Dirichlet boundary conditions with low grazing angle incidence. Our results can reduce to that of the classical small perturbation method by neglecting the Neumann and Dirichlet boundary conditions.