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。     

有耗介质层上多导体传输线的电磁耦合时域分析方法

目前,针对空间电磁场作用有耗介质层上传输线的电磁耦合,仍缺乏有效的数值分析方法.因此,本文提出一种高效的时域混合算法,很好地解决了有耗介质层上传输线电磁耦合建模难的问题.首先,对经典传输线方程进行改进,推导了适用于有耗介质层上多导体传输线电磁耦合分析的修正传输线方程.然后,结合时域有限差分方法和相应插值技术,求解修正传输线方程,获得多导线及其端接负载上的电压和电流响应,并实现空间电磁场辐射与多导线瞬态响应的同步计算.最后,通过相应计算实例的数值模拟,与CST软件的仿真结果进行对比,验证了时域混合算法的正确性和高效性.     

屏蔽多导体强电磁脉冲响应的FDTD-MTL混合计算方法研究

 利用电缆的转移阻抗，将空间电磁场在电缆屏蔽层产生的电流作为多导体传输线（MTL）方程中的激励源，提出了计算编织屏蔽多导体电磁脉冲(EMP)响应的FDTD-MTL混合计算方法。分析了电缆转移阻抗的计算模型，并同实验结果进行了比较，证明Tyni提出的转移阻抗模型更符合实验结果。最后，利用该混合方法得到了三导体屏蔽电缆的强电磁脉冲响应。     

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。     

架空及埋地多导体线缆对HEMP辐照的瞬态响应

针对瞬态电磁场辐照多导体电缆问题,首先介绍了一种用于计算架空及埋地线缆瞬态响应的高效时域宏模型。该模型基于传输线理论,利用广义特征线法和SPICE求解器中集成的模拟行为建模库,在时域内实现建模过程中涉及的频率相关参数和卷积计算。该方法适用性广泛,可同时用于架空及埋地线缆的场线耦合建模仿真;与现有时域有限差分法相比,不需要对时间和空间进行离散,以及对频率相关参数进行矢量匹配或数值逆傅里叶变换,因此可简化建模步骤,提高建模及仿真计算的效率;该宏模型计算效率不受线缆长度限制,适用于研究多导体长距离线缆。其次,在时域和频域分别研究了高空电磁脉冲(HEMP)的环境及特点。最后,利用算例验证了所提宏模型计算架空及埋地线缆响应的有效性,并利用该方法分别研究了架空地线对三相输电线路瞬态响应的影响以及埋地电力电缆金属护套在端接线性及非线性保护器件时对HEMP的瞬态响应。结果表明,宏模型法可在时域内高效地计算入射场耦合架空输电线及埋地电力电缆的瞬态响应,特别是对于带有非线性器件的长多导体线缆。     

一种计算分层半空间上方导线瞬态响应的新方法

提出了一种将时域积分方程(time domain integral equation, TDIE)方法和时域有限差分(finite differnce time domain, FDTD)方法相结合计算分层有耗半空间上方导线瞬态电磁响应的新方法.其中,一维FDTD方法用于计算入射电磁波经分层半空间反射的时域波形.TDIE用于求解细导线在加入两个激励源(直接入射电磁波和经分层半空间反射的电磁波)时的瞬态响应.相关计算理论和数值模拟结果说明了本文方法是一种解决了分层有耗介质上方水平放置导线瞬态响应的高效解决方案. 关键词： 时域积分方程 时域有限差分 细导线 分层半空间     

TEM喇叭短脉冲响应特性与张角的依赖关系

基于传输线理论分析给出了TEM喇叭在高斯脉冲激励下的响应方程,并采用数值计算方法,从响应波形的下降沿拖尾振荡相对基线的浮动量和负峰下冲量的角度研究了在高斯脉冲及其微分形式脉冲激励下,TEM喇叭的响应特性与其张角的依赖关系.基于以单锥TEM室为核心的时域测试系统,实验研究了TEM喇叭的短电磁脉冲响应特性随张角的变化关系,...     

基于区间的传输线感应电压不确定性分析方法

为分析多导体传输线耦合情况下线缆结构参数的不确定性对终端电压的影响,引入了一种基于区间分析的切比雪夫(Chebyshev)多项式逼近方法。该方法首先将传输线电报方程转换为常微分方程求解;其次采用Chebyshev多项式求得电报方程的扩张函数,进而获得终端电压的波动范围。相比于混沌多项式方法和蒙特卡罗（MC）法,此方法只需要输入随机参数的波动范围。针对电磁脉冲辐照下高度和间距随机变动的多导体线束进行仿真,仿真结果表明,间距基本不影响终端电压,终端电压对高度更为敏感。在计算结果基本一致的情况下,Chebyshev多项式逼近方法的计算耗时远小于MC方法。     

基于多导体传输线理论的差模激励新型线束串扰模型研究

传统的线束串扰模型只是在系统内共模激励的基础上建立的, 没有考虑系统间差模激励下线束串扰的情况. 针对差模激励下系统独立回路间线束串扰的物理问题, 提出了一种基于多导体传输线理论的差模激励新型线束串扰的计算方法.该方法根据差模激励下线间的耦合机理, 利用传输线传播横向电磁模式得到新型三导体传输线寄生参数电路及数学矩阵模型, 通过镜像法以及诺埃曼公式推导出寄生参数的计算公式, 并在频域内得到新型线束串扰的链参数矩阵方程, 根据新型差模串扰模型始端、终端边界条件最终得到串扰电压的频域解.以差模激励下平行双线回路对其他回路受扰线的串扰为例, 通过仿真受扰线不同布置情况下的串扰电压, 得到了差模激励源的线束间串扰的物理规律, 即受扰线位于差模回路之间时所受的串扰要远大于位于回路外时所受的串扰, 并验证所提出的模型及方法可以计算不同频率差模激励引起的干扰. 利用解析的方法解决了线束串扰中差模激励下的导线串扰问题, 为实际中如大量导线的捆扎以及导线干扰的预测等电磁兼容问题提供了理论依据, 具有指导意义, 完善了多导体传输线理论在线束串扰中的应用.     

外场激励下架空线响应分布规律的概率分析

 应用蒙特卡罗法和传输线耦合响应计算公式分析了瞬态外场激励下传输线耦合响应的分布规律。分析对象为二导体架空线和以大地为回路的多导体架空线。分析中将电磁波的入射参数,包括极化角、入射角和方位角作为一组随机变量,并由计算机随机产生。应用瞬态外场激励下二导体传输线终端耦合响应的解析公式和多导体传输线节点导纳方程分别分析端接传输线耦合电流和耦合电压响应绝对值的峰值,并得出响应的概率分布曲线。当传输线入射参数在［0,π/2］范围内变化时,对于二导体架空线终端电流而言,随着终端端接电阻的不同,架空线近端与远端的电流响应绝对值峰值的概率分布曲线不同。对于共地三导体架空线来说,在接相同端接电阻的情况下,远端高电压分布概率大于近端的分布概率,中间导体近远两端在高电压区域分布概率要比两边导体低。     

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。     

垂直极化平行板有界波电磁脉冲模拟器辐射近场的快速估算方法

为快速估算出垂直极化平行板有界波电磁脉冲(EMP)模拟器的时域近场,将散射传递函数法应用于该类型模拟器近场的时域计算中,即对于给定的脉冲源,先寻找有效频谱范围能覆盖该源的高斯脉冲源,并应用时域有限差分(FDTD)方法计算该高斯脉冲源激励时模拟器中测试点场的时域响应,再利用傅里叶变换、系统的传递函数及傅里叶逆变换计算得到给定脉冲源激励时各测试点场的瞬态响应。所得计算结果与直接使用给定脉冲源激励时FDTD方法的计算结果符合较好。所述方法可用于同一模拟器在不同脉冲源激励时辐射近场的快速估算,能大大减少FDTD模拟计算的次数,尤其对于中大型模拟器能有效减少计算时间和内存。     

低频电磁脉冲对复杂电大目标耦合效应

针对复杂电大目标电磁脉冲耦合效应缺乏定量研究的问题,基于时域有限差分方法(FDTD)建立了一套电磁脉冲耦合效应建模与评估分析流程,开展了低频电磁脉冲激励下的仿真试验,获取和分析了特性数据,进而提出了一种表面加载透明导电材料的低频电磁脉冲激励防护方法。试验结果表明:基于功率密度的易损性分析具有良好的工程适用性,而且防护方法对低频电磁脉冲激励具有较好的屏蔽效能。     

有耗地面上架空线缆串扰研究等效电路模型

基于延迟抽取宏模型算法,将有耗地面上架空传输线分成多段求解,每段分成无损和有损部分。通过矢量匹配(VF)法对地阻抗相关参量进行匹配,利用HSPICE中的Laplace变换建立有损部分的等效电路,结合现有的无损传输线等效电路组成每一段的等效电路,然后将每段等效电路串联起来组成整个传输线的等效电路模型。与时域有限差分(FDTD)法进行对比,结果验证了该方法的正确性。同时对端接瞬态抑制二极管的算例进行了分析,证明了提出的等效电路模型能够轻松解决非线性负载问题。     

一种适于1维磁等离子体电磁波传输特性的FDTD分析

 提出了一个新的分析各向异性磁等离子体中电磁波传输特性的时域有限差分（FDTD）方法。该方法是将电流密度矢量与电场强度矢量之间的本构方程基于拉普拉斯变换原理转到复频域,然后再逆变换到时域得到它们之间显式的方程,最后再结合指数差分,得到离散时域的显式的FDTD迭代方程,解决了本构方程中电流密度矢量的分量相互耦合而不易直接离散的困难。该方法在数学上具有简单明了和易于计算的特点,同时通过该方法计算各向异性等离子体板的电磁波反射和透射系数,与其解析解进行比较,结果表明了该方法的准确性和有效性。     

基于FDTD的时域混合方法及其在天线前门耦合数值模拟中的应用

强电磁脉冲环境下的平台-机载天线一体化耦合计算属于典型多尺度时域电磁计算问题,采用传统的FDTD方法数值模拟时,由于精细结构的存在导致网格量巨大,计算效率低下。介绍了一种将非均匀FDTD方法与细导线FDTD方法以及多网格集总元件FDTD方法相结合的时域混合方法,能够有效降低计算开销,结合并行计算技术,快速计算得到天线端口上耦合产生的瞬态电压和电流响应,并将该方法成功应用于无人机平台-天线一体化前门耦合数值模拟中。     

电磁脉冲作用人体的数值模拟和分析

 建立色散介质3维真实人体模型，用色散介质时域有限差分（（FD）2TD）方法计算了强电磁脉冲（EMP）对人体的作用。结果表明，电磁脉冲对人体的透入主要决定于脉冲前沿，受脉冲宽度的影响较小；透入体内的脉冲，相对辐照脉冲显著变窄；人体吸收的电磁能没有明显受到辐照脉冲能注量的影响；虽然人体从单个脉冲吸收的能量远低于用比吸收能定义的安全标准，但这种剂量的照射在离体培养的人肝细胞（L-02）上却产生了明显的生物学效应，这意味着比吸收能难以作为人员安全评估标准。     

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.