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。     

一种计算多导体传输线电磁脉冲响应的时域方法

基于波形松弛技术, 提出一种计算外界电磁脉冲激励下理想大地上无损多导体传输线瞬态响应的时域迭代方法。首先利用波形松弛技术对复频域内多导体传输线的电报方程进行解耦, 其中相邻导线的耦合作用等效为线上的分布源, 从而使电报方程转换为一系列关于独立导线的解耦方程组; 然后将复频域内传输线的解耦方程转换到时域, 根据时域方程建立相应的等效电路; 最后利用电路仿真软件PSCAD计算电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应。本文时域方法的计算结果与时域有限差分(FDTD) 法计算的结果进行对比, 证实了该时域方法的有效性和准确性, 这为工程和科研人员快速评估、分析电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应问题提供了一种可靠方法。     

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。     

车辆线缆瞬态电磁脉冲耦合仿真与抑制技术

瞬态电磁脉冲可通过车辆互联线缆耦合至电子系统内部，造成电子设备受扰甚至损毁，研究瞬态防护器件对电磁脉冲的抑制特性可为车辆电磁防护设计与实施提供有力支撑。本文以发动机电控系统为研究对象，考虑关键金属结构、线缆与电子设备，建立发动机电磁仿真模型，计算获取了瞬态电磁脉冲作用下线缆端口耦合干扰特性；基于电磁脉冲注入方法设计并搭建了瞬态防护器件测试平台，获取了瞬态电压抑制器与压敏电阻两类典型瞬态防护器件的响应时间、钳位电压、尖峰泄露等响应特性；在仿真与测试结果的基础上，选取一型瞬态电压抑制器应用于凸轮轴位置传感器信号线的电磁防护。研究结果表明，该型瞬态电压抑制器对线缆瞬态电磁脉冲耦合干扰抑制能力接近20 dB，置于滤波器前端可有效抑制线缆耦合干扰，保护终端设备。     

地面附近架高线缆HEMP响应计算的Agrawal和Taylor模型比较

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。     

二极管负载电缆X射线辐照瞬态响应数值模拟

将时域传输线模型与漂移-扩散模型相结合,提出一种耦合数值计算方法,研究计算了带二极管负载的电缆在X射线辐照下的瞬态响应。该耦合数值计算方法首先利用时域传输线模型计算电缆在X射线辐照下的各节点电参数,然后将得到的终端节点的电压代入漂移-扩散模型中求解二极管的内部参数与偏置电流,最后将得到的偏置电流代入到下一时间步的传输线模型中继续进行计算。该方法能够直接反映出电缆在X射线辐照下的瞬态响应与所连接的负载状态改变之间的耦合关系,利用该方法求解X射线辐照简单电子系统的典型算例,计算结果表明,X射线辐照下,同轴电缆上各处的响应电流会随着PIN二极管状态的改变而发生明显变化,与理论分析相符合,耦合模型适用于此类问题。     

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。     

架空线缆电磁脉冲响应的统计特性

为考察电磁脉冲在系统端口产生的电磁应力,采用场线耦合模型,计算了电磁脉冲环境、架空线缆结构和大地等参数对线缆负载响应的影响。结果表明:入射角、方位角、极化角和入射脉冲峰值是影响负载响应电流的主要因素。由于入射脉冲峰值与负载响应电流呈严格的正比例关系,可不作为随机变量考虑。最后以电磁脉冲的入射角、方位角和极化角为随机变量,分别计算180种状态的线缆终端负载的响应电流峰值,电流峰值的统计结果符合正态分布。     

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.     

一种计算HEMP环境下电缆感应电流的混合算法北大核心CSCD

对高空核爆电磁脉冲(HEMP)环境下、地面上方电缆的感应电流进行了研究。考虑有耗地面的影响,提出了一种将时域积分方程(TDIE)和时域传输模式法结合求解有耗半空间上方电缆瞬态电流的时域方法。通过电磁波本征模的关联性得到斜入射有耗半空间平面波的时域反射系数,不需计算贝塞尔函数的无穷项和便可以得到时域反射系数的精确解。最后给出了核爆脉冲照射下地面上方电缆感应的电流的仿真结果。结果表明:对于水平放置的电缆,当反射脉冲到达电缆后,反射场总是试图抵消入射场,使得电缆上感应电流小于只考虑入射脉冲时的感应电流;电缆的耦合电流会随架设的高度发生显著变化,相对于铺地的电缆,架空的电缆有更大的感应电流。     

Numerical simulation of the dynamic responses of railway overhead contact lines to a moving pantograph, considering a nonlinear dropper

Both the formulation of a nonlinear dropper and the proper implementation of a time-integration method are proposed for the finite element method (FEM) of pantograph-overhead contact line dynamics. The FEM models for a pantograph, overhead contact lines and dynamic interaction between a pantograph and overhead contact lines are validated step by step, by comparing simulated results with measured results. The dynamic responses of overhead contact lines to a moving pantograph, relevant to geometrically nonlinear droppers, are presented.     

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     

雷电电磁脉冲对架空电力线的耦合效应

 从传输线模型出发,通过建立雷电回击通道、大地和电力线系统一体化模型,采用时域有限差分法计算得出雷电回击电流的近场分布,将场值代入离散的传输线方程后,计算了架空电力线终端的感应过电压。通过对多导体架空线和单导体线终端感应过电压的分析,发现由于其它导体的存在,多导体系统中单根导体两端的感应电压峰值比相同高度处单一导体两端的感应电压峰值低10%～20%;并且对于垂直导体结构,最小感应电压产生在距离地面最近的导体上;而对于水平导体结构,最小感应电压产生在中间导体上。     

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。     

包含非线性组件的系统级电磁效应分析方法

提出一种包含非线性组件的场线耦合分析模型,在此基础上建立了包含非线性组件的系统级电磁效应分析方法。采用基于黑箱模型的非线性散射参数对非线性组件进行建模,给出了非线性散射参数的实验提取方法。利用焊接在微带传输线上的并联反向HSMS-282C型肖特基二极管构成非线性器件,并搭建原理性实验系统测量了电磁波辐射下连接在微带线上的该非线性器件输出端口的频谱和功率。实验结果与该分析方法的计算结果相吻合,证明了该方法的有效性和可行性,为系统级电磁效应分析提供了一种有效途径。