稀薄空气中圆柱腔体内系统电磁脉冲的混合模拟

系统电磁脉冲广泛存在于强电离辐射环境中,且难以有效屏蔽.为了评估稀薄空气对系统电磁脉冲的影响,本文基于粒子-流体混合模拟方法,建立了三维非稳态模型,计算并分析了稀薄空气等离子体的特性以及其与电磁场响应的相互作用.结果表明,压力越高,光电子发射面附近的次级电子数密度越高,轴向分布的梯度越大,腔体中部的电子数密度在20 Torr(1 Torr=133 Pa)下出现峰值,而电子温度随压力升高单调递减.腔体内的稀薄空气等离子体阻碍了空间电荷层的产生,电场响应峰值比真空条件下的低了一个数量级,电场脉冲宽度也显著降低.光电子运动特性决定了电流响应的峰值,压力升高,到达腔体末端的电流先增加再减小.而等离子体电流会抑制总电流的上升速率,并使电流响应出现拖尾.最后,将数值模拟结果与电子束模拟系统电磁脉冲的实验结果进行比较,验证了本文混合模拟模型的可靠性.本研究所采用的混合模拟方法相比于粒子云网格-蒙特卡罗碰撞方法,大幅减小了计算消耗.     

并行时域电场积分方程方法在动态海面二维电磁散射中的应用

采用并行时域电场积分方程方法对动态海面的二维瞬态散射特性进行研究。为了保证该方法的后期稳定性,时间基函数和空间基函数采用二阶B样条基函数和三角基函数,矩阵元素采用时间维度精确解析、空间奇异部分精确解析进行计算;为了减少对无限海面进行截断带来的边缘效应,入射波采用锥形调制高斯脉冲;结合信息传递接口(MPI)技术和稀疏矩阵压缩存储技术,对不同时刻的海面进行瞬态散射分析。大量的数值算例证明了该方法在计算动态海面的二维瞬态散射问题时的正确性,还可以保证后期的稳定性,提高计算效率,减少对计算机内存需求。     

硅中钛杂质对激光电场分布影响的数值模拟

采用T-matrix数值方法模拟光学系统常用的光学材料硅中金属钛杂质对激光电场分布的影响。分析了不同球形杂质数目、不同杂质球半径、不同球形杂质间距、不同球形杂质排列以及不同相对介电常数杂质对激光电场分布的影响,通过数值模拟了解到:电场幅值的最大值总是出现在沿入射波极化方向上,电场幅值的增大与相邻两球的耦合有关,且两球间距越小电场幅值的最大值越大;相对介电常数实部越小、虚部越大的杂质会导致较大的电场幅值最大值。     

微波大气击穿阈值的理论研究

本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论, 指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题. 然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究, 并将其与直流电场进行比较. 分析发现在高气压下, 电子能量转移频率高, 有效电子温度随电场大幅振荡, 由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率, 因此在高气压时, 微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值. 通过大量分析, 给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.     

微波脉冲频率与重频对限幅器热损伤效应的影响

基于PIN限幅器的电路与器件物理混合模式(Mixed-Mode)模型,考虑大功率微波作用下器件的高温强电场多物理过程,模拟分析了频率及重频等微波脉冲参数对限幅器热损伤过程的影响,数值模拟结果表明,不同频率的微波脉冲损伤PIN限幅器存在"拐点"频率,"拐点"频率的微波脉冲附近需要更多的能量(脉宽)损伤器件;重频脉冲前一个脉冲作用后,器件峰值温度近似负指数关系快速下降,器件处于高温时更容易损伤,热积累效应使重频脉冲较单个脉冲更容易毁伤器件。     

TEM喇叭天线阵列单元互耦对阵列辐射特性的影响

 应用FDTD方法分析TEM喇叭天线阵列的瞬态辐射特性，分析了阵列单元之间的互耦对天线阵列远场辐射的影响。当TEM喇叭天线阵列单元沿E-面叠状排列，阵元间互耦可以改善阵列的低频辐射；沿H-面排列的槽状线阵或平面方阵不利于阵列的低频辐射的改善。用半TEM喇叭天线组成槽状排列和叠状排列的二元线阵和四元线阵，进行了相应的原理性实验，实验结果与理论数值模拟基本一致。     

TE01-TE11模式变换器的迭代设计方法

 对模式变换器的迭代设计方法做了改进：给出了合理的迭代步长初始值取值方式;在迭代时只考虑了贡献较大的几条耦合线,而忽略了贡献小的耦合线,从而改善带宽。利用改进的迭代设计方法设计了波导直径与自由空间波长比值为2.765 5的TE₀₁-TE₁₁模式变换器,总长度为600 mm,相对带宽为6%,中心频率转换效率为99.14%,总计算时间为40 s。利用CST软件进行了仿真验证,结果吻合较好。     

3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE

 介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法（PIC）处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。     

释气对介质沿面闪络击穿影响的粒子模拟

为研究释气下的高功率微波介质沿面闪络击穿物理机制,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、次级电子发射、蒙特卡罗碰撞模型以及碰撞退吸附气体分子模型;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别研究了弱退吸附、强退吸附以及释气分子运动速率对沿面闪络击穿的影响.研究结果表明:介质沿面闪络击穿本质是沉积功率的持续增加.弱退吸附下,次级电子倍增占优,随着退吸附系数的增加,碰撞电离效应对次级电子倍增有促进作用,主要表现为介质窗表面静电场、表面碰撞电子平均能量以及表面碰撞电子数目的增加,此处的表面碰撞电子主要是次级电子倍增形成的;释气分子运动速率高导致介质面附近气压下降,不利于次级电子与气体分子间碰撞电离过程形成.强退吸附下,气体碰撞电离效应占优,随着退吸附系数的增加,离子数增加速度表现为电离频率增加的指数增长形式,碰撞电离效应对次级电子倍增有抑制作用,主要表现为介质窗表面静电场为负、表面碰撞电子平均能量的降低,但是表面碰撞电子数目却得以增加,此处的表面碰撞电子主要是贴近介质面的气体碰撞电离形成的;释气分子运动速率高导致气体厚度增加,扩大了气体碰撞电离作用区域,有利于气体碰撞电离.     

基于数字地图的二维电波传播问题仿真

为快速预测二维地理环境下的电磁环境特性,应用二维抛物方程模型对电磁环境进行仿真。为了得到真实有效的地形数据,研究了从GeoTiff中抽取网格点上地理信息的方法,并利用双线性插值法计算了任意位置处的高程值。同时研究了地球表面两点之间计算距离的方法,将该方法的计算结果与GIS软件结果进行对比,验证了该方法的可靠性。在标准大气环境下,利用二维抛物方程模型仿真分析了不同距离处不同高度的电波传播传播因子的变化情况,为预测真实地理环境中的电波传播特性提供了一种有效的方法。