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。     

JEMS-FDTD软件在飞机HIRF仿真中的应用

高强辐射场防护逐渐受到重视,并成为飞机设计和机载设备装机的必要条件。将自主研发的大规模并行三维时域全波电磁模拟软件JEMS-FDTD应用于飞机高强辐射场(HIRF)仿真。数值模拟中为保证计算精度,采用了非均匀网格及共形网格技术。根据实验条件,平面波近似与实验条件差异较大,需考虑天线近场效应,故构建了球面波等效源。给出了平面波近似及球面波近似下的仿真结果与实验结果的对比,结果显示,球面波近似与实验结果更加吻合。在完成数值模拟的基础上,采用PFC方法对仿真结果与实验结果的吻合度进行了评估,评估等级与欧盟HIRF-SE项目定级相当。     

面向超短波接收机射频前端的电磁脉冲效应仿真与效应分级方法

针对接收机射频前端在电磁脉冲环境作用下的电磁损伤过程模拟问题,以超短波接收机为具体研究对象,基于超外差式接收机电路功能模型,采用Verilog-a和SPICE网表联合建模方法,建立了射频前端低噪声放大器（LNA）电磁脉冲效应仿真模型(Extended LNA Model),并通过S参数仿真和瞬态仿真验证了LNA电磁脉冲效应模型具备正常功能仿真能力;为验证该模型的电磁脉冲损伤模拟能力,以标准电磁脉冲波形作为激励,以偶极子天线作为简化的天线前门耦合通道,在不同强度电磁脉冲作用下,接收机中频电路信号输出表现出了无影响、干扰、损毁的电磁脉冲效应过程,说明了建模方法的有效性;最后以EMP-天线耦合电压峰值作为阈值指标,分析得到了超短波接收机不同电磁脉冲效应等级对应的电压峰值阈值数据。     

太赫兹自由电子激光光腔光子晶体镜的设计

利用传输矩阵法对太赫兹自由电子激光光腔光子晶体镜进行了模拟设计,中心波段在1~3 THz。对光腔镜的光子晶体结构参数如介质厚度、层数、折射率与反射率的关系等进行了研究,并给出了一维光子晶体用于高反镜的设计方法。通过对耦合输出镜光子晶体中引入缺陷层情况的数值模拟,发现通过对缺陷层的调节设计,可以实现耦合输出率的可调谐;并给出了可用于THz 自由电子激光光腔耦合输出镜的调节方法。通过对介质层厚度的调节设计,可以实现反射光谱的整体移动,从而实现宽谱可调谐,扩大了高反镜及耦合输出镜的调节范围。     

JEMS-FDTD软件在电磁脉冲区域传播数值模拟中的应用

电磁脉冲区域传播数值模拟是电磁环境效应分析的重要环节, 面临空间尺度巨大、多辐射源、复杂地貌等技术挑战。本文介绍了三维时域全波电磁模拟并行软件JEMS-FDTD的研制进展。在大规模并行计算FDTD方法的基础上结合自适应网格技术, 研制了一种适应于大区域电磁脉冲传播的高效时域全波计算方法。并基于该技术实现了千km2级城市电磁脉冲区域传播的数值模拟, 获取了全空间的时域电磁场信息, 验证了软件在电磁脉冲区域传播仿真应用中的可行性。     

JEMS-FDTD软件在运输机电磁特性仿真中的应用

复杂电磁环境的研究包括多方面内容,其中飞行器的电磁环境效应研究受到了较多的关注。随着计算机技术的飞速发展,利用数值模拟技术获得飞行器电磁特性已经成为飞行器电磁环境效应研究的一个重要手段。我们将自主研发的大规模并行三维时域全波电磁模拟软件JEMS-FDTD应用于运输机整机电磁特性仿真,计算并分析了飞机的电磁耦合散射特性,获得了飞行器在电磁脉冲照射下的时域/频域、近场/远场等电磁信息。计算中为保证精度采用了非均匀以及高阶FDTD计算技术。     

嵌入式薄片模型在时域有限差分算法中的应用

将一等效薄片模型嵌入到时域有限差分算法（FDTD）中,以快速而有效地解决复合材料薄片在电磁计算中的多尺度问题。在该嵌入式薄片模型中,薄片不需要被剖分网格,而是被嵌入到相邻的网格间,从而可以使用相对较大的网格剖分周围物体,进而可节省大量的计算资源。在这一模型中,薄片被等效为一段传输线,并用其频域的导纳矩阵代替。使用数字滤波器理论以及逆Z变换可将频域的导纳矩阵转换到时域,并将其嵌入到时域有限差分算法中。该嵌入式薄片模型被用来计算一单层碳纤维复合材料薄片的反射以及透射性能,并与其解析解进行对比,从而验证该模型的准确性、收敛性以及高效性。该模型被用来计算三种具有不同电参数的单层碳纤维复合材料薄片的屏蔽性能,以研究各电参数对其屏蔽性能的影响。