静电场能量之两种表述及等价性探讨

为给出静电场能量电荷体密度积分形式成立的条件和澄清把体密度积分形式直接改写为面密度积分形式的不恰当,从静电场能量的定义式出发,采用麦克斯韦方程和静电势公式推导出静电场能量的另一表达式,并对该静电场能量表达式作一般性推广,用于处理电荷分布不连续的任意无限空间或有限空间区域内的静电场能量问题,具有普适性。举例说明2种能量表述形式的等价性。澄清面电荷积分形式1/2∬σϕdS来自于积分-1/2∳ϕD∙dS,而非来自积分1/2∭ϕρdV。

位移电流测试方法的改进及应用

自从麦克斯韦第一次提出位移电流这一概念之后,其在薄膜表征中便得到广泛的应用。然而,在课堂教学中,极少涉及位移电流的测试原理及相关应用讲解,更缺少对其实际应用的介绍。本文从位移电流的测试原理出发,联系实际应用,提出了基于周期性阶跃电压驱动的电流测量(CPSIV)的新方法。这将有效地加深学生对于位移电流物理本质的深入理解。同时,我们以量子点发光二极管(QLED)为平台,对这一新的测试方案进行了实验验证。针对其中空穴传输层薄膜的缺陷特性及其对器件性能的影响进行了表征,揭示了器件的发光开启机制,证实了我们方案的可靠性。

基于永磁体间磁力作用的不倒杆

利用永磁体间的同极相斥作用,构造一个磁力势阱,设计制作高度可调、底部防滑的不倒杆装置。该装置抗干扰能力强、稳定性好,结构简单、设计巧妙,永磁体间磁力约束不需要外界提供电源,具有无接触控制、节能低成本等优势。

星载材料极弱剩磁测量方法研究

为解决科学探测卫星星载材料微弱磁性测量难题,本文提出了一种卫星部件极弱剩磁的测量方法,并研制了测量系统。利用屏蔽技术去除外界磁场干扰,在屏蔽系统内搭建了测量系统,使用零场原子磁力仪采集旋转试件的磁场频谱信息,通过小波多分辨分析方法处理得到试件的磁特征数据。研究表明:本文方法可有效提取极弱剩磁信号,且系统稳定度优于1×10^(-12) T/30 min,磁场分辨率优于1×10^(-12) T,磁矩提取分辨量级可达10^(-6) A·m^(2),为整星磁洁净控制和空间磁场高精度探测提供了途径。

CIPs@Mn_(0.8)Zn_(0.2)Fe_(2)O_(4)-CNTs复合材料低频吸波性能研究

随着5G无线通信与低频雷达侦察技术的飞速发展,低频电磁波辐射已成为当代的严重问题。目前,中高频段吸波材料的研究已趋于成熟,而设计低频段吸波材料仍面临巨大的挑战,亟待研究者们解决。基于四分之一波长相消机制,本研究设计了0.5~3 GHz低频段复合吸波材料。采用简单的一步水热法,诱导铁氧体在羰基铁粉与碳纳米管表面生长,制备出CIPs@Mn_(0.8)Zn_(0.2)Fe_(2)O_(4)-CNTs三元复合材料,对比研究了碳纳米管含量对材料吸收峰频率的影响。实验结果表明,引入碳纳米管,一方面为材料带来了界面极化、偶极极化等额外的损耗机制,增加了材料的衰减系数;另一方面基于四分之一波长相消机制,高介电与高磁导率的耦合,使材料在低频段获得良好的阻抗匹配。最终,在4 mm厚度下,样品分别在2.11与1.75 GHz处,获得了–40.8与–32.1 dB的反射损耗,–10 dB带宽分别为1.70~2.70 GHz和1.40~2.20 GHz。该复合材料制备工艺简单,低频吸收性能良好,具有很大的应用潜力,为开发更有效的低频吸波材料提供了新的思路和方法。

大型发电机端部绕组电磁力物理数字孪生建模

为了在“智慧汽轮机”中更好地结合物理信息模型先验知识与数据驱动模型,并向真实机组模型迁移试验模型,进一步实现可靠的实验室数值仿真数据和真实运行数据互相印证与混和建模驱动,以600 MW大型汽轮发电机为研究对象,建立融合演进因素的汽轮发电机定子绕组本体模型,提出集成数字孪生智能绕组研究框架,并提出智能绕组内涵的形式化定义。基于镜像法、气隙回转电流应用叠加法、毕奥-萨伐尔定律和安培力定律建立定子端部绕组电磁力的数学机理物理信息模型。对有限元电磁力和数字化电磁力进行了分析对比,验证了所建立电磁力数字化物理信息模型的合理性。对比分析振动响应结果,进一步验证了数字化电磁力物理信息建模的正确性以及有限元电磁力对比验证的正确性。研究将对“智慧汽轮机”运维的振动动态基于物理机理与数据驱动混和建模的数字孪生故障诊断与预测提供有力的支撑。

宽带无线通信系统环境的电磁处理体系与方法

围绕系统性电磁处理,分析了近年来相关研究工作和进展,提出了基于辐射端点连接面为基准的电磁处理网络架构和基站终端多维辐射体等效辐射模型,以及面向正向电磁利用、反向电磁抑制的电磁互作用分析技术和面向空中电磁特性控制的测试技术等。仿真和测试表明,所提出的多频组网电磁频谱规划突破了多频带及大带宽难题,提高了频谱利用率和复杂环境的主动电磁调控能力;所提出的基本模型及计算方法,突破了受限空间中高效电磁计算预测以及电路天线一体化难点;室外场景重构测试建模提升了精准重现及多场景辐射一致性评估水平。16双极化探头均匀分布、支持4×4的多探头方法被3GPP 5G标准TR 38.827正式采纳。

基于惠更斯等效原理的高速高密度PCB分级建模方法

当带宽达到20 GHz以上时(波长从15 mm到无穷小),高速高密度电子系统的内部电路电磁环境变得十分复杂,越来越难以建模和分析预测,进一步当带宽达到40 GHz以上时,电路电磁环境问题将变得更加尖锐.为在设计阶段能够对电磁作用过程、作用效应进行预测评估及控制,需要精确的建模方法和针对大尺度问题的快速计算技术,尤其是超大带宽超高速混合电路和集成电路.本文提出了基于混合电路环境电磁计算基础理论的跨尺度处理技术,通过惠更斯等效原理和电磁奇异性几何结构的电磁收敛降速机理的利用,解决了多维交叉多尺度电路电磁环境场路融合的高效率高精度建模技术挑战;利用惠更斯等效原理和基尔霍夫积分方程,在区域边界面上定义了惠更斯端口,提出了对于任意复杂印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)同时垂直方向和水平方向区域分解的一般方法,实现了任意PCB结构的分级分类处理和模块化封装,提高了高速高密度电子系统分析的灵活度;提出了基于几何结构电磁学多重本地本征展开的技术途径,发展了基于模式和区域分解分割的快速并行处理技术,通过电磁锐变区域本征描述及场分布的本征基函数表征,实现了高精度和高计算速度兼得,减少了复杂电子系统的计算时间和设计时间.统计数据表明,本文提出的方法在0~40 GHz大带宽频率范围内频偏误差为3.7%、幅度偏差为±3 dB.本文提出的PCB分级建模分析方法可以应用于高端电子通信系统设计,提升我国宽带高速数模系统的高效电路设计和环境电磁调控能力,缩短产品研发周期.

电磁超表面全息成像技术研究进展

超表面全息术的出现极大地促进了全息成像技术的发展,同时也拓展了电磁超表面的应用范围。为进一步梳理超表面全息成像的发展脉络,以技术发展的时间轴为主线,系统地回顾了超表面技术的发展历程,以及受益于超表面技术的全息成像模式的进步。随着技术的进步,超表面全息术逐渐从可见光频段向微波频段发展,从静态重现向动态全息演变,因此,着重介绍了超表面全息术的未来方向——可重构超表面及其动态全息技术,并且从超表面单元高性能创新技术、超表面阵列全息模式以及超表面全息系统研究3个方面对可重构超表面全息术的发展做了展望。

导电矩形薄板的磁弹性超谐-内联合共振

研究横向磁场中矩形薄板在外激励作用下的超谐波共振和1∶3内共振的联合共振问题。针对一边固定三边简支的矩形薄板,利用Galerkin积分法得到两自由度非线性振动微分方程组。采用多尺度法求解,得到前两阶模态的幅频响应方程组。通过算例,得到系统发生超谐-内联合共振时前两阶响应幅值与各参数关系的曲线图,讨论了外激励幅值、磁场强度等参数对系统振动的影响。结果表明,考虑内共振时高阶模态被间接激发,系统存在着能量的交换,调节磁场强度可控制系统的共振。

Pt/Co/Au多层膜中磁斯格明子的密度调控

磁斯格明子是一种拓扑自旋结构,凭借其尺寸小、结构稳定和驱动电流密度低等特性,有望成为新一代赛道磁存储器件的信息存储单元。在存有磁斯格明子的材料体系中,具有界面Dzyaloshinskii-Moriya Interaction(DMI)的铁磁多层膜可与现代纳米制造工艺兼容,并且这种铁磁多层膜产生的磁斯格明子在室温下可稳定存在,这为基于磁斯格明子研发的电子器件提供了材料基础。然而磁性多层膜中界面DM相互作用、交换相互作用和偶极相互作用等各种作用之间的竞争,导致了磁斯格明子密度的随机变化,降低了磁斯格明子器件的可控性。因此,系统的研究材料参数对磁斯格明子密度的调控具有重要的意义。本文通过改变磁性层Co层的厚度调控了磁性多层膜中磁斯格明子的密度。实验结果表明,随着Co层厚度的增加,磁斯格明子的密度先增加后减少,其中Co层为2.1 nm时磁斯格明子密度最大。理论计算表明,磁性层厚度的变化会引起磁各向异性的转变和内禀属性DM相互作用的改变,进而影响磁斯格明子密度的变化。

基于遗传算法的宽带渐变电阻膜超材料吸波器设计

近年来,基于超材料的电磁吸波器件由于其宽带、易制备等优势而备受各国研究者的广泛关注.本文为实现宽带电磁低可探测,提出一种渐变电阻膜-介质复合结构的超材料吸波器.基于传输线理论和阻抗匹配原理,对强吸波条件进行了分析.在单元结构设计方面,采用遗传算法在多变量域内全局搜索最优解,快速地确定出能够兼顾低频与宽带吸波性能的超材料单元结构与电阻参数,并对器件吸波性能与吸波机理进行了深入的探讨.仿真结果表明,在垂直入射下,所设计的超材料吸波器对1.62—19.16 GHz(相对带宽168.8%)之间的入射波吸收率均大于90%,有效地向L和K波段拓展了吸收带宽.虽然在部分频段测试和仿真结果之间存在一定偏差,但两种类型的曲线随频率的变化趋势基本一致,这充分证明了所设计的超材料吸波器在低频宽带吸波领域具有潜在应用价值.

《太赫兹探测、通信及其一体化》专辑发刊词

太赫兹频段频谱资源丰富,在探测与通信方面具有分辨率高、通信容量大、抗干扰能力强、可全天时工作、易于高度集成等突出优势,而太赫兹探测通信一体化技术通过探索构建全新技术体系与应用模式,把雷达与通信两者科学地融合在一个平台上,实现“精细探测+高速通信”的综合服务和灵活应用能力。因此,发展太赫兹探测、通信及其一体化技术具有重要的科学意义与应用价值。

微波技术对化工过程的强化——评《微波化工技术》

微波是一种波长较短的电磁波,其波长在红外线和短波之间,容易集聚且具有高定向性、直线传播性、热特性、非热特性等性质。微波会作用于物质中的极性分子,使极性分子排列位置迅速发生变化,摩擦产生热量。微波加热会使物质内的分子链断裂,使脱水过程等反应加快,进而产生化学效应。微波化工技术是以微波为应用原理,以电磁场理论、介质损耗理论、化学及化工原理、材料科学原理等理论科学为基础,将微波应用于化工行业,并利用其加热性等性质,强化化工反应过程并实现工业化的一种技术。微波化工技术能够使有机反应比传统加热方式快数倍,操作简单且效率高,操作过程中很少造成资源浪费,能有效支持化工行业的可持续发展。

高灵敏微波载荷卫星出舱电缆及舱体屏蔽的EMC设计

针对高灵敏微波载荷卫星对舱板电磁屏蔽效能的高需求与出舱电缆对舱体屏蔽效能巨大破坏性之间的矛盾,文章首先提出航天器理想舱板(无出舱电缆)的电磁屏蔽效能分析方法,给出提高对于1 GHz以上干扰电磁波屏蔽效能的设计原则;然后分析出舱电缆成为影响航天器外舱板对P波段(150 MHz~1 GHz)电磁波屏蔽效能主要因素的机理,给出干扰电流与干扰场强关系计算公式;最后给出出舱电缆及舱体屏蔽的电磁兼容(EMC)设计方法,提出用接地电阻测量法验证出舱电缆屏蔽皮接地的有效性,为总体总装EMC实施找到关键控制手段,并通过整星试验数据确认此方法能有效提升整星EMC试验效率。

球形双曲色散超材料腔的多重窄带回音廊模式及透明显示应用

本文提出并设计了一种用于提高彩色透明显示性能的球形双曲色散超材料(HMM)腔.该腔由介质/银层交替包裹银核组成,具有深度亚波长性质,并支持和银层数目相同的同阶回音廊模式.这些模式能够将电磁波能量高度局域在不同介质壳层内,从而降低欧姆损耗,减小共振线宽.针对5层银/介质交替包裹形成的HMM腔,详细分析了结构参数对回音廊模式的调谐作用.发现仅改变最外层介质或银层厚度,几乎不影响TM1,2和TM1,3模式的共振位置,但对TM1,1模式的共振位置及3个模式的强度产生明显调谐.通过优化HMM腔,在红绿蓝波段实现三重窄带共振,且在三重共振位置均具有偶极辐射特点,能够将散射光限制在和入射光夹角为-45°—+45°范围内.该HMM腔不仅支持红绿蓝三重窄带共振,并具有宽的散射角,可应用于实现高透明度、高亮度和宽视角的全彩透明显示.

机械设备用感应电机电磁力动态特性计算与研究

机械设备用感应电机的动态性能是不可忽略的设计要求。为抑制电机动态电磁振动和噪声水平,展开了对电机电磁力动态特性分析及相应削弱措施的研究。首先利用经典气隙谐波磁场理论,确定磁场中的谐波磁势和谐波磁导来源,由此再通过张量法计算电机径向电磁力,并对比主要谐波分量的幅值、极对数和频率特征。然后采用有限元仿真和傅里叶分解法,确定电磁力时空行波的基本特征,推断主要力波的谐波磁场产生来源。结果表明谐波径向力绝对幅值的变化很难影响其占基波的相对比值。最后建立磁性槽楔理想模型对比仿真,谐波电磁力的削弱程度与槽楔磁导率正相关,样机振动测试试验间接验证了磁性槽楔的优越性,为电机动态特性研究及优化设计提供理论依据。

基于G-TF/SF方法的分层地表电磁环境研究

本文将基于广义总场散射场(generalized total-field/scattered-field,G-TF/SF)方法的时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法用于分层地表的电磁环境计算中,四周采用卷积完全匹配层(convolutional perfectly matched layer,CPML)吸收边界条件。G-TF/SF方法可有效削减由地面四周截断产生的边缘效应,提高分层地表电磁环境计算精度且G-TF/SF边界只需要加载入射场,无需计算反射场与透射场。G-TF/SF方法将部分边界埋在完全匹配层(perfectly matched layer,PML)区域中,对埋在PML层中G-TF/SF边界的入射波乘以相应的系数,保证将合适的入射波等效到主网格区域进行计算。本文用G-TF/SF方法模拟计算了水平单层地表及不同分层地表情形下的电磁环境,并将水平单层地表结果与用解析法计算的结果进行对比;将不同分层情形与采用有限积分技术得到的结果对比,验证了G-TF/SF方法计算结果的正确性。

STEAM教育理念下电场自动测绘仪的开发

将静电场教学实践中遇到的问题,作为课外拓展课题研究是新工科人才培养的有效方式之一。本文基于STEAM教育理念,采用项目式学习,以学生为主体,以跨学科融合和创新为导向,制定教学目标和教学方法。将物理理论和实验创新有机融合,引导学生结合单片机技术和Matlab程序,设计出新型可视化电场自动测绘仪。该仪器操作简便高效,测量精度高,还能直观展示电场的动态变化。而学以致用的过程,提高了学生的创新能力和知识综合运用能力,也为高校的教学改革提供了新思路。

浅谈安培环路定理的使用

通过应用安培环路定理求解了有限长载流直导线的磁感应强度,说明了“有限长度”的数学条件和物理背景.从麦克斯韦方程的积分形式和微分形式,讨论了安培环路定理的使用场景,阐明了非对称电流密度分布情况下求解稳恒磁场的基本思想——边界条件确定磁场,并拓展至应用高斯定理求解非对称电荷密度分布静电场问题.