计算电磁学及其在复杂电磁环境数值模拟中的应用和发展趋势

概述计算电磁学的发展历程及其数值方法,并从学术研究、商业软件以及专用软件三个层次论述国内外研究的最新进展.结合复杂电磁环境的应用介绍复杂电磁环境数值模拟平台的研究现状,最后提出未来发展趋势的几点设想.

不同极化方向电磁脉冲作用于计算机机箱的效应分析

利用时域有限差分法(FDTD)分析了电磁脉冲对计算机机箱的耦合规律。讨论了不同极化方向的线极化电磁脉冲在正向时对计算机机箱的耦合规律和上方斜入射时对计算机机箱的耦合规律。研究表明:耦入计算机机箱的功率密度主要来自于机箱正面的窄缝;上方斜入射较正面入射时,耦入波向机箱下部传播,使得机箱中部功率增大;对于耦合进机箱的功率密度,垂直极化比平行极化入射时大得多。

基于近场旋转技术的共形阵列天线方向图高效计算方法

文中提出了一种基于近场旋转技术的新型共形阵列天线方向图快速计算方法。首先,首次根据共形载体信息对单个特定天线单元近场封闭表面上的电场、磁场和采样点位置进行坐标旋转变换,进而得到其在全局坐标系下近场封闭面上的电场和磁场。然后,基于谢昆诺夫等效原理计算单个天线单元的等效电流和磁流及其所产生的辐射场,并遍历共形阵所有单元计算其在全局坐标系下的辐射场。进一步地,将全局坐标系下所有单元方向图进行矢量叠加得到共形阵列天线的远区总场。最终,通过两个具有不同载体平台与不同阵元的共形阵列天线方向图算例,并与全波仿真以及基于远场旋转技术的计算方法相比较,验证了所提出方法相较于远场旋转技术在计算精度与效率上的优势。

时域全波电磁计算程序JEMS-FDTD在复杂电磁环境研究中的应用

将自主研发的大规模并行三维全波电磁场时域求解程序JEMS-FDTD应用于复杂电磁环境问题,计算并分析了楼宇内电波传播特性和飞行器瞬态电磁特性。对楼宇内电波传播特性的计算获得了建筑物内任意位置的电磁场分布和电磁脉冲在建筑物内的时域传播过程,其结果可用于无线通信和电磁环境安全研究;对飞行器瞬态电磁特性的计算获得了飞行器舱内外瞬态电磁近场分布,其结果可用于飞行器强辐射场防护等研究。

二维介质柱的电磁成像研究

从体等效原理出发得到用介质柱介电参数表示的体等效电流，并得到一个积分方程组求解散射问题．利用变分原理，对此方程组求变分，并化为矩阵方程组，消去含介质柱内总场变化的项，得到散射场变化与介质柱介电参数变化之间关系的矩阵方程．即反演方程．用算例检验此法的反演精度、收敛性能、多目标反演能力、抗噪声性能及利用不完备测量散射信息反演目标的能力．结果表明，此法是一种实用性很强的二维介质柱电磁成像方法．

基于传输线充电技术的高功率电磁脉冲源

为研究高功率电磁脉冲的产生，本文以高阻抗输出的Tesla变压器型高功率脉冲驱动源为充电装置，应用传输线充电技术实现高功率亚ns电磁脉冲的调节，阻抗渐变传输线和同轴波导转换双脊喇叭天线实现亚ns电磁脉冲的有效辐射。研制完成的辐射试验装置能够输出重复频率100Hz，最大场强距离积294KV，频谱分布在0.4～1．0GHz的高功率电磁脉冲。

用于处理复杂对称结构电磁散射的扩展GIM技术

由于原广义镜像法只能够处理具有四面对称的电磁散射问题。为此，在广义镜像法原理的基础上，给出了处理一种具有特殊复杂对称结构的电磁散射问题的新方法，称之为扩展ＧＩＭ方法。对比结果表明：利用扩展ＧＩＭ，较之于原ＧＩＭ，在对高于四面对称的散射体的求解过程中，能够节约更多的上机运算时间和运算所需的存储；还通过该方法对正六面柱的具体分析。

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。

用于大纵横比物体二维电磁散射问题的推广T矩阵方法

由于原始的T矩阵不适用于求解具有大纵横比物体的电磁散射问题，针对二维问题，本文通过对其格林函数的椭圆柱波函数展开，提出一种求解二维电磁散射问题椭圆柱波函数的T矩阵程式（以下称作为推广T矩阵）；同时，本文还就推广T矩阵的具体运算给出了应用实例，结果表明：推广T矩阵能够很好地用于谐振频域的大纵横比物体的电磁散射问题。

高功率电磁波脉冲在电离层中的传播

用时域伪谱(PSTD)算法数值模拟了高功率电磁波脉冲在整个电离层中的传播。利用缩减的电离层模型并忽略非线性过程,脉冲在电离层中的传播可用脉冲在冷等离子体中的传播方程来描述。时域有限差分(FDTD)法解决这个问题将耗费大量的时间和内存,因此,使用PSTD方法来解决冷等离子体中的方程,并采用完全匹配层边界条件截断求解空间。所得脉冲在整个电离层传播的数据显示,在265 km附近有一个分界点,其以下是反射波,以上既有反射波又有前向波。这与用高阶(FD)2TD方法数值模拟结果一致,表明时域伪谱算法模拟电磁波在电离层中长距离传播的有效性。

基于并行FDTD方法的示波器机箱电磁脉冲耦合模拟

电磁脉冲可以通过示波器上的孔缝和裸露的电缆线耦合进机箱内部,使检测到的信号波形发生畸变,甚至可能毁坏内部器件。基于并行自适应结构网格应用支撑软件框架,采用大规模并行时域有限差分方法(FDTD)模拟不同极化方向高斯脉冲正入射示波器机箱的耦合。计算结果表明,在线极化的电磁脉冲照射下,示波器内部主极化和其他方向都存在电场分量,不同极化波耦合进入的能量衰减速度不同。

部分填充手征等离子体波导的电磁波

把麦克斯韦方程和电磁场分解成横向和纵向分量，导出了简明的一般性的手征等离子体填充的任意截面波导的波动方程和横向纵向场的关系式。对于部分填充手征等离子体波导，导出了它的色散方程。这一方程的数值解给出了ＨＥ１１，ＥＨ０１和ＨＥ２１模式的色散图。随着手征等离子体填充面积的增大，ＥＨ０１模式的色散曲线向更高的频率移动。随着手征导纳的增加。

时域有限差分技术结合Thompson变换计算复杂形体的电磁散射问题

本文首次将微分-Thompson变换应用到电磁散射领域，为解决复杂物体的电磁散射问题提供了一种全新的方法．该方法先利用微分-Thompson变换将形体变换为计算域内的规则形体，再用时域有限差分法在计算域内求出场分布，由变换的一一对应关系直接得出物理域内的场值具体计算实例成功验证了该方法的有效性.

电磁波在分形界面的散射特性

在过去的几十年里，电磁波在粗糙表面（海平面、粗糙地形、海岸线等）的散射问题在理论上和应用上都得到了长足的发展．在过去的研究中，常常用确定的周期函数和随机函数来作为粗糙表面的数学模型．分形几何的产生和应用为此提供了新的工具．因为分形函数同时具有在大尺度上的有序和小尺度上的无序，所以可以方便地描述确定函数和函机函数或者是这二者适当的组合函数．在这篇论文中，我们采用分形函数来描述粗糙平面，以此为基础来分析和研究电磁波与粗糙面的相互作用．

电磁脉冲在电离层中传播特性的分析

脉冲在电离层中的传播可用脉冲在有耗冷等离子体中的传播方程来描述。采用指数差分FDTD方法对脉冲在电离层中的传播进行了数值模拟。研究了脉冲在电离层D层、F1层以及F2层中传播时的衰减特性以及反射特性。研究表明,脉冲在D层中衰减较小,在F1层和F2层中衰减比较严重。由计算所得的D层、F1层以及F2层的反射系数以及透射系数可以看出,D层对脉冲整个频段反射很小,而F1层和F2层对脉冲低频段的反射很大。

传输线电磁脉冲耦合问题研究综述

传输线是各种电子电气设备中的常见结构,是信号传递、能量传输的重要通道,同时也是电子电气系统中极易受到外界电磁脉冲干扰的对象之一。电磁脉冲与传输线之间的耦合问题一直是国内外研究者关注的一个热点。文章介绍了低频情况下研究场线耦合问题的经典传输线模型,并对基于传输线模型的BLT方程、SPICE等效电路模型发展历程、研究现状进行了较为详细的分析和总结,同时梳理了传输线方程FDTD解法的发展脉络。之后,简要介绍了高频情况下常用的场线耦合模型。最后,就当前场线耦合问题中被广泛关注的部分热点问题进行了分析和讨论,并指出了一些亟待完善的地方。

3kW微波源传导电磁干扰测试及分析

微波源工作时内部的电磁干扰可以通过电源输入线耦合出来,干扰其他电力电子设备。研究三相输入电源线的传导干扰文献很多,但分离的共模(CM)和差模(DM)电流局限于相线之间,缺少对中线上干扰的分析。使用电流探头测试3 kW磁控管微波源输入线的传导干扰,利用矢量网络分析仪校准电流探头,从而获得150 kHz^30 MHz频带内相线和中线的传导干扰电流,并分离出CM电流与DM电流。通过对比DM电流和中线上干扰的频谱,分析了中线上传导干扰成分。测试数据表明,在150 kHz^8 MHz频带内差模干扰电流比共模干扰电流大10 dB以上;中线上的干扰与DM干扰幅值一致,表明中线上的干扰主要是差模成分。该干扰分布规律有助于提出有效的干扰抑制手段。

加载天线的电磁脉冲耦合特性研究

工程上,通过天线加载改变天线上的电流分布和输入带宽,同时缩短天线尺寸,实现天线小型化设计。本文将细导线FDTD与集总元件FDTD结合起来,模拟了强电磁脉冲对集总加载天线的耦合,并提出了网格内置集总元件的FDTD处理新方法。将该算法计算结果与商业电磁软件仿真结果进行对比,验证了算法的正确性。研究表明,天线加载集总元件不会改变天线上电流响应的主要频率成分,但会影响其幅值大小。

Thompson变换－FDTD方法模拟不规则形体的电磁散射问题

三角形由于尖锐的角点，半环形由于既有凹面又有角点，它们都给传统的ＦＤＴＤ数值求解造成了一定的困难。这是因为要获得较高的精度，必须细分网格，从而增加内存需求和计算时间。同时三角形柱和半环柱对Ｔｈｏｍｐｓｏｎ－ＦＤＴＤ方法来说也是“坏”的形状，它使得Ｔｈｏｍｐｓｏｎ变换的精度有所下降。本文通过模拟这两种典型的不利形体的散射问题。

1kW微波源机箱电磁耦合的并行FDTD模拟

微波源机箱的不同面板上开有不同数量和大小的矩形孔缝和散热通风孔,电磁脉冲可以通过机箱上的孔缝耦合进入微波源内部,对内部电路和设备造成干扰。通过自动网格剖分技术实现了1 kW微波源的快速建模,采用并行时域有限差分(FDTD)算法模拟了不同极化方向下高斯脉冲正入射1 kW微波源机箱的耦合问题,分析了微波源机箱的电磁脉冲耦合规律。研究结果表明,数值计算结果与电磁软件仿真结果吻合得比较好,电磁脉冲的极化方向对耦合进入微波源箱体内的电场强度影响不大,微波源机箱中心点的谐振特性明显。