电磁能量选择表面的场路协同仿真与实验研究

为研究能量选择表面的防护性能,采用PIN二极管Spice模型,通过时域的场路协同仿真得到了能量选择表面(ESS)的瞬态响应波形。对影响插入损耗和防护效能的参数进行研究,优化结构参数,减小了尖峰泄漏。研究表明,双层ESS较单层ESS能够有效防护反向脉冲,同时增加单元金属条的长度能够减小脉冲尖峰泄露。通过强电磁脉冲辐照实验,验证了ESS小信号传输与强电磁脉冲防护的自适应防护能力,为强电磁脉冲的防护提供了可靠的方法。

空气静电放电的场路协同仿真研究

场路协同仿真方法可耦合场与路研究空气静电放电的非线性特征,有助于静电放电防护的进一步改进。基于CST仿真软件,首先通过静电放电发生器标准电流测试模型对场路协同仿真方法进行验证,然后利用该方法将静电放电发生器的3D全波模型和非线性电弧模型相结合,探究放电电流随激励电压和放电弧长的变化关系。仿真结果表明:放电上升时间和峰值电流均随着激励电压和弧长指数变化,而小弧长情况下与接触放电类似接近线性变化;而结合实验中电弧长度随电压变化的特性,得出激励电压、电流峰值和上升时间的定量关系。仿真结果和文献中的实验结果相吻合,同时场路协同仿真可获得任一时刻的场分布信息,对电子设备的故障检测具有指导意义。

计算电磁学中的场路协同仿真方法综述

随着集成电路的集成度和脉冲信号速度的提高,电路中的波效应越来越明显,单纯使用电路分析方法已不能满足精度要求,这种情况下必须对原问题分而治之.采用3维电磁场全波方法对封装与互连结构进行分析,采用电路分析方法对电路元件或电路模块进行分析,最后将二者耦合起来实现场路协同仿真.论文首先对计算电磁学中的场路协同仿真问题进行分类,然后分别介绍各类场路协同仿真的国内外研究现状,最后探讨场路协同仿真的未来研究方向.

全同轴型Marx发生器的研制与场路协同仿真

针对Marx发生器小型化的应用需求和快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程的实际情况,开展了全同轴结构Marx发生器的研制和场路协同仿真。Marx发生器采用基于环形电容器、环形开关、锥形隔离电感、轴心单边充电的全同轴结构方案,避免结构偏心带来的局部场增强效应。在CST软件中建立了Marx发生器实际结构模型,利用时变材料和场路协同仿真功能实现了充放电过程的动态仿真,仿真结果显示出快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程。据此可以对绝缘设计进行优化,并分析结构参数对输出脉冲的影响。研制的5级Marx发生器体积小于0.015 m 3,可在10μs内充电至88 kV,对40Ω传输线输出峰值电压210 kV的高压脉冲,峰值功率约1.1 GW,脉冲前沿5.3 ns,半高宽11.2 ns。

中短波有源天线阻抗匹配场路协同仿真评估

工作频段在0.5MHz^30MHz的中短波有源单极子接收天线相比无源天线,具有小巧、重量轻、便携等结构优势。有源单极子天线振子尺寸通常小于最大频率波长的,天线输出阻抗具有实部小、虚部高的特点。如果将天线直接与后端接收机相连,大部分能量会由于阻抗严重失配而被反射。有源电路的主要作用就是宽带阻抗变化,将天线输出阻抗变换到50Ω输出。为了让天线接收到的信号最大效率地通过后端有源电路放大输出,关键点在于有源电路前端的阻抗匹配电路设计。传统的设计方法是将天线与有源电路分开设计,然后通过不断的测试和优化来逼近最优效果,该方式的缺点是具有一定的盲目性。为了评估有源天线匹配后对天线接收效果的改善程度,本文采用基于场路协同仿真的方式,在设计阶段便可以将天线和有源电路结合起来整体仿真,以达到设计即实用的效果。

基于场路协同的智能显示终端空气静电放电仿真

静电放电由于具有高电压、强电场、瞬时大电流和宽频电磁辐射,对电子产品的危害极大,特别是空气静电放电更具普遍性和危害性。本文将描述空气放电的Rompe-Weizel非线性电弧SPICE模型与静电放电全波模型结合,并结合描述芯片工作的IBIS模型,建立空气放电的场路协同仿真模型,研究空气静电放电对智能显示终端放电时放电电流、电磁场分布及信号传输情况的影响。仿真结果表明,放电弧长越长,电流峰值越小,上升时间越长。在空气放电影响下,信号传输线的不同终端处所受干扰不同,影响主要集中在前2 ns,且并不是辐射电磁场越强处所受干扰也越大。场路协同仿真为复杂电子设备的空气放电研究提供了一种更加符合实际情况的仿真方式,为电子设备设计和制备过程中降低静电干扰提供了理论指导。

GaN基高功率微波器件高效场路协同分析方法

以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体正促使着固态微波功率器件向着更高功率、更高效率、集成化的方向不断发展,但这会导致器件内部电磁场分布效应更为显著,单一的路仿真已无法满足分析设计的精度需求,亟需建立有源GaN器件与无源电磁结构的一体化协同仿真技术.针对这一需求,本文提出基于时域不连续伽辽金技术的GaN基高功率微波器件高效场路协同仿真方法,将所提取的GaN HEMT(high electron mobility transistor)器件大信号紧凑模型引入电磁场方程中,采用局部时间步进技术以消除非线性紧凑模型及多尺度网格对全局算法稳定性条件的限制,实现有源器件-无源电磁结构、多尺度粗细网格的高效自适应求解.通过数值仿真算例与实验测试及软件计算结果对比展示了本文所提方法准确性和高效性,可为先进大功率微波器件的高可靠研发提供理论基础与设计参考.

对集中匹配电路加载天线的扩展FDTD场路协同计算

采用扩展时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)算法实现电磁场和电路混合系统的协同计算。介绍了扩展FDTD的原理和嵌入不同集总元件的迭代公式,以一款馈电端口加载有集中匹配电路的微带双偶极子天线为例,采用扩展FDTD算法仿真了该天线和匹配电路混合系统。仿真中通过将微带馈线直接插入复数频率偏移完全匹配层(complex frequency shifted perfectly matched layer,CFS-PML),用2次FDTD运算提取了该混合系统的S11参数。对该加载天线进行了加工制作和实验测试,结果表明:基于扩展FDTD的场路协同计算和实验测试结果吻合良好,在加载集中匹配电路后,该微带偶极子天线的方向图和增益基本保持不变,谐振频率点发生偏移,S11曲线有显著变化。

电动汽车用磁阻式旋变及其解码电路的协同仿真

提出一种磁阻式旋变及其解码电路的场路协同仿真方法。基于磁阻式旋变及其解码技术,搭建Maxwell2D/MATLAB协同仿真模型,直接对旋变解码信号进行相应的误差分析。磁阻式旋变样机试验数据与协同仿真结果相吻合,验证了该仿真模型正确、协同仿真方法可行。

基于场路耦合变频调速系统传导干扰研究

三电平变频调速系统的电磁干扰很大程度取决于系统的高频寄生参数。寄生参数实验测量受外界影响严重,传统的传导干扰仿真难以保证精度。这里通过有限元软件Q3D提取器件的寄生参数,基于"场"和"路"相结合的思想,"路"的控制策略和"场"的电磁过程相结合,采用Simplorer与Maxwell场路协同仿真对变频调速系统的传导干扰进行研究,经实验验证,Q3D提取高频寄生参数更加稳定和精确,场路结合的方法对传导干扰的仿真分析比单纯电路软件仿真更加准确。

基于目标场法和CST仿真的低场磁共振射频线圈设计

根据临床对人体肺部磁共振成像的需要,设计一种用于肺部0.06 T低场磁共振成像的^(3)He射频线圈。通过预先设定感兴趣区域(ROI)及其内部的目标磁场,运用目标场法逆向求解ROI内产生目标磁场所需的源电流密度分布,流函数获取射频线圈理想绕组。然后利用CST软件建模简化线圈绕组,场路协同仿真研究负载射频线圈在不同品质因数(Q值)下的射频场B_(1)和特定吸收率(SAR)分布等性能指标。仿真实验结果表明,通过改变射频电路的电容值可调整线圈的Q值,线圈Q值越大,单位功率信号激励下产生的B_(1)场强越高,SAR值越高,传输效率越低,而B_(1)场均匀性不受影响,一直保持在近90%。通过射频线圈仿真,验证了目标场法联合CST仿真设计方法的可行性,可推广至高频射频线圈设计。

双级PIN限幅器的微波脉冲响应机理及规律

基于双级限幅器中两个PIN二极管的多物理场仿真模型与限幅器中其他电路元器件的SPICE模型,搭建了Si基双级PIN限幅器的场路协同仿真模型,利用这一模型对微波脉冲作用下限幅器中两级PIN二极管的温度响应特性进行了仿真.在此基础上对限幅器在不同频率、幅值微波脉冲信号作用下内部发生熔化现象所需的时间与能量进行了仿真,并对这一过程进行了机理分析与响应特性规律总结.仿真结果表明,当限幅器中第一级PIN二极管内部最高温度已达到材料熔点时,第二级PIN二极管的温度变化幅度较小.限幅器内部发生熔化现象所消耗的时间与能量随信号幅值、频率的变化呈现出规律性关系,发生熔化现象所需的时间随信号幅值或频率的提升而减小;发生熔化现象所需的能量随频率的提升而降低,随幅值的变化存在极大值点;限幅器的响应特性对信号参数表现出了不同的敏感性.

基于TLP建模的系统级静电放电效应仿真

系统级静电放电(ESD)效应仿真可以在电子系统进行测试之前进行有效的静电放电效应防护,缩短研发周期。根据传输线脉冲测试(TLP)结果,对瞬态电压抑制(TVS)二极管和芯片引脚进行spice行为建模,结合ESD脉冲源的等效电路模型,PCB板的S参数模型,采用场路协同技术完成了系统级静电放电效应的仿真。针对一个典型的电子系统,在IEC 61000-4-2 ESD应力作用下,完成了一款开关芯片防护电路的仿真,并对电路进行了加工、放电测试,仿真与测试芯片引脚的电压波形吻合良好,验证了该仿真方法的有效性。

风洞变频调速系统电磁兼容仿真研究

针对风洞静压测试容易受到干扰这一问题,以结冰风洞H桥级联大功率变频调速系统为研究对象,利用ANSYSElectronicsDesktop软件探索了变频调速系统电磁兼容“场-路”协同仿真的方法。通过对变频调速系统动力电缆高频参数、输出谐波干扰、线缆串扰和空间辐射干扰建模仿真,得到了系统传导和辐射干扰波形,为解决风洞静压测试受干扰问题提供了方向和数据。通过整改前后的风洞静压测试结果对比,变频器调速系统的干扰得到了有效抑制,保证了静压测试结果达到了精度要求。

基于SIwave和Designer的某航行灯PCB仿真设计与分析

为了优化某航行灯PCB的电磁兼容性问题,提出了基于ANSYS的仿真试验。通过对PCB进行噪音成因分析,并依托SIwave和Designer模块进行场路协同仿真,分析恒流模块的EMI噪声。随后采用阻抗匹配、去耦滤波等方式优化PCB板的谐振问题和近场辐射问题。实测结果表明,整改后,PCB板的近场辐射水平显著降低。

能量选择表面的瞬态响应

为实现强电磁脉冲防护和信号收发的兼容,研究了一种基于能量选择机制的强电磁防护结构,即能量选择表面。该防护表面利用半导体压控导电特性,实现了强场辐照时防护表面由高阻态向低阻态的转变,具有能量低通特性和超宽带特性。利用场路协同仿真方法,分析了能量选择表面瞬态响应与PIN二极管阻抗特性、强电磁脉冲峰值场强及脉冲前沿的关系,结果显示:尖峰泄漏功率和响应时间与Ⅰ层厚度、强电磁脉冲峰值场强成正比,与少数载流子寿命成反比变化。

机载射频收发系统电磁兼容性预测分析方法研究

本文在电磁干扰预测方程的基础上,采用场路协同仿真的分析方法,针对机上敏感设备的发射机、接收机建立了电磁兼容行为级模型和天线模型,分析了设备的受扰程度,并提出了干扰抑制方法。本文的研究可有效解决机载通信系统设备间的电磁干扰问题,提高工作效率,也能为机载通信系统的频谱规划和设备研制工作提供基础理论支撑。

一种改进的有源集成天线设计方法

提出了一种改进的有源集成天线设计方法.通过有源模块在有源集成天线模型中的反向嵌入,在电磁仿真软件CST提供的瞬态场路联合仿真平台中实现远场辐射特性仿真;通过引入零阻抗的虚拟端口,完成有源集成天线的双端口网络模型等效变换,实现有源电路特性更为准确的计算.在模型分析基础上提出了改进的设计方法,采用该方法完成了分别满足增益均衡和G/T值均衡两个约束准则的多频有源集成天线设计,并对G/T值均衡的有源集成天线进行加工和测试.实测结果和仿真结果趋势一致,验证了改进的有源集成天线设计方法能够在不同准则要求下设计有源集成天线,对抑制设计误差、提高设计效率和改善有源集成天线的特性有积极的意义.

低频带通与带阻自由切换的频率选择表面

为了在不同时域下获得兼具带通与带阻空间滤波功能的低频频率选择表面(FSS),提出了一种带通与带阻型FSS可自由切换的设计方法,即在基于卷曲技术设计的小型化FSS表面上贴装电控PIN二极管,并利用"场-路"协同仿真的方法进行建模与计算。其中,卷曲图案既是滤波结构,也是馈电导线。当PIN二极管导通时,卷曲图案缝隙处产生的电容C1与金属贴片电感L1构成并联LC回路,FSS表现为带通滤波功能;反之,焊盘处缝隙及反偏PIN二极管产生的电容C2与金属贴片电感L2串联,FSS切换为带阻滤波功能。采用印刷线路板及表面贴装工艺制作出了400 mm×400mm试验样件并采用自由空间法进行测试,仿真与测试结果表明:在2.45GHz处,当PIN二极管导通时,FSS表现为强透射性能,反之则表现出强反射效果。这种基于电控PIN二极管开关所实现的带通与带阻型FSS自由切换方法在通信、电磁屏蔽及雷达隐身等领域具有广阔的应用前景。