一种雷电感应过电压的快速算法及其精度检验

本文基于B-P方程、Rusck方程和Agrwal耦合模型,开发出一种架空线雷电感应过电压的时域快速算法。利用该算法研究了不同参数对雷电感应过电压的影响,并利用2-D FDTD算法对其计算精度进行全面检验。结果表明:(1)首次回击电流产生的感应过电压的峰值较大,波头陡度小;继后回击电流产生的感应过电压的峰值较小,而波头陡度更大。(2)地面电导率σ对感应过电压的幅值和极性影响较大。架空线路中点处的感应过电压峰值与地面电导率呈负相关,而端点处的感应过电压峰值与地面电导率呈正相关,并且在电导率较低(σ=0.001 S/m)时波形表现出双极性特征。(3)架空线路中点和端点处的感应过电压峰值均随线路高度h增大而增大。(4)在闪电通道50~1000 m范围内,本文算法模拟出的感应过电压波形与2-D FDTD的结果基本一致,且峰值计算误差均小于5%。综上,由于本文算法计算时间仅需10 s并具有较高的计算精度,有利于在防雷工程中推广应用。

二维光子晶体偏振分束器的优化设计

为解决二维光子晶体在光束调整和光束偏转中的应用,采用有限时域差分法和完全匹配层吸收边界条件,通过在结构中引入消反层,从理论上实现基于二维光子晶体的偏振分束器。优化计算表明,通过随光频的改变调节消反层参数,可以实现TE模超过95%的光发生透射,TM模超过95%的光发生反射,从而使TM模与TE模分离。引入消反层的偏振分束器具有尺寸小、透射率高、分束角大和偏振分束率高等优点,在高密度集成光通信系统中有广泛的应用。

时域有限差分法结合Pade逼近快速获取介质柱宽带RCS频率响应

由于时域信号的计算是在散射体近区内进行的,远区散射场的计算是通过近远场的变换而进行的。采用FDTD法计算散射体的宽频带RCS频率响应时,如果采用频域变换法,需要在很多频点上进行近远场变换计算。为此,本文引入Pade逼近,对FDTD法计算获得的、稀疏的RCS频率响应进行逼近,然后用获得的Pade有理逼近式计算宽频带RCS频率响应。计算结果表明Pade有理逼近式能很好地逼近FDTD法精确计算的曲线,同时计算速度可加快十多倍。

雷击高塔对多导体架空配电线感应过电压的影响

为了研究雷击高塔时多导体架空配电线路感应过电压特征,基于高塔传输线模型建立了2维时域有限差分算法,计算雷击高塔时产生的空间电磁场,并结合Agrawal耦合模型计算了2种典型结构(水平和垂直结构)多导体架空配电线上的感应过电压。算法精度通过与相关文献结果的对比得以验证,利用该算法对比分析了雷击地面和雷击高塔时的感应过电压,并讨论了水平距离、塔高、电导率和屏蔽线等因素的影响。结果表明:与雷击平坦地面相比,雷击高塔时2种结构的线路感应过电压波形产生了明显振荡,幅值也显著变大;对于2种结构的线路感应过电压,其幅值均随着距回击通道水平距离的增加而减小、随土壤电导率的减小而增大;当塔高小于水平距离时,线路过电压幅值与塔高成正相关关系。另外,屏蔽线的存在会明显降低线路端点的感应过电压幅值,水平多导体架空线中间位置的线路、垂直多导体架空线最靠近屏蔽线的线路受屏蔽作用最明显。该研究结论可为改进架空线路的防雷设计提供理论参考。

雷电水平电场时域近似算法研究及精度验证

雷电水平电场是计算雷电感应过电压的关键参数。为了准确高效的求解出雷电水平电场,利用Barbosa和Paulino所提出的雷电水平电场时域近似算法（B-P方程）对距离闪电通道100~1 000 m范围内雷电水平电场进行模拟,分析了不同雷电参数及大地电参数对水平电场特性所产生的影响,并应用2-D FDTD方法对B-P方程的精度进行检验。结果表明：若模拟中地面电导率σ设置越低、观测点距地面高度h设置越低、观测点到闪击点距离r0设置越远、回击速度v设置越大时,电磁场所包含的高频分量比重越大,模拟出水平电场波形的双极性特征越明显;相比于首次回击电流,当模拟中采用继后回击电流时,模拟出水平电场波形的双极性特征更明显;除了电导率σ较低时（σ≤0.001 S/m）B-P方程的计算精度会受传播效应的影响外,其模拟出的水平电场波形与2-D FDTD的模拟结果基本一致,且B-P方程的峰值计算误差均在±5%之内。综上,由于B-P方程的计算时间仅为0.01 s左右,因此在提高计算效率的同时能保证较好的计算精度。

一种可用于分析任意介电常数张量的各向异性波导导模的二维时域有限差分模型

为分析具有任意介电常数张量的各向异性波导的导模，本文通过把简化的二维时域有限差分（２－ＤＦＤＴＤ）法扩展至任意各向异性介质，提出了一种以Ｄ、Ｅ和Ｈ场为基础的统一的简化２－ＤＦＤＴＤ模型．利用该模型，研究了简化的复数２－ＤＦＤＴＤ方法与实变数２－ＤＦＤＴＤ方法之间的关系．文中还讨论了复变数方法和实变数方法的激励技术．

用二维时域有限差分法分析微带线和光波导

本文利用统一的简化二维时域有限差分法分析了几种不同的各向异性波导，通过所得的数值结果与其它解析技术和数值技术获得的数值结果作比较。

A Numerical Modeling of Microstrip Line and Optical Waveguide with a Unified Compact Two Dimensional Finite Difference Time Domain Method

Several different anisotropic waveguides are studied with a unified compact 2 D finite difference time domain( FDTD ) method, and the accuracy and efficiency are confirmed by comparing with other numerical techniques.