核电磁脉冲与开孔金属腔体耦合特性研究

利用基于时域有限差分法(FDTD)的电磁仿真软件XFDTD,研究了核电磁脉冲与开孔腔体的耦合规律。分析了不同极化方向的核电磁脉冲入射时,矩形孔洞长宽比对耦合特性的影响;讨论了核电磁脉冲照射下,腔体谐振和孔缝与腔体的耦合谐振现象;给出了腔体内部电场分布的截面图,讨论了核电磁脉冲入射时腔体内外电场的空间分布情况。研究结果表明:当核电磁脉冲的极化方向与开孔矩形短边平行时,耦合的电场强度比正方形开孔时的要大,且长宽比越大,耦合的电场强度越大;当核电磁脉冲的极化方向与开孔矩形长边平行时,耦合的电场强度比正方形开孔时的小,且长宽比越大,耦合的电场强度越小。极化方向与矩形开孔短边平行时,腔体内产生了腔体谐振和孔缝与腔体的耦合谐振,开孔尺寸的变化会引起谐振频率的偏移;极化方向平行于长边时无明显电磁谐振发生。核电磁脉冲对屏蔽体内的影响主要局限于开孔附近。     

电磁脉冲对带孔缝腔体的耦合特性

利用时域有限差分方法(FDTD)研究了电磁脉冲对带孔缝导体腔的耦合特性。为减少存储空间而采用非均匀网格法,分别对腔体上开有不同形状(正方形、长方形)和不同数目孔缝时的耦合效应进行分析。结果表明,在孔洞面积相同的情况下,电磁脉冲对正方形孔洞的耦合能量较小;而对长方形,当脉冲的极化方向与孔洞短边平行时,耦合能量最大;此外,把单个孔洞分成总面积不变的多孔洞后,耦合能量减小;同时,在保持通风面积不变的情况下,将原本开在一层屏蔽板上的孔缝交错地开在两层板上,能够明显改善屏蔽效果。     

装有PCB有孔矩形腔屏蔽效能的传输线法分析

为了提高对有孔屏蔽腔内电路的有效保护性能.介绍了用传输线法分析有孔矩形腔屏蔽效能的基本原理.将基本公式作进一步修正,使其能计算矩形腔内装有印刷电路板的情形.并对修正的传输线模型计算公式进行了扩展,使之能计算任意极化方向时的情况.计算结果表明:当频率低于主谐振频率时,测量点离孔缝越近,耦合进腔体的电磁能量越多;屏蔽效能随极化角度的递增而增加;低频段的屏蔽效能比高频段的要好;装有电路板腔体的屏蔽效能比空腔的要好,这在谐振区域内尤为突出;电路板尺寸越大屏蔽效能越好.根据计算结果,提出了设计屏蔽腔及其腔内电子设备的建议.     

带孔缝矩形金属腔体屏蔽效能研究

针对带孔缝矩形金属腔体在电磁辐射下的屏蔽效能问题,利用基于时域有限积分法的电磁仿真软件CST,建立了平面波辐照条件下含孔缝金属腔体的耦合模型,重点研究了电场极化方向,腔体材料,矩形孔缝的长度、宽度和深度,孔缝填充介质介电常数及其厚度等参数对屏蔽效能的影响规律.研究结果表明:典型金属材料对屏蔽效能的影响差别不大,垂直于电场极化方向的孔缝边长更能影响腔体的屏蔽效能,孔缝尺寸会影响矩形金属腔体的谐振点,孔缝深度能够通过衰减入射波在一定程度上影响屏蔽效能,孔缝填充介质会降低屏蔽效能,介质厚度及其介电常数会影响屏蔽效能峰值点.研究结果对金属腔体的电磁兼容设计有一定的指导意义.     

双层金属腔体HEMP平面波孔缝耦合特性分析

高空核爆电磁脉冲（HEMP）对电子/电气设备构成严重威胁,是电磁兼容与电子/电气 设备安全领域的重要研究内容。基于时域有限差分法（FDTD）的总场-散射场体系建立仿真 空间,推导了连接边界的一维平面波引入方法,选择双层金属腔体为研究对象,仿真分析了 腔体在HEMP平面波作用下透过孔缝在各采样点的响应过程。仿真结果显示,各采样点都出现 了明显的振荡波形,其中外金属腔体孔缝中心比内金属腔体内部中心点耦合电场的峰值大; 相同面积下,正方形孔、矩形孔的耦合电场比圆孔的耦合电场小;内部腔体与外部腔体 在孔缝一侧距离的大小也会对耦合结果产生影响,间距越大,内部耦合电场的衰减越多。所 得结论 有利于指导双层金属腔体的电磁防护设计。     

电磁脉冲窄缝耦合共振特性

利用有限积分法对电磁脉冲与带缝腔体孔缝耦合特性进行研究。选取窄缝为mm量级微小孔缝作为研究对象,借助耦合函数,分析了核电磁脉冲与单层腔体、嵌套腔体内、外窄缝平行分布与垂直分布2种情况下的耦合函数。结果表明：当入射波电场矢量方向与窄缝短边平行,即入射角θ=0°时,内、外窄缝平行分布耦合进入腔体的电磁能量在内窄缝处发生第2次场增强效应;而内、外窄缝采用垂直分布的相对位置,在内窄缝处的电场值仅为几伏每米,此分布能有效降低电磁脉冲对电子器件的干扰。     

1 kW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。     

微波脉冲对电容近炸引信腔体耦合特性分析*

利用有限积分法仿真分析了微波脉冲对电容近炸引信腔体的耦合过程,分别分析了微波入射方向、 电场极化方向和微波频率对引信腔体耦合特性的影响。结果表明:微波入射角度为30°、电场极化方向与弹轴夹角 为30°时,耦合系数最大;引信探测电路位置处的微波场最强;随着微波频率增大,耦合系数存在明显减小的趋势,同 时存在多个共振增强的频率点。分析表明,对于环状孔缝而言,其共振频率与矩形孔缝不同,且数值与环状孔缝的 圆周长成反比。     

矩形金属机壳孔缝电磁耦合特性研究

针对矩形金属机壳上孔缝在高功率电磁环境下的电磁耦合问题,提出了一种使用模式匹配法和基于矩量法求解的混合位积分方程来分析孔缝电磁耦合特性的全波混合算法.该算法考虑了高次模、孔缝形状、孔缝厚度以及入射波极化方向等因素对电磁耦合特性的影响.通过将数值仿真结果与经典孔缝电磁耦合模型的测试结果进行对比,验证了该算法具有较高的准确性,与经典的时域有限差分法相比,该算法具有很高的计算效率.研究结果表明:有孔金属机壳在外界强电磁辐射条件下具有明显的谐振效应,在谐振频率点,耦合进入机壳的电场将大大增强,且孔缝附近以及机壳中心的耦合电场峰值要高于其他位置的耦合电场峰值;随着机壳表面上孔缝厚度的增加,耦合进入其内部的电场也在减弱;当机壳上的孔缝为矩形且入射波的电场极化方向平行于矩形缝隙的短边时,对应于该极化方向的孔缝电场耦合强度是所有极化方向中最强的.     

电磁脉冲通过孔缝到系统内部的耦合约束

介绍了核电磁脉冲通过孔缝耦合到系统内部的最大能量计算方法，给出了倒指数型电磁脉冲最大耦合能量的解析表达式。该模型在定孔总截面正比于波频率4次方时，计算出通过孔耦合到腔体内部的最大能量，实现电磁耦合能量的计算。倒指数脉冲模型的理论计算结果，可以对电子设备电磁脉冲的保护具有重要意义。     

A bound on EMP coupling

A bound on the energy coupled to a load by means of an antenna or aperture subjected to a step function electromagnetic pulse (EMP) is given by the polarizabilities of the antenna or aperture. Examples of coupling bounds for a slender electric dipole antenna, a circular aperture, and a narrow slot aperture with depth are given. It is demonstrated, by use of the bound on the integral of the effective area over all frequencies, that the maximum energy absorbed by an object subjected to a step function EMP is bounded in terms of the static polarizabilities of the object. (The energy spectrum of the step function EMP bounds the spectrum of EMP described by the double exponential over all frequencies.) It is demonstrated that this bound can be used on apertures in infinite ground planes for which Babinet's principle fails to apply (apertures having depth and cavity backed apertures), where the requirement is simply to use the polarizabilities on the incident side of the aperture.<>     

Electromagnetic coupling through small apertures in a conducting screen

The electromagnetic field coupling through small apertures illuminated by an arbitrary incident plane wave is discussed for general aperture shapes. A set of new integral equations in a form highly amenable to numerical solution techniques is derived. Based on the application of the Rayleigh series method, an analytical solution is obtained for the first few terms of the expansion of the apertureE- field of a circular aperture. Numerical results are also constructed for the aperture field and the diffracted field of small rectangular apertures and compared with those of the circular apertures.     

基于时频分析的电磁脉冲耦合效应研究*

为了解高功率电磁脉冲对电子系统的干扰与毁伤影响,利用基于Wigner鄄Ville 分布的时频分析方法对耦合进电子系统内部的电磁信号进行了特征分析。与单独的时域分析和频域分析相比,时频分析不仅能够得到信号的时域特征和频域特征,还能同时得到信号各频率分量随时间的变化情况。利用瞬态极化时频分析,进一步得到信号极化状态在时频域的分布。仿真结果表明,时频分析得到的结果更全面详细,可以根据时频分析得到的信号特征更加准确地指导电子系统的高功率电磁脉冲防护加固。     

基于XFDTD的箱变开孔金属外壳雷电电磁脉冲防护

为研究户外配电设备对雷电电磁脉冲(LEMP)的防护能力,利用基于时域有限差分法(XFDTD)的全波三维电磁场模拟仿真软件对近场LEMP与户外箱变金属开孔外壳的耦合情况进行仿真模拟,得到3种正面具有不同形状散热孔阵的箱变在距回击点30 m处,其内部距开孔位置5 cm,50 cm和100 cm处的耦合电场强度与电磁功率密度。研究表明,能量主要集中在低频段(2 MHz以下)的LEMP与正面有散热孔阵的变电站腔体发生耦合时,耦合进内部的电磁能量主要集中在开孔附近;对于相同排列方式的孔阵,腔内耦合电磁能量按照长方形、正方形和圆形顺序依次减小,具有圆形孔阵的变电站电磁屏蔽效能最佳;腔体内远离开孔处的电磁危害要小于开孔位置附近,耦合电磁能量可能会严重干扰变电站的正常工作,但不会损坏其内部电子元件。     

A circuital approach to evaluating the electromagnetic field on rectangular apertures backed by rectangular cavities

In this paper, the problem of evaluating the electromagnetic field on rectangular apertures backed by rectangular cavities is investigated. The electromagnetic-field distribution is derived by using a circuital model of an aperture and suitable forcing terms introduced into the equations related to the aperture model. The effects of a rectangular cavity on the aperture-field distribution are assessed by considering the rectangular cavity as a load impedance. The impedance value is obtained by modeling the rectangular cavity as a length of rectangular waveguide back-ended by a short. The distribution of the electromagnetic field on the aperture is used as an exciting source to evaluate, through a modal expansion, the electromagnetic field inside the cavity. Numerical simulations are in a good agreement with both other theoretical models and experimental data.     

The transmission coefficient of elliptical and rectangular apertures for electromagnetic waves

A simple scalar method using Kirchhoff's boundary values is applied to the diffraction problems of circular, elliptical, and rectangular apertures for normally incident electromagnetic waves. As far as circular apertures are concerned, a simple formula can be derived not only for the diffraction pattern but also for the transmission coefficient. This formula yields good results for apertures greater than0.8lambda. Even in the ease of elliptical apertures a simple formula can he derived for the diffraction pattern. For the elliptical aperture, as well as the rectangular one, the transmission coefficient was found in the form of an integral. Relief models and diagrams are given for the transmission coefficients of the elliptical and the rectangular apertures as a function of the two aperture parameters. Diagrams are given which explain the dependence of the transmission coefficient on the aperture parameters. A comparison with other more complicated methods of approximation and with measurements shows both good agreement and the great practical value of the simple method of approximation used.