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电磁脉冲辐射器近区场数值模拟
第15卷 第3期
强激光与粒子束Vol.15,No.3 2003年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar.,2003 文章编号:
100124322(20030320257205
电磁脉冲辐射器近区场数值模拟
Ξ
陆 峰, 陈 彬, 易 韵, 周璧华, 裴玉玲
(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007 摘 要:
电磁脉冲辐射器是便携式电磁脉冲电场屏蔽效能测试设备的关键部分。
提出了一套小
型电磁脉冲辐射器的方案,并采用时域有限差分法在计算机上模拟了辐射器产生的近区电磁场,结果
表明,如果高压脉冲源产生的脉冲电压为双指数波,则通过天线辐射产生的近区场的波形也为双指数
波,从而,使近场参数均能达到测试设备所要求的指标,说明所提供电磁脉冲辐射器的方案为可行。
关键词:
时域有限差分法;天线;电磁脉冲
中图分类号:
O441.5 文献标识码:
A
电磁脉冲辐射器是便携式电磁脉冲电场屏蔽效能测试设备的关键部分,该测试设备实际上是一个小型的核电磁脉冲模拟器,作为电磁脉冲屏蔽效能测试设备的辐射源,要求在辐射器天线口面附近的电磁场能够模拟核电磁脉冲的主要特征。
由于辐射器的物理尺寸受到测试场地的限制,尺寸很小(最大尺寸小于1m,它所产生的电磁场的波形参数很难达到指标要求,辐射天线的设计难度较大。
本文采用时域有限差分(FDTD法[1,2]在计算机上对提出的天线设计方案进行了数值模拟,通过多次优化设计最终得到了一个可行的方案。
1 辐射器的结构形式
辐射器的结构如图1所示.其结构类似于TEM天线[3],它主要由高压脉冲源和板状V形加载天线组成。
其中板状V形加载天线由两块三角形金属板和两只CuSO4水负载构成,两块三角形金属板张成V字形,张角为θ,终端联接两只CuSO4水负载。
b和h分别为天线口面的宽和高。
该天线是由蝶形天线(如图2所示演变而成。
蝶形天线是宽频带天线,但由于天线臂长l有限,使天线电流在臂端边缘反射产生较强的终端影响,以致对天线的宽频带特性造成限制。
将蝶形天线两臂折成一定角度,并在终端两侧分别联接两只CuSO4水负载就形成了如图1所示的板状V形加载天线。
端接负载有两个作用,一是起匹配作用,减小天线终端的反射,二是和天线一起形成高压脉冲源放电回路的调波电阻。
当端接负载和天线匹配时,天线的输入阻抗主要与天线口面的宽高比b/h有关,基本上是纯阻性的,和频率关系不大。
高压脉冲源主要由高压直流源、电容器和开关组成。
高压脉冲源产生双指数高压脉冲,这个脉冲电压施加在天线的输入端,激励天线向外辐射电磁脉冲
。
Fig.1 V2shapeantenna图1 板状V
形加载天线示意图Fig.2 Butter2flyantenna
图2 蝶形天线示意图
2 理论分析
本文采用时域有限差分法分析辐射器产生的近区场,辐射器的计算域如图3所示,吸收边界采用修正的完全匹配层(MPML[4]吸收边界,除天线和负载部分外,其余空间均采用Yee氏网格,本文主要讨论辐射器的负载、V形金属板、对称性应用和激励源设置等问题。
Ξ收稿日期:
2002205209; 修订日期:
2002210208基金项目:
国家自然科学基金资助课题(69971024;教育部高等学校骨干教师资助项目
作者简介:
陆 峰(19762,男,江苏人,博士研究生;研究方向为:
计算电磁学、电磁防护。
e2mail:
fenglu76@163.com。
Fig.3 Computationdomainofradiator图3
辐射器的计算域Fig.4 DistributiondiagramofairandCuSO4solution(verticalview
图4 空气和CuSO4溶液的分布图(俯视图
2.1 负载
板状V形加载天线的负载是两只圆柱形CuSO4溶液水负载。
由实验可知,影响辐射器性能的主要因素和负载的截面形状、有机玻璃外壳关系不大。
因此,可将负载作为矩形截面柱形有耗介质来处理。
介质的介电常数近似等于水的介电常数,本文取εr=80。
假设负载的电阻为R,截面积为S,长度为L。
则介质的电导率为σ=L/RS
负载和空气交界面如图4所示,负载侧壁上(如C,D点的电导率为
σC=σD=2RS
相对介电常数为εC,r=εD,r=(1+εr/2
负载棱边上的电导率(如A,B点为σA=σB=4RS
相对介电常数为εA,r=εB,r=(3+εr/4
负载部分电磁场满足有耗空间的Maxwell方程,其余部分均采用无耗空间的Maxwell方程。
Maxwell方程可写为
×H=σE+εt
×E=-μ5t
2.2 V形金属板
数值模拟时,在计算域中采用Yee网格(放置如图3所示,V形板状天线的张角为45°,梯形金属板边缘部分和x轴的夹角为45°,并且Δx=Δy=Δz。
为了方便计算,在数值模拟时,我们可将V形金属板放在Yee网格的对角面上,从而使得与金属板相连的一些网格成为变形网格。
在运用CP[2]法于变形网格时,假设在网格面内的磁场是均匀的,或者只计算在网格面内的平均值。
由于被模拟的是良导体,故导体表面的切向电场为零,亦即可设与导电曲面相重合的网格一边上的电场等于零,而假定其余网格直边上的电场是不变的。
在直角边上电场的计算可按Ampere环流定律的差分格式进行,而临近导体表面磁场的计算则需要用变形网格的Faraday定律进行。
在具体计算中,与V形板状天线(即上、下两块金属板相连的网格采用三角形网格,计算其余部分采用Yee网格。
三角形网格如图5所示。
计算图5(a中的磁场分量Hx1,Hx2的差分方程为
Hn+1/2x1(i,j+2,k+2=Hn-1/2x1(i,j+2,k+2-μ0ΔyEnz(i,j+1,k+2-μ0ΔzEny(i,j+2
kHn+1/2x2(i,j+2,k+2=Hn-1/2x1(i,j+2,k+2+μ0ΔyEnz(i,j,k+2+μ0ΔzEny(i,j+2
k+1计算图5(b中的磁场分量Hx1,Hx2的差分方程为
Hn+1/2x1(i,j+2,k+2=Hn-1/2x1(i,j+2,k+2-μ0ΔzEny(i,j+2,k+μ0ΔyEnz(i,j,k+2
852强激光与粒子束第15卷
(aCPmethodofuppermetalsheet (bCPmethodofdownmetalsheet
Fig.5 Distortedtrianglegrid
图5 三角形变形网格示意图。
(a上金属三角板的处理;(b下金属三角板的处理
Hn+1/2x2(i,j+2,k+2=Hn-1/2x2(i,j+2,k+2+μ0ΔzEny(i,j+2,k+1-μ0ΔyEnz(i,j+1,k+2
2.3 对称性的应用
镜像法[5]是根据唯一性定理而提出的求解某些具有理想导体边界的电磁场边值问题的一种方法。
镜像法的实质就是用源的镜像来代替理想导体边界对场的影响,反之亦成立。
其基本原理如图6和图7所示,其中IL代表电流元,KL代表磁流元
。
(aoriginalelements (bmirrorimage
Fig.6 Mirrorimageforperfectelectricconductoralongx2axis图6 理想导体平面镜像。
(a原有问题;(b
镜像问题(aoriginalelements (bmirrorimageFig.7 Mirrorimageforperfectmagnetconductoralongy2axis图7 理想磁体平面镜像。
(a原有问题;(b镜像问题
图6和图7画出了与理想导体平面和理想磁体平面边界平行或垂直的电流元和磁流元的镜像元。
由图6为例,可以看出,与理想导体平面边界平行放置的电流元,其镜像元与其反向;与理想导体平面边界垂直放置的电流元,其镜像元与其同向。
对于磁流元,其镜像元正好与电流元的情况相反。
当电容器接通放电时,空间电磁场的激励源来自两个部分,一是电容器上下两个金属板的电荷变化,二是电容器放电时通过电容器和V形板状天线的电流。
如图3所示,当我们沿x轴方向看去,源的放置可以想像为如图6(b所示,由于激励源和天线结构的对称性,根据镜像法原理我们可以将其等效为图6(a。
同理,当我们沿y轴方向看去,源的放置可以想像为如图7(b所示,根据镜像法原理我们可以将其等效为图7(a。
因此,只需模拟计算计算域中1/4的区域,这样可以大大节约计算机的内存和时间(如图8所示。
2.4激励源的设置
天线的激励方式采用了A.P.Zhao[6]等人提出的激励源设置方法。
由激发源产生的入射波一部分沿负y方向传播,达到输入端截断边界被MPML吸收,一部分沿正y方向传播,产生近区辐射电场。
源平面上的差分方程修正为
En+1z(i,jinp,k+2=Enz(i,jinp,k+2+ΔεΔxHn+2y(i+2,jinp,k+2-Hn+2y(i-2,jinp,k+2-εΔyHn+2z(i,jinp+2,k+2-Hn+2z(i,jinp-2,k+2+Enz,inci,jinp,k+2
式中:
下标inp表示激励源(入射场的注入点,下标inc表示入射场;Enz,inc为激励源的激励场,为双指数波
9
52第3期陆 峰等:
电磁脉冲辐射器近区场数值模拟
Ez(t=kE0(e-αt-eβt
其中α=4.0×106s-1,β=2.0×108s-1,k=1.1052。
波形如图9所示
。
Fig.8 Computationdomainusingsymmetry图8
采用对称性后的计算空间Fig.9 Doubleexponentialexcitationsource
图9 双指数波源
3 数值模拟
电磁脉冲辐射器的主要技术指标是:
在距辐射器天线口面60cm内,产生的脉冲峰值不小于3kV/m,上升
时间不大于10ns,衰减时间不小于1
μs。
通过多次数值模拟和天线张角θ的优化,最终得到天线的参数为:
天线的口面尺寸b=h=1m;天线张角θ=90°;天线的输入阻抗近似为175Ω;单个天线的负载为350Ω(CuSO4溶液的相对介电常数为εr=80,电导率为σ=4.042S/m;天线的轴向长度l=0.5m。
数值模拟所得的电场波形如图10所示。
由图10可以看出离辐射器天线口面0.6m处的电场峰值约为天线口面电场峰值的1/5。
可粗略估计,当高压脉冲源产生峰值为30kV的电压时,天线口面的电场峰值约为30kV/m,离辐射器天线口面0.6m处的电场峰值则约为6kV/m。
由图10还可以计算出三个脉冲的上升时间
均小于10ns,脉冲衰减时间约为1
μs,基本达到技术要求
。
Fig.10 Electricfieldwaveformobtainedfromnumericalanalysis
(aelectricfieldwaveformofantennafront;(belectricfieldwaveformat0.3mfarfromtheantennafront;
(celectricfieldwaveformat0.6mfarfromtheantennafront
图10 数值模拟所得的电场波形。
(a天线口面的电场波形;(b离天线口面0.3m的电场波形;(c离天线口面0.6m的电场波形
4 结 论
本文采用时域有限差分法对电磁脉冲辐射器产生的近区场进行了数值模拟,结果表明,如果高压脉冲源产生的脉冲电压为双指数波,则通过天线辐射器产生的近区场的波形也为双指数波,近区场的各项参数均能达到测试设备所要求的技术指标,说明本文所提出的电磁脉冲辐射器的设计方案是可行的。
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Numericalanalysisonthenear2fieldoftheEMPradiator
LUFeng,CHENBin,YIYun,ZHOUBi2hua,PEIYu2ling
(EngineeringInstituteofEngineeringCorps,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China
Abstract:
TheEMPradiatoristhekeypartoftheportablemeasurementequipmentofelectricfieldshieldingefficacy.Inthisdissertationaplanofasmall-sizedEMPradiatorisprovided,andtheradioactivenearfieldemittedbyradiatorisanalyzedbythefinite2differencetime2domainalgorithm.Itisdemonstratedthatifthehighvoltagepulsegeneratorproducesvoltagepulseofheformofdoubleexponentialfunction,thewaveformofnear2fieldproducedbytheEMPradiatorwillbedoubleexponentialwaveform.Thenear2fieldpa2rametersaccordwithmeasurementequipmentrequirements.SotheplanofEMPreaiatorisfeasible.
Keywords:
Finite2differencetime2domain(FDTD;Antenna;Electromagneticpulse(EMP
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