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測量瞬態(tài)電場的三維寬帶天線設(shè)計

作者: 時間:2014-03-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/259557.htm

1. 引言

  強輻射場能對電子系統(tǒng)產(chǎn)生較強的干擾及破壞,近年來愈來愈受到重視。對電磁脈沖能量的準(zhǔn)確測量是研究能量對電子設(shè)備的毀傷及其防護機理的基礎(chǔ)工作。

  有以下特點:(1)脈沖的上升時間短(快的達(dá)亞納秒量級,慢的為微秒量級); 寬度窄(窄的為納秒量級,寬的為毫秒量級)。從頻譜看,其能量分布在非常寬的頻帶上,可以從直流一直到幾百兆赫茲。(2)我們關(guān)心的電磁脈沖輻射場多為近 區(qū)場,其電場與磁場之間不滿足遠(yuǎn)場波阻抗關(guān)系,電場、磁場都要同時給出才能準(zhǔn)確描述電磁脈沖場的特性。(3)電磁脈沖產(chǎn)生的隨機性很強,重復(fù)性差。如雷電 電磁脈沖、艦船、飛機等電力電子系統(tǒng)的電磁脈沖輻射噪聲時發(fā)生的時間、部位的隨機性等。(4)測量空間有限,測試設(shè)備體積太大還會干擾被測場,影響測量的 精度。因此瞬態(tài)電磁脈沖輻射場的測量設(shè)備要滿足以下幾個要求:測量系統(tǒng)帶寬滿足測試要求;一次測量能同時得到三個極化方向的電場或磁場;測試設(shè)備體積小。

  目前國內(nèi)外普遍采用光纖傳輸系統(tǒng)來測量電磁脈沖輻射場。這些產(chǎn)品采用的傳感器大多數(shù)都是單極化的,只能測量某一方向的電場或磁場。當(dāng)需要了解同一場點的全部信息時,要分別沿不同極化方向?qū)﹄妶?、磁場進(jìn)行多次測試或者一次測量采用多個測量傳感 器。這樣的測量存在以下問題:(1)缺乏相位信息,不利于電場或磁場分量的合成;(2)而重復(fù)性較差的電磁脈沖采用多次測量的方法,不僅測量誤差大,而且 有時難以實現(xiàn);(3)一次測量采用多個測量傳感器會引起相互的干擾,需要占用較大的空間,而且測量位置不能保證在同一點。

  基于以上原因考慮,本文提出了一種三維瞬態(tài)電場測量天線模型-平板型結(jié)構(gòu),為了檢驗其效果,使用對模型進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了一些重要結(jié)論,對天線的實物設(shè)計提供依據(jù)。

2. 的結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)仿真

  2.1

  時域有限差分法(Finite Difference-Time Domain,簡稱FDTD是一種電磁場數(shù)值計算方法。該方法直接對依賴時間變量的Maxwell旋度方程做二階精度的中心差分近似,把旋度方程 中電場和磁場的微分算子轉(zhuǎn)換成差分形式,也就是說,它把Maxwell方程時間和空間上的連續(xù)變量在時域和空域中離散化,并在每個離散點上用差分代替微分。由于直接來源于Maxwell方程,所以從理論上講,它具有最廣泛的適用性。

  在對Maxwell方程差分化的過程中,F(xiàn)DTD存在著數(shù)值穩(wěn)定性問題和數(shù)值色散問題。數(shù)值穩(wěn)定性問題限制了時間步的大?。?/p>

   

數(shù)值色散限制了一定頻率下的網(wǎng)格尺寸,在計算時,通常要求 。其中,是被研究媒質(zhì)空間的最小波長值(對應(yīng)最高頻率)。在模擬大結(jié)構(gòu)時,有時將要求放寬為

   (2)

  計算域的劃分如圖1所示,整個計算域是由六個面包圍的立方體,四周設(shè)置10層的被修正的完 全匹配層 (MPML)吸收邊界條件,為了便于入射波的引入和參數(shù)的提取,將整個計算區(qū)域分成兩個區(qū)域:總場區(qū)和散射場區(qū),它們的連接邊界如圖1 的虛線所示,入射波就從該邊界引入。

2.2 三維傳感器結(jié)構(gòu)

  對于數(shù)值模擬中傳感器結(jié)構(gòu),選用平板型三維電場傳感器,見圖2。體積應(yīng)盡可能的小以減少傳感器對被測電場的影響,結(jié)構(gòu)內(nèi)部是10×10×10cm的導(dǎo)電立方體,作為天線的接地極;在它的六個表向外等距離放置大小相等的6個正方形導(dǎo)電平板,作為天線的極板。


 圖2 平板型三維電場傳感器的結(jié)構(gòu)

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