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通信系统中电磁脉冲效应的混合仿真方法和作用机理研究

作　者: 刘其凤
导　师: 尹文言
学　校: 上海交通大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 电磁脉冲(EMP) 时域有限差分(FDTD) 亚网格技术 集总参数电路 屏蔽电缆 多导体传输线 有限元 交替隐式时域有限差分(ADI-FDTD) 无条件稳定 基于局部一维坐标的时域有限差分(LOD-FDTD)
分类号: TN914
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着电子信息技术的发展,电磁兼容(Electromagnetic compatibility: EMC)和电磁干扰(Electromagnetic interference: EMI)抑制问题变得越来越重要。虽然人们在应用电磁数值技术方面做了很多研究,实际通信系统中的EMC/EMI问题仍很有挑战性,特别是如何用电磁场数值技术进行系统级EMC/EMI仿真。为此,本文较系统地研究了通信系统在外界电磁脉冲(EMP)作用下电磁效应的混合仿真方法和作用机理。主要工作和创新点总结如下:一、第二章发展了混合FDTD数值方法,提出了融合细导线、窄缝和薄层媒质等特殊细微结构亚网格技术的统一亚网格算法。在混合FDTD方法的基础上,研发了EMP效应分析软件模块,进一步研究了典型通信系统外壳在EMP辐照时的屏蔽效能随频率、入射脉冲参数和几何尺寸的变化规律,并且重点研究了内谐振频率、频率选择表面、观测窗口等因素对屏蔽效能的影响。二、第三章详细研究了典型通信系统外壳在EMP斜入射时的屏蔽效能随频率、入射脉冲参数、细微结构位置、加载细天线负载和其几何尺寸的变化规律,并且研究了同频干扰问题,提出了增强金属腔体外壳屏蔽性能的关键技术。三、第四章提出了改进的屏蔽电缆转移阻抗理论模型以及EMP作用下屏蔽线缆的场线耦合方程。用改进节点法(MNA)和传输线FDTD算法对电缆(互连线)以及电缆网络连接的电路模块分析,然后结合混合FDTD方法,对含有电缆网络、多重能量传输和耦合通道的系统外壳、通过互连网络集成在一起的内部子系统进行了场、线、路一体化综合分析。进一步研究了EMP作用下典型通信系统、屏蔽舱室中电缆网络的浪涌电压、电流传播特性。四、第五章综合分析了集总参数微波电路的场路混合算法,包括单个集总参数单元、单端口网络以及双端口网络的仿真算法,并将双端口网络算法推广到多端口网络情形,给出了微波电路散射参数的提取方法,并对微波电路匹配负载进行建模分析。进一步地,应用场-路混合算法,研究了EMP辐照时混合微带电路和器件的瞬态响应,进而分析其失效状况。五、第六章研究了场效应管在EMP作用下的瞬态电热响应,详细分析了其沟道最大温度、最大温度场与脉冲作用时间的关系、最大温升与脉冲波形的关系,为效应管的电-热防护设计提供理论基础。六、第七章提出了计算效率更高的基于一维坐标的新型任意阶LOD-FDTD无条件稳定算法,并用数值实验和理论证明了算法的无条件稳定性,和ADI-FDTD算法中的数值色散进行了比较,分析了不同参数的变化对提出的LOD-FDTD算法数值色散影响。七、第七章针对隐式LOD-FDTD算法色散误差比较大问题,提出了三维参数优化(Parameter-Optimized LOD-FDTD: PO-LOD-FDTD)LOD-FDTD算法,从理论上证明了PO-LOD-FDTD的无条件稳定性,得到了不同情况下的优化参数,研究了优化参数随时间步长、频率变化情况。数值结果表明PO-LOD-FDTD能大幅度地降低LOD-FDTD算法的数值色散误差,并将该方法用来解决实际电磁兼容问题。八、第八章实验研究了不同种类的小型化、高性能滤波器和有源部件EMP注入效应。通过这些实验,有助于充分理解EMP的作用机理和作用过程。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-13
第一章 绪论  13-37
  1.1 研究背景  13-17
  1.2 研究方法概述  17-23
    1.2.1 电磁兼容领域中的场计算方法  17-19
    1.2.2 EMP 与外壳结构间的辐射直接耦合数值分析  19-20
    1.2.3 通信系统中的线缆网络分析方法  20-21
    1.2.4 场-路混合仿真方法  21-23
  1.3 本论文的主要研究工作和创新点  23-25
  参考文献  25-37
第二章 EMP 与通信系统外壳间辐射直接耦合的混合FDTD 数值分析方法  37-82
  2.1 引言  37-38
  2.2 屏蔽效能  38
  2.3 FDTD 基本原理  38-43
    2.3.1 吸收边界条件  42-43
  2.4 激励源技术  43-48
    2.4.1 EMP 波形  43-45
    2.4.2 平面波的加入-总场边界条件  45-48
    2.4.3 多个EMP 入射情形  48
  2.5 通信系统外壳中细微结构的亚网格模型  48-70
    2.5.1 细天线亚网格模型  49-57
    2.5.2 窄缝亚网格模型  57-61
    2.5.3 薄层介质亚网格模型  61-70
  2.6 混合FDTD 方法数值验证  70-75
    2.6.1 含长方形孔的金属腔屏蔽效能  70-71
    2.6.2 窄缝亚网格技术的数值验证  71-72
    2.6.3 细导线亚网格算法数值验证  72-74
    2.6.4 薄片介质亚网格算法数值验证  74-75
  2.7 本章小结  75-76
  参考文献  76-82
第三章 混合FDTD 方法在EMP 与通信系统外壳辐射直接耦合分析中的应用  82-116
  3.1 引言  82
  3.2 EMP 垂直入射时金属腔体的屏蔽效能  82-86
    3.2.1 窄缝取向对腔体屏蔽效能的影响  82-85
    3.2.2 频率选择表面结构对外壳屏蔽效能的影响  85-86
  3.3 EMP 斜入射时金属腔体的屏蔽效能  86-97
    3.3.1 不含观测窗口的金属腔体屏蔽效能  86-92
    3.3.2 含有观测窗口的金属腔体的屏蔽效能  92-97
  3.4 同频干扰  97-101
  3.5 EMP 辐照下单极子天线的瞬态响应  101-109
  3.6 提高腔体屏蔽效能的方法  109-112
  3.7 本章小结  112
  参考文献  112-116
第四章 通信线缆网络中的EMP 效应预测方法和应用  116-150
  4.1 引言  116-117
  4.2 预测多导体线缆中EMP 响应的FDTD 方法  117-120
    4.2.1 多导体线缆的场-线耦合方程  117-118
    4.2.2 场-线耦合方程的FDTD 方法  118-120
  4.3 屏蔽线缆中EMP 响应的FDTD 方法  120-126
    4.3.1 屏蔽线缆的转移阻抗模型  120-123
    4.3.2 屏蔽线缆中EMP 响应的FDTD 方法  123-126
  4.4 改进节点电压分析法（MNA）  126-128
  4.5 多导体线缆网络EMP 响应  128-130
  4.6 数值方法验证和应用  130-146
    4.6.1 方法验证  130-132
    4.6.2 EMP 作用下含屏蔽线缆的系统分析  132-136
    4.6.3 含非屏蔽线缆的系统浪涌信号分析  136-140
    4.6.4 屏蔽舱室中线缆的EMP 响应分析  140-146
  4.7 本章小结  146
  参考文献  146-150
第五章 EMP 作用下器件的脉冲效应研究  150-180
  5.1 引言  150-151
  5.2 微波集总参数电路的场-路混合仿真  151-161
    5.2.1 单个集总参数元件仿真  151-155
    5.2.2 单端口网络的场-路混合算法  155-156
    5.2.3 双端口网络的场-路混合算法  156-158
    5.2.4 多端口网络的场-路混合方法  158-161
  5.3 散射参数提取  161-163
    5.3.1 扰动散射参数计算方法  161
    5.3.2 微带端接匹配负载的FDTD 建模  161-163
  5.4 典型微波器件的EMP 效应机理  163-176
    5.4.1 功分器的EMP 效应  163-165
    5.4.2 超宽带滤波器的EMP 干扰响应  165-168
    5.4.3 端接二极管微带电路的EMI 响应  168-169
    5.4.4 混合微波放大器的EMI 响应  169-176
  5.5 本章小结  176
  参考文献  176-180
第六章 EMP 作用下通信系统中典型有源器件的电-热效应分析  180-202
  6.1 引言  180
  6.2 EMP 作用下有源器件的电-热损伤机理  180-181
  6.3 FEM 方法概述  181-185
    6.3.1 FEM 求解过程  181-182
    6.3.2 有限元法的数学原理  182-185
  6.4 有源器件的电-热效应模拟  185-192
    6.4.1 瞬态分析模型  186-187
    6.4.2 方程数值模拟方法  187-188
    6.4.3 热源产生  188
    6.4.4 热场有限元方程  188-191
    6.4.5 线性方程组求解  191-192
  6.5 数值分析结果  192-199
    6.5.1 电热FEM 算法的数值验证  192-194
    6.5.2 传导干扰作用下二极管器件的热效应  194-195
    6.5.3 EMP 作用下场效应管的热效应  195-199
  6.6 本章小结  199-200
  参考文献  200-202
第七章 新型快速FDTD 算法在EMC/EMI 分析中的应用  202-244
  7.1 引言  202-203
  7.2 三维交替方向隐式FDTD  203-209
    7.2.1 ADI-FDTD 基本原理  203-207
    7.2.2 数值稳定性和数值色散性分析  207-209
  7.3 基于局部一维坐标的LOD-FDTD 方法  209-217
    7.3.1 任意阶LOD-FDTD 方法的基本原理  209-213
    7.3.2 LOD-FDTD(2, 2)基本方程  213-214
    7.3.3 任意阶LOD-FDTD 方法的数值稳定性和色散性分析  214-217
  7.4 降低LOD-FDTD(2,4)方法数值色散误差的参数优化法  217-223
    7.4.1 参数优化PO-LOD-FDTD 方法的基本原理  217-219
    7.4.2 PO-LOD-FDTD（2, 4）方法的数值稳定性和色散性分析  219-222
    7.4.3 有限差分核中参数的优化方法  222-223
  7.5 数值计算和分析  223-241
    7.5.1 LOD-FDTD 方法的稳定性验证  223-225
    7.5.2 LOD-FDTD 方法的数值色散分析  225-229
    7.5.3 PO-LOD-FDTD 方法的色散误差分析  229-234
    7.5.4 PO-LOD-FDTD 色散误差随时间步长和频率的变化规律  234-239
    7.5.5 LOD-FDTD 方法在电磁兼容中的应用  239-241
  7.6 本章小结  241
  参考文献  241-244
第八章 滤波器和有源部件的EMP 效应实验  244-254
  8.1 引言  244
  8.2 无源滤波器的电磁脉冲注入实验  244-250
    8.2.1 测试对象  244-246
    8.2.2 测试原理和测试系统  246-248
    8.2.3 测试结果和讨论  248-250
  8.3 有源部件的微波注入实验  250-252
    8.3.1 测试原理及装置  250-251
    8.3.2 测试结果和讨论  251-252
  8.4 本章小结  252
  参考文献  252-254
第九章 总结与展望  254-256
  9.1 全文总结  254-255
  9.2 未来工作的展望  255-256
致谢  256-257
攻读博士学位期间发表和撰写的学术论文  257-260
博士期间参与的课题研究  260

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信系统（传输系统）
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