电磁脉冲孔耦合及其电磁拓扑模型

论文摘要

一个实际的电子系统都处于金属屏蔽腔体内,并不可避免地开有小孔及导线穿入腔体内,外部电磁波通过小孔及线耦合到腔体内,并在导线上感应出瞬态电流,在端接部分感应出电压。由此形成的干扰对系统具有破坏作用。随着电子系统的功能不断增加,相应的连接导线增多,系统的边界几何结构日趋复杂,整个空间也不是均匀媒质,外部干扰与其形成了复杂的电磁交互环境。以往对此方面的研究往往采用各自独立的孔耦合理论或多导体传输线理论分别来近似处理,显然该方法与实际情况存在较大误差。为解决上述问题,必须将孔耦合及多导体传输线基本理论相结合,形成系统化理论体系来揭示复杂电磁交互的本质规律。电磁拓扑法是按照屏蔽腔体的实际结构、屏蔽级别在三维空间对系统进行划分,用拓扑图来表示它们的相互作用关系,通过BLT （Baum-Liu-Tesche）方程的正交分解算法将整个系统分解成各个独立的子系统,由此来减小系统求解的计算量。本文应用电磁拓扑理论对电磁脉冲通过孔耦合到腔体内并与多导体相交互问题进行了研究,建立了多导体传输线孔耦合电磁拓扑理论模型。根据系统的实际结构建立了拓扑图及相应的电磁交互序列图,利用等效原理将孔等效为磁流源,并利用边界条件、镜像原理推导出孔上的等效偶极矩并作为腔体内的辐射源。对于腔体内的多导体传输线上的分布源可通过该辐射源来计算,通过对BLT方程求解,得到了电场屏蔽效能的频率特性、感应电压及其随孔的尺寸、激励源入射角变化规律等孔耦合重要特性参数的理论值及相应曲线。电磁脉冲模拟器作为孔耦合电磁拓扑模型的外部高能激励源,为实验研究复杂电磁环境中的耦合问题提供了必要的技术支持。该模拟器采用单片机控制,能够产生5个连续双指数脉冲波形,而且能够实现脉冲间隔、电压幅值连续可调等功能。为了计算模拟器工作空间内的电磁场,利用电磁场张量法推导出电磁脉冲模拟器工作空间内电磁场时域解析表达式,解决了激励源分布在含有折角突变结构中电磁波的时域解析法计算问题,为复杂边界环境中的电磁场计算奠定了基础。结果表明电磁场分布是由模拟器的前、后锥板及平行板上的均匀分布电流不同滞后位叠加所产生的,而且具有横电磁波特性。针对金属屏蔽腔体内导线上的感应电压瞬态响应实验数据,采用矩阵束算法和奇点展开法提取了瞬态响应晚期低频特征参数,采用分数付里叶变换技术求取了瞬态响应早期高频特征参数,并确定了耦合函数。电磁拓扑理论模型的计算结果与实验数据基本吻合,表明了所提出的模型可行性及有效性,并为今后进一步全面深入研究和应用电磁拓扑理论提供了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 电磁脉冲模拟器
• 1.2.2 瞬态电磁场理论
• 1.2.3 电磁脉冲孔耦合的研究方法
• 1.2.4 复杂电磁交互系统的电磁拓扑理论
• 1.2.5 矩阵束算法及分数付里叶变换
• 1.3 存在的问题
• 1.4 本文研究工作
• 1.5 课题来源
• 第2章 电磁脉冲模拟器及其电磁场计算
• 2.1 电磁脉冲模拟器基本组成及其工作原理
• 2.2 电容放电式脉冲源电路分析
• 2.3 脉冲源设计
• 2.4 电磁脉冲模拟器控制系统
• 2.5 电磁脉冲模拟器电磁场计算
• 2.5.1 电磁场张量
• 2.5.2 电磁脉冲模拟器电磁场计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 电磁脉冲孔耦合试验模型
• 3.1 电磁脉冲孔耦合实验模型
• 3.2 电磁脉冲瞬态响应测量系统
• 3.3 脉冲分压器测量系统
• 3.4 脉冲电场的测量
• 3.5 瞬态响应实验结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 实验结果分析及验证
• 4.1 利用矩阵束算法提取电磁脉冲孔耦合晚期特征参数
• 4.1.1 矩阵束算法
• 4.1.2 瞬态响应特征参数提取及耦合函数
• 4.2 应用分数付里叶变换提取电磁脉冲孔耦合早期特征参数
• 4.2.1 分数付里叶变换
• 4.2.2 离散分数付里叶变换仿真分析
• 4.2.3 瞬态响应特征参数提取及耦合函数
• 4.3 电磁脉冲孔耦合的电磁拓扑模型
• 4.3.1 孔耦合电磁拓扑结构和BLT 方程
• 4.3.2 孔上的等效偶极子源
• 4.3.3 多导体传输线上的等效分布源
• 4.3.4 电磁拓扑模型计算实例
• 4.3.5 电磁拓扑模型瞬态响应的计算结果及分析
• 4.3.6 电场屏蔽效能的计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢