大型水平极化电磁脉冲有界波模拟器的并行模拟分析

采用将大地设置为均匀有耗介质,并用单轴完全匹配层（UPML）吸收边界截断的方式,对离散电阻加载的地面上方大型水平极化电磁脉冲（EMP）有界波模拟器的时域辐射场进行并行时域有限差分模拟.给出大地电导率和相对介电常数及模拟器圆锥的锥半径不同时模拟器辐射场的时域波形,分析三者对辐射场的影响,并给出模拟器内有10 m长的效应物时耦合场的时域波形.并行模拟时,计算网格总数达18亿.研究表明：大地相对介电常数和电导率越大,近地面测点接收到的地面反射作用越大;测点场的峰值受锥半径的影响最大,且随着锥半径的增大,同一水平面内的场也越不均匀;对地面上方1 m处的几个测点,其脉冲峰值及半高宽受地面反射及地面损耗的影响较大,而地面上方5 m处的几个测点则受地面影响较小;当效应物开孔位置位于模拟器场泄露一侧时耦合进入圆筒内的电磁波能量较多.     

大型垂直极化EMP辐射波模拟器时域辐射近场的快速预估

将二维轴对称柱坐标系中基于MPI平台的并行FDTD （MPI-FDTD）方法与基于基尔霍夫表面积分表达式（KSIR）的场变换相结合,实现"MPI-FDTD+MPI-KSIR"的混合并行技术,并应用于无电阻加载的大型垂直极化电磁脉冲（EMP）辐射波模拟器时域辐射近场的快速预估.验证算例所得辐射近场不仅与商用软件及并行FDTD的整体模拟符合很好,且与并行FDTD整体模拟相比可以节约80%的计算时间.给出并行加速比和并行效率的测试结果.该方法可用于其它大型垂直极化EMP辐射波模拟器时域辐射近场和辐射远场的快速预估.     

电磁脉冲辐射场试验技术

 针对电磁脉冲辐射场试验的特点和参试电子设备对辐射场试验的需求,介绍了利用辐射波电磁脉冲模拟器进行效应试验过程中,总触发信号、环境场监测信号等的选取原则及获取方法。结合电磁脉冲孔缝耦合效应和穿透耦合效应,分析了试验状态设置在辐射场试验中的重要性。测量结果表明：所给出的总触发信号具有信号稳定、幅值大、到达时刻可以精确计算的特点,适合作为触发信号,用于记录设备的触发;所给出的环境场监测信号具有波形特性好、幅值适中、易于读数等特点,适合作为基准波形,用于对环境场变化的监测和归一化处理。     

10m高分布式负载有界波电磁脉冲模拟器的模式分析

利用时域奇异值分解(SVD)技术对并行时域有限差分(FDTD)方法计算得到的分布式负载平行板有界波电磁脉冲(EMP)模拟器内的场进行模式分析,给出有、无效应物时模拟器内场的3个主要模式(即TEM,TM1和TM2模)奇异值的变化及该奇异值随效应物的位置及高度的变化规律。研究结果表明:电磁波在模拟器中传播时,其主模TEM模的高频分量在衰减;效应物越靠近源时测试点场的3个主要模式所对应的奇异值变化越大;且当效应物的高度与所在位置处两极板距离之比小于等于60%时,效应物附近位置处场的TEM模对应的奇异值会出现两个极大值点,两点的水平间距与效应物的水平尺寸相当。     

冲击脉冲辐射天线辐射场计算及应用

根据由张量法得到的任意线天线电场计算公式,利用镜像法推导,得到冲击脉冲辐射天线辐射电场的时域解析表达式。应用该表达式计算冲击脉冲辐射天线应用于辐射波电磁脉冲模拟器的时域辐射场,并与数值计算进行比较,结果表明:解析计算得到的辐射场波形与数值计算结果吻合较好,因此,利用解析表达式可以方便地观察天线结构参数对天线辐射场波形的影响,从而选取合适的参数以产生符合标准要求的天线场波形。     

垂直极化平行板有界波电磁脉冲模拟器辐射近场的快速估算方法

为快速估算出垂直极化平行板有界波电磁脉冲(EMP)模拟器的时域近场,将散射传递函数法应用于该类型模拟器近场的时域计算中,即对于给定的脉冲源,先寻找有效频谱范围能覆盖该源的高斯脉冲源,并应用时域有限差分(FDTD)方法计算该高斯脉冲源激励时模拟器中测试点场的时域响应,再利用傅里叶变换、系统的传递函数及傅里叶逆变换计算得到给定脉冲源激励时各测试点场的瞬态响应。所得计算结果与直接使用给定脉冲源激励时FDTD方法的计算结果符合较好。所述方法可用于同一模拟器在不同脉冲源激励时辐射近场的快速估算,能大大减少FDTD模拟计算的次数,尤其对于中大型模拟器能有效减少计算时间和内存。     

静放电电磁脉冲模拟装置

介绍了静电放电电磁脉冲（ESD EMP）的特性，研究了用ESD模拟器产生ESD EMP的方法，并给出了ESD EMP的时域波形和频谱。在研究ESD模拟器的基础上，首次通过ESD模拟器和GTEM室的结合，在GTEM室内产生了均匀的，重复性和线性好的ESD EMP。实验表明，用这种能够实验对静电放电电磁脉冲的实验室模拟，实验了人们用GTEM室产生ESD EMP的梦想。     

分布式负载垂直极化有界波电磁脉冲模拟器外泄场的规律分析

将基于MPI平台的并行时域有限差分(FDTD)方法与基于完全磁导体(PMC)镜像法相结合,并结合CST模拟软件,模拟给出分布式负载垂直极化有界波电磁脉冲(EMP)的外泄场(包括侧泄场和后泄场)的分布规律。模拟结果与实验结果符合得很好。研究表明:在高度方向上,地面附近的外泄场峰值最大,但远离模拟器时,在1.5 m高的高度范围内,外泄场的峰值差别不大;不管采用何种双指数脉冲源,距离模拟器边缘位置比较近的测点在传输线段的侧泄场的幅值大于分布式负载段侧泄场的幅值,且两者都大于分布式负载末端的后泄场幅值,但随着测点与模拟器边缘的垂直距离的增加,分布式负载段的后泄场可能会比侧泄场大;对于电压峰值相同的双指数激励源而言,所含的高频分量越多,在一定范围内,从其分布式负载末端外泄的后泄场更大;模拟器下方大地的电导率增加,模拟器的外泄场增加。     

静电放电电磁脉冲模拟装置

 介绍了静电放电电磁脉冲（ESD EMP）的特性。研究了用ESD 模拟器产生ESD EMP的方法，并给出了ESD EMP的时域波形和频谱。在研究ESD模拟器的基础上，首次通过ESD模拟器和GTEM室的结合，在GTEM室内产生了均匀的、重复性和线性好的ESD EMP。实验表明，用这种装置能够实现对静电放电电磁脉冲的实验室模拟。实现了人们用GTEM室产生ESD EMP的梦想。     

TEM喇叭天线辐射机理分析和优化设计

在频域和时域研究了TEM喇叭天线的辐射机理。在频域,高频信号激励的TEM喇叭表现为口径天线的辐射特性,具有良好的方向性;低频信号激励的TEM喇叭可视作偶极子天线,具有全向辐射特性;在时域,脉冲激励的TEM喇叭天线辐射场由四个子波叠加构成,在不同方向上,各个子波的波形和相对时序不同,导致不同方向上辐射场波形也不相同。根据辐射机理研究结果,提出了一种TEM喇叭天线末端加载设计并给出了其优化设计方法,有效地改善了天线主轴辐射性能,提高了辐射因子和天线效率。     

水平极化有界波电磁脉冲模拟器仿真与实验研究

结合传统有界波模拟器和辐射波模拟器的特点,采用新型双锥-线栅型平板天线结构,设计了一台水平极化有界波电磁脉冲模拟器。通过电磁仿真和实验测试,对模拟器的辐射特性和场均匀性进行了研究。仿真结果和实测结果基本一致。结果表明,模拟器能产生包含地面反射的水平极化电磁脉冲环境,波形满足上升沿(2.5±0.5) ns、半高宽(23±5) ns的高空电磁脉冲标准要求。模拟器使用灵活机动,能在不小于5 m×3 m×2 m工作空间内产生峰值场强不小于50 kV/m的6 dB均匀场,也能在降低测试场强时提供更大的工作空间。     

水平极化电磁脉冲模拟器空间场的数值模拟

 采用时域有限差分方法，对水平极化电磁脉冲模拟器所产生的电磁场进行数值模拟，在时域中计算了电磁场的时间 空间分布。讨论了电磁脉冲模拟器产生的电磁脉冲波形和场的空间变化、均匀性等重要因素。结果表明，模拟器产生的电磁脉冲前沿为10ns，接近脉冲电压前沿，波形与脉冲电压波形（双指数波）相差较大；峰值场强在对称轴上并非与距离成反比，而是随距离增大而迅速减弱；该模拟器的双锥 笼形天线能在大范围内（大于等于50m,水平方向）产生均匀分布、高峰值场强、快前沿的电磁脉冲。     

电磁脉冲斜入射时对孔缝耦合效应的数值分析

 利用时域有限差分法（FDTD）研究了电磁脉冲对不同孔洞的耦合规律。分别分析了电磁脉冲对正方形、长方形和多孔洞的耦合效应，讨论了不同极化方向的电磁脉冲对孔洞的耦合能量的规律。研究表明：电磁脉冲对正方形孔洞的耦合能量较小；而对长方形，当脉冲极化方向与长方形短边平行时，耦合能量最大；在孔洞面积相同的条件下，对多孔洞的能量耦合要比单孔洞小。     

模拟器电磁场与实际电磁场耦合响应等效计算

辐射波模拟器产生的脉冲电磁环境能够近似模拟高空核爆电磁脉冲（HEMP）的自由场, 然而在实际HEMP威胁环境中, 施加在地面设备上的电磁场是电磁脉冲入射波与地面反射波的合成场。通过计算不同入射情况下, HEMP自由辐射场经损耗地面反射叠加形成的总电场, 对比其与初始入射场的强度及波形变化, 分析了地面附近合成电磁场的特点。提出一种将模拟环境效应与实际环境效应进行等效转换的计算方法, 应用该方法计算了入射波电场45极化情况下的模拟环境效应修正因子。分析计算结果, 建议在开展HEMP效应的辐射波模拟试验中, 应将受试设备放在至少三个相互正交的方向上进行测试, 同时适当减小模拟器产生电磁脉冲的宽度。     

基于TEM喇叭的辐射波模拟器天线的近场特性

 给出一种新型核电磁脉冲辐射波模拟器天线，并用时域有限差分方法分析和优化天线的结构。天线的激励源是由同轴线馈入的强电压脉冲。优化了平行板传输线和TEM喇叭的尺寸，并对天线的近场进行分析，给出了天线尺寸对近场特性的影响。数值模拟结果表明，在距离天线口径100m处的电场强度可达20kV/m。