基于FDTD分析天线对电磁脉冲响应特性

摘要

随着微电子技术的迅猛发展，电子电器系统微电子化，尤其是超大规模的集成电路在军事系统的广泛应用，使得电磁兼容和电磁干扰问题得到极大的关注。电磁脉冲是一种瞬间产生的强大能量场，可由雷电、高功率微波炸弹、核爆炸以及电磁脉冲弹等多种方式产生。一旦这种高功率电磁能量耦合到天线或传输线等前门入口，就会沿着一个或多个耦合路径传输到敏感单元，对电子器件造成严重的破坏效应。在众多数值分析方法中，时域有限差分法(Finite Difference Time Domain：FDTD)由于具有直接从麦克斯韦方程出发，不需任何导出方程，简单直观且易于掌握的优点，因而在电磁工程领域的各个方面获得广泛的应用和发展。
　　 本文从理论分析入手，首先仿真分析了几种典型的电磁脉冲的时域和频域特性，接着阐述了时域有限差分法(FDTD)的基本原理，推导差分离散方程，逐一分析时域有限差分法中时间步长和空间步长的选取标准，着重介绍了完美匹配层吸收边界条件、入射波的引入以及近远场变换的方法。
　　 其次，利用网格剖分技术中的细导线FDTD算法计算了偶极天线的辐射远场，得到的结果和CST仿真结果比较，验证了算法的可靠性。然后通过细导线FDTD算法对超宽带电磁脉冲、高空核爆炸电磁脉冲及高功率微波照射下的偶极天线瞬态响应特性进行数值模拟，并且定量计算了电磁脉冲不同角度入射下偶极天线的中心电流、远场响应以及频谱。
　　 最后，计算和分析了E面喇叭天线对上述几种典型电磁脉冲的响应特性，且通过瞬态近远场变换计算了喇叭天线对入射脉冲产生的远场响应，并利用傅里叶变换得到了响应频谱。同时，分析了喇叭天线对不同入射角度和脉冲不同参数的电磁脉冲的响应特性，其定量的计算结果对天线连接设备电磁损伤的评估及电子设备和系统防护措施的研究具有重要参考价值。