TDIE/FDTD混合法及其在时域电磁场分析中的应用

摘要

本文所研究的主要内容是导体和邻近的非均匀介质与时域电磁波相互作用的数值分析问题。例如脉冲电压激励的任意弯曲线天线与人体之间相互耦合的数值仿真。 经典的时域有限差分法(FDTD)在分析复杂媒质中的时域电磁场问题方面具有独特的优势，但却难以对任意弯曲细导线等具有复杂几何形状的结构进行准确模拟。传统的时域积分方程法(TDIE)能够对任意几何形状的导体结构进行准确的模拟，但将其用于分析宽频带电磁波与非均匀介质体的相互作用时，却面临计算代价高昂的问题。 TDIE/FDTD混合方法充分利用了TDIE适合于模拟天线辐射，而FDTD适合于模拟时域电磁波在复杂介质中传播的特点，并考虑了天线与非均匀介质体之间的直接耦合，能够对天线与近距离非均匀介质体之间相互耦合的时域问题进行准确而有效的仿真计算。 1．对色散介质的时域有限差分法，即与频率相关的时域有限差分法((FD)<'2>TD)，进行了深入研究。利用3mm真实人体模型，对人体与平面电磁脉冲的作用进行了计算。 2．本文提出了一种新的用于分析非均匀色散介质瞬态散射的时域积分方程解法，该方法以电位移矢量D为未知量，在时间步进过程中利用本构关系式的微分形式计算电场强度E值，避免了卷积解法中复杂的时域卷积积分。 3．提出了一种新的时间基函数：六点时间基函数，用于本文所提出的非均匀色散介质TDIE新算法。 4．本文提出一种细线导体结构的TDIE方法中多条细线交叉点电流的新处理方法，该方法程序实现简单而有效。 5．对时域积分方程法/时域有限差分法混合方法(TDIE/FDTD)进行了深入研究，通过多个算例证明了该混合方法的准确性和有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究的背景和意义

1.2国内外研究进展

1.3论文的主要成果和内容安排

第二章时域有限差分法

2.1 FDTD法的基本原理

2.1.1 Yee氏网格

2.1.2 Maxwell旋度方程的有限差分表示

2.1.3数值稳定性与色散性

2.2吸收边界条件

2.2.1 Mur吸收边界条件

2.2.2单轴各向异性完全匹配层(UPML)

2.3连接边界条件

2.4色散媒质的FDTD法

2.4.1色散媒质的电磁参数

2.4.2(FD)2TD法

2.5人体对电磁脉冲吸收剂量的仿真研究

2.5.1人体结构与电磁模型

2.5.2入射电磁脉冲EMP及计算稳定性分析

2.5.3计算结果

2.5.4结果分析

2.6本章小结

第三章时域积分方程法

3.1时域积分方程的导出

3.2线状理想导体的时域积分方程法

3.3三维理想导体的时域积分方程法

3.3.1 RWG矢量基函数

3.3.2理想导体时域积分方程的隐式解法

3.4非均匀介质时域积分方程法

3.4.1四面体单元的体屋顶矢量基函数

3.4.2非均匀无耗介质的时域积分方程法

3.4.3非均匀有耗介质的时域积分方程法

3.4.4非均匀色散介质时域积分方程卷积解法

3.4.5色散非均匀介质时域积分方程辅助方程解法

3.5阻抗加载线天线的时域积分方程

3.5.1阻抗加载线天线时域积分方程解法

3.5.2电容加载细导线的TDIE求解

3.6对线状导体交叉点的处理

3.7时域平面波方法PWTD

3.8本章小结

第四章TDIE/FDTD混合方法

4.1引言

4.2 TDIE/FDTD混合方法原理

4.3 TDIE/FDTD混合方法的验证和应用

4.3.1自由空间圆环天线的计算验证

4.3.2自由空间两偶极子天线的计算验证

4.3.3介质板分隔的两圆环天线

4.3.4脉冲激励线圈与人体头部相互作用

4.3.5脉冲电压激励V形天线与介质天线罩的作用

4.4本章小结

第五章结束语

致谢

参考文献

作者在校期间发表或录用文章

作者在校期间参加科研情况