FDTD方法分析天线耦合及生物电磁效应

摘要

作为辐射超宽带电磁脉冲的天线之一,横电磁波(TEM)喇叭天线具有常阻抗、宽频带、方向性好以及体积相对较小、设计相对简单等优点,因此在众多领域获得了广泛的应用.本文采用两块相互间有一张角的等腰三角形金属板来模拟TEM喇叭天线,通过同轴线给天线馈电,优化了天线馈入端平行板传输线的结构.本文完成了用以处理同轴线芯线的细导线FDTD方法,研究了同轴线口径处内、外场之间的耦合,分析了单一喇叭进行馈电的二元TEM喇叭天线阵的耦合特性,并给出了天线近场的能量分布,对天线阵单元的自阻抗及互阻抗进行了数值模拟.传统的FDTD方法在对TEM喇叭天线进行离散建模时,由于采用台阶近似,喇叭表面将会产生锯齿形状,这就可能使天线在辐射电磁脉冲时产生沿面的表面波,从而加大了数值色散误差.本文在对TEM喇叭天线进行传统建模的基础上对其内表面采用三维曲面共形技术(MCFDTD)加以修正,分析了TEM喇叭天线近场的能量分布及其辐射特性.随着科技的发展、社会的进步,人类置身于一个无处不在的电磁场的包围之中.人体(特别是头部)对电磁能量的吸收是否会对健康造成危害?这引起社会各界人士的广泛关注.因此,采用电磁场数值算法来分析生物组织的电磁效应具有重要的实际意义.本文采用FDTD方法完成了人体头部这一复杂目标的建模,推导了时谐场照射下的电磁吸收剂量SAR(SpecificAbsorption Rate),给出了人体头部在平面波照射下的SAR值分布,为医学及生物电磁领域提供了一定的数值参考.

目录

文摘

英文文摘

创新性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2时域有限差分方法简介

1.2.1三大数值算法的比较

1.2.2 FDTD方法概述

1.2.3 FDTD公式和基本原理

1.2.4数值稳定性和收敛性

1.2.5吸收边界

1.2.6外推远区散射场

1.3论文的主要内容及贡献

第二章二元喇叭天线阵列的互耦分析

2.1引言

2.2 TEM喇叭天线及其阵列的结构

2.3细导线FDTD方法

2.4同轴线馈电方式

2.4.1同轴线内场的计算

2.4.2同轴线口径处的耦合

2.5数值模拟

2.5.1双喇叭堆栈放置：其一馈入脉冲电压时对另一喇叭产生的影响

2.5.2双喇叭沟槽放置：其一馈入脉冲电压时对另一喇叭产生的影响

2.6本章小结

第三章共形技术在TEM喇叭天线中的应用

3.1引言

3.2二维曲面共形技术

3.2.1曲面共形原理

3.2.2共形网格的生成

3.2.3后向加权平均方案修正共形技术

3.2.4计算实例

3.3三维曲面共形技术

3.3.1曲面共形原理

3.3.2共形网格的生成

3.3.3后向加权方案修正共形技术

3.4 TEM喇叭天线的辐射分析

3.5本章小结

第四章FDTD方法分析生物组织的电磁吸收剂量SAR

4.1引言

4.2时谐场照射下生物体内的电磁效应

4.3人体头部的建模方法

4.3.1建模步骤

4.3.2模型显示

4.4计算结果

4.4.1旋转椭球体的SAR值分布

4.4.2人体头部的SAR值分布

4.5本章小结

结束语

致谢

参考文献

作者在读期间的研究成果