波混沌腔体中电磁效应物理量的统计特性研究

摘要

在高功率微波（HPM）效应和电磁兼容(EMC)研究中，研究人员对窄脉冲耦合进入复杂封装体的问题非常感兴趣。本论文主要以随机矩阵理论、统计电磁学、随机平面波假说、量子力学和电动力学为理论基础，采用随机耦合模型(RCM)对波混沌腔体进行了系统分析。从理论和实验两方面对随机耦合模型开展了研究。
　　然而作为一个新兴的研究领域，随机耦合模型在HPM效应、EMC、抗辐射加固等研究中的应用可以说刚刚起步，还有许多急待解决的问题。本文在对波混沌腔体进行系统分析的基础上，探讨了RCM在各种条件下的实用性。
　　随机耦合模型是一个结合随机平面波假说和随机矩阵理论(Random Matrix Theory,RMT)，用公式表示具有时间反演不变性系统（Time Reversal Symmetry, TRS）和不具有时间反演不变性系统（Broken Time Reversal Symmetry, BTRS）的阻抗、导纳和散射的统计模型。采用随机矩阵描述的波混沌腔体中的“归一化阻抗”、“归一化导纳”和“归一化散射”具有通用统计特性，且只与腔体的损耗有关系。
　　RCM模型主要引入具有非统计特性的“辐射阻抗”来描绘耦合孔周围的详细信息，采用随机矩阵理论提供具有统计通用性的物理量来描述波混沌腔体，然后将两者结合起来复原整个波耦合进腔体的状态。
　　本论文首先简要回顾了国内外HPM效应研究现状，并分析、对比了现有HPM效应研究方法的特点、使用范围和局限性，着重从效应目标的不确定性和效应过程的随机性出发，引入了随机耦合模型。接着对随机耦合模型的理论基础——随机矩阵理论、随机平面波假说、波混沌等进行了描述和分析。为了证明RCM的可靠性和实用性，特将计算机机箱作为微波混沌腔体进行了模拟仿真和实验研究。重点讨论了在计算机机箱内部不同状态下RCM的应用，获得如下主要结论:
　　1.通过模拟仿真、实验研究和RCM计算研究发现:如果针对一系列相似对象（例如计算机机箱）的效应结果进行统计分析时，系统的效应评估主要建立在大量实验数据基础上的，采用传统的数值模拟和实验研究方法，传统的实验研究方法将需要大量的实验样本，而对各种相似效应目标进行数值仿真则比较耗时。如果采用RCM对系统进行分析，只需知道系统少量系统参量，就可以方便的给出感应电压（电流）的统计结果。
　　2.对波混沌腔体进行数值仿真和实验研究发现:计算机机箱中的散射行为是波混沌散射，RMT计算的归一化阻抗与模拟（或实验）得到的归一化阻抗的统计特性一致;归一化阻抗和归一化导纳本征值实部、虚部的统计特性非常一致，且与系统的耦合无关，不会随着参考面的移动而改变;随着腔体损耗的增加，插入相移分布逐渐趋于均一分布;辐射阻抗结合随机矩阵理论可以快速还原已知系统的腔体散射矩阵。
　　3.搭建了实验平台，通过实验测量系统关键部位感生电压（电流）的大小以验证RCM的实用性。结果表明:两者的统计结果趋势基本一致，且实验测量范围与RCM计算的频数出现最多的范围基本一致。在实验过程中注意到辐射散射过程的测量直接影响到最终的统计结果。
　　RCM在统计电磁学、电磁兼容、抗辐射加固和HPM效应研究领域有重要的实用价值。然而RCM研究现阶段仍然处于初期研究阶段，为了让其早日成为一个通用研究工具，需要进行更深入的理论和实验研究。在以后HPM效应机理研究中，可以结合量子力学、统计电磁学等学科，以拓宽研究思路和方法。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究工作的背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究工作的意义

1．4 研究工作的主要内容

第二章 随机耦合模型

2．1 引言

2．2 随机耦合模型理论概述

2．2．1 随机矩阵理论

2．2．2 随机平面波假说

2．2．3 波混沌

2．3 理论分析

2．3．1 Schr(o)dinger方程的电磁场分析

2．3．2 简单模型建立和公式推导

2．4 单孔激励腔体的辐射阻抗归一化过程

2．5 多孔激励腔体的辐射阻抗归一化过程

2．6 用随机矩阵蒙特卡罗方法模拟产生归一化阻抗和散射矩阵

2．7 小结

第三章 电磁波混沌腔体系统的数值仿真

3．1 引言

3．2 FDTD方法与电磁场仿真软件

3．3 物理模型的建立

3．4 仿真计算

3．4．1 大量散射矩阵的仿真

3．4．2 辐射散射矩阵的数值仿真

3．5 结果分析

3．5．1 “非理想耦合”程度的分析

3．5．2 微波混沌系统的初步证明

3．5．3 辐射阻抗归一化过程

3．5．4 圆系综证明波混沌散射的存在

3．5．5 随机矩阵的预测功能验证

3．6 小结

第四章 微波混沌系统中的统计特性

4．1 引言

4．2 实验平台的构建及测量方法

4．2．1 实验装置和实验方案

4．2．2 测试方法

4．3 测量结果分析

4．3．1 “非理想耦合”或“不匹配”程度的分析

4．3．2 波混沌系统的阻抗、散射和导纳矩阵特性讨论

4．3．3 归一化散射系数的统计通用性

4．3．4 波混沌系统的证明

4．3．5 归一化阻抗矩阵和归一化导纳矩阵的统计特性分析

4．4 腔体散射系数的确定

4．5 小结

第五章 随机耦合模型的应用

5．1 引言

5．2 腔体内感应电压模值的计算流程

5．3 估算腔体损耗的几种方法

5．3．1 没有出现重叠共振的系统

5．3．2 出现重叠共振的系统

5．4 RCM理论的应用

5．4．1 目标孔2为孤立探针时RCM理论的应用

5．4．2 目标孔2与电路板连接情况下RCM理论的应用

5．5 电路板对2孔感应电压的影响

5．5．1 实验测量示意图

5．5．2 测量结果分析

5．6 激励孔最佳功率频谱作用信号的确定

5．7 小结

第六章 结论

6．1 主要研究内容和贡献

6．2 研究中的缺憾和注意事项

6．3 展望与设想

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和所获成果情况

学术活动记录表