葉志紅,廖 成,馮 強(qiáng)

(西南交通大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究所,成都610031)

1 kW微波源機(jī)箱電磁耦合的并行FDTD模擬*

葉志紅**,廖 成,馮 強(qiáng)

(西南交通大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究所,成都610031)

微波源機(jī)箱的不同面板上開(kāi)有不同數(shù)量和大小的矩形孔縫和散熱通風(fēng)孔,電磁脈沖可以通過(guò)機(jī)箱上的孔縫耦合進(jìn)入微波源內(nèi)部,對(duì)內(nèi)部電路和設(shè)備造成干擾。通過(guò)自動(dòng)網(wǎng)格剖分技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1 kW微波源的快速建模,采用并行時(shí)域有限差分(FDTD)算法模擬了不同極化方向下高斯脈沖正入射1 kW微波源機(jī)箱的耦合問(wèn)題,分析了微波源機(jī)箱的電磁脈沖耦合規(guī)律。研究結(jié)果表明,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與電磁軟件仿真結(jié)果吻合得比較好,電磁脈沖的極化方向?qū)︸詈线M(jìn)入微波源箱體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度影響不大,微波源機(jī)箱中心點(diǎn)的諧振特性明顯。

微波源機(jī)箱;電磁脈沖耦合;自動(dòng)網(wǎng)格剖分;并行時(shí)域有限差分;高斯脈沖

1 引 言

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,電子系統(tǒng)的集成度和靈敏度越來(lái)越高,抗電磁干擾的能力有所下降。而且隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜,電磁脈沖可以通過(guò)電子系統(tǒng)機(jī)箱上的孔縫等耦合進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部,對(duì)內(nèi)部電路和器件造成干擾和損害。因此,分析電子系統(tǒng)帶孔縫機(jī)箱的電磁脈沖耦合規(guī)律顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于電磁脈沖對(duì)帶孔縫機(jī)箱的電磁耦合問(wèn)題的研究比較多,主要集中在數(shù)值算法和耦合規(guī)律分析方面。文獻(xiàn)[1]中采用矩量法,解決了TE波與有厚度的開(kāi)縫無(wú)限大導(dǎo)電平面的電磁耦合問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]中采用傳輸線(xiàn)矩陣(TLM)方法,分析了帶矩形孔縫腔體的屏蔽效能。文獻(xiàn)[3]中利用FDTD方法,得到了電磁脈沖作用下計(jì)算機(jī)主板耦合的電磁場(chǎng)分布。文獻(xiàn)[4]中通過(guò)建立實(shí)際計(jì)算機(jī)機(jī)箱的物理模型,使用FDTD方法得到了電磁脈沖對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)箱的耦合規(guī)律。文獻(xiàn)[5]中利用FDTD方法,研究了不同形狀和不同數(shù)量的孔縫對(duì)機(jī)箱耦合效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[6]中利用FDTD方法,分析了不同極化方向的電磁脈沖對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)箱的耦合規(guī)律。文獻(xiàn)[7]中利用FDTD方法,研究了帶孔縫金屬機(jī)箱在電磁脈沖激勵(lì)下的電場(chǎng)屏蔽效能。文獻(xiàn)[8]中分析了相同孔縫面積的情況下,不同開(kāi)孔形狀對(duì)機(jī)箱屏蔽效能的影響。文獻(xiàn)[9]中采用有限積分法對(duì)彈體內(nèi)置矩形腔體的屏蔽效能進(jìn)行了數(shù)值模擬。

FDTD方法是一種很有效的時(shí)域算法,通過(guò)一次計(jì)算即可獲得信號(hào)寬頻帶的響應(yīng)特性。近幾年來(lái),文獻(xiàn)中多數(shù)是采用FDTD方法,對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)箱的電磁耦合問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算和分析,微波源耦合問(wèn)題的研究以及并行FDTD算法的應(yīng)用比較少?；诖?本文采用并行FDTD算法,對(duì)1 kW微波源機(jī)箱進(jìn)行建模并實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)格剖分,模擬并分析不同極化方向下高斯脈沖對(duì)微波源機(jī)箱的電磁耦合規(guī)律。

2 并行FDTD算法實(shí)現(xiàn)

采用并行FDTD算法分析微波源機(jī)箱的電磁脈沖耦合規(guī)律的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示,這也是分析任意電子系統(tǒng)機(jī)箱電磁耦合問(wèn)題的通用方法。主要包括3個(gè)部分:首先,根據(jù)粗略的理論分析,對(duì)微波源機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化,再采用CAD軟件建立微波源機(jī)箱的物理模型,導(dǎo)出其STL格式文件[10];其次,將FDTD算法與基于MPI庫(kù)的并行技術(shù)結(jié)合起來(lái),形成并行FDTD程序模塊,程序能夠讀入微波源的STL文件,并通過(guò)自動(dòng)網(wǎng)格剖分技術(shù),實(shí)現(xiàn)微波源機(jī)箱模型的快速建模;最后,采用并行FDTD程序,模擬不同極化方向的高斯脈沖源對(duì)微波源機(jī)箱的耦合,在微波源的關(guān)鍵位置設(shè)置觀察點(diǎn),提取觀察點(diǎn)的時(shí)域波形,分析電磁波在微波源機(jī)箱內(nèi)部的傳播和諧振特性。

圖1 并行FDTD算法實(shí)現(xiàn)Fig.1 The implementation of parallel FDTD

3 微波源機(jī)箱建模

以型號(hào)為MPG-2010C的1 kW微波源為原型,通過(guò)相應(yīng)的理論分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化和近似處理,再利用CAD軟件進(jìn)行建模。圖2是CAD軟件中建立好的微波源箱體模型,機(jī)箱的長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為X=430 mm,Y=705 mm,Z=565 mm。其前面板位于XOY平面,面板上開(kāi)有一定數(shù)量的矩形孔和通風(fēng)孔,后面板上同樣開(kāi)有通風(fēng)孔,左右兩側(cè)的面板上開(kāi)有多個(gè)矩形槽。

圖2 微波源CAD模型Fig.2 The CAD model of microwave source

電磁脈沖對(duì)微波源機(jī)箱的耦合過(guò)程滿(mǎn)足無(wú)源麥克斯韋方程組:

激勵(lì)源選用高斯脈沖,其表達(dá)式為2

脈沖寬度τ為0.2 ns,幅值為1 000 V/m。

計(jì)算區(qū)域的空間網(wǎng)格步長(zhǎng)取為5 mm,時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)Courant條件確定,總的計(jì)算時(shí)間為40 ns。計(jì)算空間分為總場(chǎng)和散射場(chǎng),入射波通過(guò)連接邊界引入到總場(chǎng)區(qū),吸收邊界采用CPML吸收邊界條件。

4 數(shù)值仿真

在曙光刀片機(jī)上,采用4個(gè)核進(jìn)行并行計(jì)算,模擬垂直極化與水平極化兩種極化方向下的高斯脈沖正入射微波源機(jī)箱的電磁耦合問(wèn)題,將程序計(jì)算結(jié)果與商業(yè)電磁軟件仿真結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證算法的正確性。提取相應(yīng)點(diǎn)的時(shí)域波形,觀察電磁波在機(jī)箱內(nèi)部的振蕩特性,分析電磁脈沖對(duì)微波源機(jī)箱的耦合規(guī)律。微波源觀察點(diǎn)的位置如圖3所示,A點(diǎn)為前面板通風(fēng)孔附近點(diǎn),B點(diǎn)為后面板通風(fēng)孔附近點(diǎn),C點(diǎn)為箱體的中心點(diǎn)。

圖3 微波源觀察點(diǎn)設(shè)置Fig.3 The location of observation points

4.1 垂直極化高斯脈沖正入射情形

考慮垂直極化的高斯脈沖,傳播方向?yàn)閦軸正方向,極化方向?yàn)閤軸正方向。

圖4給出了微波源機(jī)箱中心點(diǎn)主極化方向的電場(chǎng)分量Ex以及總電場(chǎng)幅值的時(shí)域波形。由圖可知,程序計(jì)算結(jié)果與商業(yè)電磁軟件的仿真結(jié)果吻合得比較好,驗(yàn)證了算法的正確性。

圖5給出了微波源中觀察點(diǎn)的總電場(chǎng)幅值波形。由圖可知,電磁脈沖通過(guò)前面板上的通風(fēng)孔耦合進(jìn)入箱體的能量較大,微波源箱體為金屬結(jié)構(gòu),可以近似看成諧振腔,耦合進(jìn)入微波源箱體內(nèi)部的電磁脈沖會(huì)產(chǎn)生諧振,而且中心點(diǎn)的諧振特性最明顯,諧振點(diǎn)增多。

圖4 垂直極化下機(jī)箱中心點(diǎn)的時(shí)域波形Fig.4 The time domain wave of the center under vertical polarization

圖5 垂直極化下觀察點(diǎn)的時(shí)域波形Fig.5 The time domain waves of observation points under vertical polarization

4.2 水平極化電磁脈沖正入射情形

水平極化的高斯脈沖,傳播方向?yàn)閦軸正方向,極化方向?yàn)閥軸正方向。

類(lèi)似地,圖6中給出了微波源機(jī)箱中心點(diǎn)的主極化方向的電場(chǎng)分量Ey以及總電場(chǎng)幅值的時(shí)域波形。由圖6可知,程序計(jì)算結(jié)果與商業(yè)電磁軟件的仿真結(jié)果吻合得比較好,驗(yàn)證了算法的正確性。

圖6 水平極化下中心點(diǎn)的時(shí)域波形Fig.6 The time domain wave of the center under horizontal polarization

同樣,圖7給出了微波源中觀察點(diǎn)的總電場(chǎng)幅值波形。由圖7可知,電磁脈沖通過(guò)前面板上的通風(fēng)孔耦合進(jìn)入箱體的能量較大,且箱體中心點(diǎn)的諧振特性最明顯。同時(shí),由圖5和圖7可以看出,兩種極化方向下的電磁脈沖耦合進(jìn)入微波源箱體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度基本相同。

圖7 水平極化下觀察點(diǎn)的時(shí)域波形Fig.7 The time domain waves of observation points under horizontal polarization

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出,1 kW微波源機(jī)箱電磁耦合的并行FDTD模擬結(jié)果與商業(yè)電磁軟件仿真結(jié)果吻合得比較好,驗(yàn)證了算法的正確性。通過(guò)觀察點(diǎn)的時(shí)域波形可以看出,電磁脈沖通過(guò)前面板通風(fēng)孔耦合進(jìn)入的能量較大,電磁脈沖在微波源箱體內(nèi)部不斷振蕩,中心點(diǎn)的諧振特性最明顯。同時(shí),電磁脈沖的極化方向?qū)︸詈线M(jìn)入微波源內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度影響不大。分析微波源機(jī)箱的電磁脈沖耦合規(guī)律以及機(jī)箱內(nèi)部電磁波的諧振特性,為進(jìn)一步分析1 kW微波源以及更高功率微波源的電磁兼容問(wèn)題以及微波源內(nèi)部器件布局和設(shè)計(jì)提供了理論支撐,具有實(shí)際的工程價(jià)值。

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YE Zhi-hong was born in Taixing,Jiangsu Province,in 1988.He received the B.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2006. He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns electromagnetic compatibility.

Email:zhihongye_love@163.com

廖 成(1964—),男,重慶人,教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、電磁兼容和天線(xiàn)原理與設(shè)計(jì);

LIAO Cheng was born in Chongqing,in 1964.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns computational electromagnetics,electromagnetic compatibility, and antenna theory and design.

Email:c.liao@swjtu.edu.cn

馮 強(qiáng)(1990—),男,江西豐城人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒荨?/p>

FENG Qiang was born in Fengcheng,Jiangxi Province,in 1990.He is now a graduate student.His research concerns electromagnetic compatibility.

Electromagnetic Pulse Coupling Rule Research of 1 kW Microwave Source Case Based on Parallel FDTD Method

YE Zhi-hong,LIAO Cheng,FENG Qiang

(Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Different panels of microwave source case have different numbers and sizes of rectangular holes and cooling vents.Electromagnetic pulse can couple into microwave source case by penetrating through the holes and vents,and then cause interference to the inner circuits and equipment.The adaptive mesh refine technology is used to achieve the rapid modeling of the 1 kW microwave source case.The parallel Finite-Difference Time-Domain(FDTD)algorithm is used to simulate the coupling problems between Gaussian pulse with different polarization direction under normal incidence and the microwave source.The results show that,the numerical calculation results agree well with that simulated by electromagnetic software,and the polarization direction of electromagnetic pulse doesn′t influence the electric field strength coupling into the microwave source,and the resonant characteristics of the center of microwave source is obvious.

microwave source case;electromagnetic pulse coupling;adaptive mesh refine;parallel finitedifference time-domain;Gaussian pulse

The National Natural Science Foundation of China(No.11076022)

date:2013-08-19;Revised date:2013-11-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11076022)

**通訊作者:zhihongye_love@163.com Corresponding author:zhihongye_love@163.com

TN702

:A

:1001-893X(2013)12-1633-05

葉志紅(1988—),男,江蘇泰興人,2006年于西南交通大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為西南交通大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒?

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.12.018

2013-08-19;

2013-11-19