（电工理论与新技术专业论文）电磁脉冲孔耦合.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h e e l e c t r o m a g n e t i cp u l s ec o u p l i n g t h r o u g ha p e r t u r e s a b s t r a c t c o u p l i n gt h r o u g ha p e r t u r e si s o n eo ft h e i m p o r t a n ta p p r o a c h e s t h a tt h e i e l e c t r o m a g n e t i cp u l s ee n t e r si n t oa ne l e c t r o n i cs y s t e m t h e r e f o r et h er e s e a r c ho nt h e e l e c t r o m a g n e t i cp u l s ec o u p l i n gt h r o u g ha p e r t u r e si sn e c e s s a r y b a s e do nt h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h ee i e c t r o m a g n e t i cw a v et h r o u g ha p e r t u r e s ， t h em a t h e m a t i cf o r m u l a t i o no ft h es i n ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ec o u p l i n gt h r o u g h a p e r t u r e sw a sg a i n e dv i am a x w e l le q u a t i o n s a f t e rt h es i n e - w a v ep a s s e st h el i t t l e a p e r t u r e ，t h er e l a t i o nc u r v e so ft h ee l e c t r i c f i l e ds t r e n g t hv a r y i n gw i t ht i m ew e r e o b t a i n e di nc o n d i t i o n so ft h e d i f f e r e n td i s t a n c e ，a p e r t u r ea r e a ，e n t r a n c ea n g l ea n d f r e q u e n c y o ft h ee n t r a n c ew a v e t h e nt h e e l e c t r o m a g n e t i cp u l s e w a v ew a s d e c o m p o s e da n dc o m p o s e du s i n gt h ef o u r i e rs e r i e s f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nc u r v e so f t h ee l e c t r i c - f i l e ds t r e n g t hr e l a t e dt ot i m ew e r eo b t a i n e dw h e nt h ee l e c t r o m a g n e t i c p u l s ec o u p l e st h r o u g ha p e r t u r e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r i c f i l e ds t r e n g t h d e c r e a s e s 、v i t l lt h ei n c r e a s i n go ft h ed i s t a n c e i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e a r e aa n dd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n g o ft h ee n t r a n c ea n g l e a f t e rt h e e l e c t r o m a g n e t i cp u l s ep a s s e st h ea p e r t u r e s t h e e x p e r i m e n t r e s e a r c ho nt h e e l e c t r o m a g n e t i cp u l s ec o u p l i n gt h r o u g h a p e r t u r e sw a sd o n e a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fs i m u l a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cp u l s ew a s e s t a b l i s h e d ，a n di t sp u l s es o u r c e ，i r r a d i a t o ro fe l e c t r i c f i l e d ，t e r m i n a la d a p t e ra n d c o n t r o lc i r c u i to ft h es i m u l a t o rw e r ed e s i g n e d i no r d e rt om e a s u r et h eo u t p u tv o l t a g e o ft h es i m u l a t o r , am e a s u r i n gs y s t e mo fp u l s ev o l t a g ed i v i d e rw a sd e s i g n e da n dt h e a c t u a lv o l t a g ec u r v ew a sg a i n e d b ym e a n so ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fs i m u l a t i n g e l e c t r o m a g n e t i cp u l s e ，t h ee x p e r i m e n to nt h ee f f e c to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cp u l s e c o u p l i n gt h r o u g ha p e r t u r e sw a sm a d ei nd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h e e x p e r i m e n t a lc u r v e sa n ds p e c t r u m so ft h ei n d u c t i o nv o l t a g eo ft h ec r y s t a la f f e c t e db y t h ee l e c t r o m a g n e t i cp u l s ec o u p l i n gt h r o u g ha p e r t u r e sw e r eg a i n e di nt h eg e n e r a t i n g c i r c u i to ft h eo s c i l l a t e ds i g n a l ，t h et e n d e n c yo fe x p e r i m e n t a lc u r v e si ss i m i l a rw i t h s i m u l a t i o n 1 1 1 ea n a l y t i c a lm e t h o df o ra n a l y z i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cp u l s ec o u p l i n gt h r o u g h 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a p e r t u r e so v e r c o m e st h eh e a v yc a l c u l a t i o n t h e o r e t i c a l l ys p e a k i n g ，a n ye n t r a n c e w a v ec a nb ed e c o m p o s e da n dc o m p o s e dt h r o u g ht h ef o u r i e rs e r i e s ，o n l yi ft h e m a t h e m a t i cf o r m u l a t i o no ft h es i n ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ec o u p l i n gt h r o u g ha p e r t u r e s i sa c h i e y e d t h e r e f o r e t h i s p a p e r e s t a b l i s h e st h e p r i n c i p l e f o u n d a t i o nf o r e l e c t r o m a g n e t i cw a v ec o u p l i n gt h r o u g ha p e r t u r e ，a n di ti sm e a n i n g f u lf o rt h ef u r t h e r r e s e a r c ho nt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e k e y w o r d s e l e c t r o m a g n e t i cp u l s e ；c o u p l i n gt h r o u g ha p e r t u r e s ；f o u r i e rs e r i e s i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电磁脉冲孔耦合，是本人在 导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成 果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。 对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的 法律结果将完全由本人承担。 作者签名 扣砍 日期：莎年专月f d 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 电磁脉冲孔耦合系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导 下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研 究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使 用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文 被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口， 不保密回 ( 请在以上相应方框内扣) 作者签名 导师签名： 拓收 勿绷 在年解密后适用授权书。 o 日期：沏占年弓月1 0 目 日期：渤6 年弓月f 9 日 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换，高密度、宽频谱的 电磁信号充满整个人类的生存空间，构成了极其复杂的电磁环境。电磁波通过 辐射和传导等途径，侵入敏感的电子设备中，使其无法正常工作。而由于设备 散热，通风以及与外界电路连接等需要，屏蔽导体上不可避免地存在着孑l 缝， 而孔缝的存在是影响系统屏蔽性能的关键因素。因此，充分了解金属导体上孔 缝对电磁波的散射、透射，对于电子设备和系统的电磁兼容性预测和设计，具 有十分重要的实际指导意义。 在人类进入信息化社会的今天，电磁波作为一种资源在0 h z - - 4 0 0 g h z 宽频 范围内，广泛地用于信息技术产品中，如汽车、通信、计算机、家电等产品， 大量地拥入社会和家庭。伴之而来的电磁干扰也就从甚低频到微波波段，无孔 不入地辐射或传导至运行中的电子设备或系统以及周围的环境，特别是电磁脉 冲对各种军用和民用的电子、电气设备与系统构成的威胁更为严重，因此本文 主要研究的是电磁脉冲通过孔的耦合问题。 电磁脉冲是一种瞬变电磁现象，其能量大、覆盖地域广。从时域波形看， 一般具有陡峭的前沿、很高的峰值场强，宽度较窄；从频域看，则覆盖了较宽 的频带。除了人们熟知的雷电会产生电磁脉冲以外，静电放电以及大功率电子、 电气开关动作也会产生电磁脉冲“。 对于电磁脉冲及其工程防护的研究均离不开试验，电磁脉冲试验包括现场 试验和模拟实验。但现场实验由于其试验条件的综合性和复杂性，较难实现， 因此电磁脉冲的模拟就显得尤为重要。利用电磁脉冲模拟器产生的电磁脉冲进 行电子元件及电子设备的效应实验，对了解、认识电子设备等在电磁脉冲作用 下的效应机制是有很大应用价值的，它可以为探索防护和加固技术提供重要的 技术基础。因此，利用电磁脉冲模拟器借以测试电磁脉冲的效力和各种电子系 统的抗干扰能力具有重要的意义。 2 0 世纪6 0 年代以来，世界各国建造了许多电磁脉冲模拟器，并提出了一些 模拟复杂电磁脉冲环境的设想。最初人们将这些模拟器按结构形式分为有界波 模拟器和辐射波模拟器，又按电场强度分为威胁量级和亚威胁量级两类模拟器。 随着模拟技术的发展，c e b a u m 于1 9 7 8 年按所需模拟的电磁脉冲环境，将模 拟器分为以下4 类0 1 ： _ - _ 。1 。 t 争 哈尔滨理工大学工学母i 十学位论文 i 模拟源区外电磁脉冲环境的模拟器。 2 模拟地面附近核爆炸源区内电磁脉冲环境的模拟器。 3 模拟空中核爆炸源区内电磁脉冲环境的模拟器。 4 摸拟高空核爆炸源区内系统电磁脉冲的模拟器。 迄今为止，这些模拟器多数都己实现，还有少数至今仍然尚未成为现实。 被试对象及其实验目的的多样性使得电磁脉冲模拟器式样繁多，大小不一， 形状各异0 1 。然而不论何种模拟器，皆由脉冲源和电磁场形成装霄两大部分组成。 脉冲源通常为峰值电压达数千伏至数兆伏的高压脉冲发生器，其输出的脉冲可 以是单次的或以一定频率重复的。电磁场形成装置是用以在试件周围空间形成 脉冲电磁场的金属结构物，它规定了用来激励电磁场的空间电流的流动方向和 电流分布，它有各种各样的几何形状，例如倒立于地面上的圆锥体( 单锥) ，悬 挂在空中的双锥偶极子、平行板、圆环、扇面等等“。 研究电磁脉冲对电子、电气系统的破坏及如何对其进行防护，要弄清电磁 脉冲的耦合途径。所有电磁波的祸合途径都有其共性，不过由于频率不同，耦 合的特点亦不相同，电磁波的耦合途径主要有o ： ( 1 ) 天线耦合 全体暴露于电磁场的金属导体均可认为是天线，但耦合至电子系统的途径可 以通过“前门” ( “f r o n t - d o o r ”c o u p l i n g ) ，也可以通过“后门” ( “b a c k d o o r ” c o u p l i n g ) 。所谓“前门”即电磁波直接耦合至天线，因此可以按天线的设计特 性计算祸合强度。当电磁波频率与天线设计频率相等时，耦合最大。所谓“后 门”是指电磁波不是直接，而是通过一些间接的途径耦合至接收系统，例如通 过孔洞、缝隙、电源线、接地线、传输电缆、屏蔽体的透射等，情况比较复杂， 需具体加以分析。 ( 2 ) 孔洞及缝隙耦合 完整的屏蔽体的微波穿透泄漏影响几乎可忽略，不必考虑，除非薄膜的厚度 特别薄。但当存在尺寸和微波波长相比拟的孔洞和缝隙时，微波的耦合就很严 重。当波长小于孔洞或缝隙尺寸时，电磁波将毫无阻挡地进入屏蔽体内，而当 波长大于孔洞或缝隙尺寸时，电磁波将被阻挡。当波长与孔隙尺寸相当时将产 生共振，此时耦合最强。 ( 3 ) 电源线、传输线的耦合 若有电源线、电话线或信号传输线、地线从屏蔽壳体连接至电子系统内部， 则接收、感应的电流将沿线传播进入屏蔽体。一般传播的是微波脉冲电流，即 使电流不是从传输电缆芯线的引头引进，而是在外屏蔽层上感应，通过转移阻 哈尔滨理 大学t 学硕士学位论文 抗也会耦合至芯线，直接进入电子系统。对于微波，屏蔽电缆的转移阻抗也比 射频大得多( 6 0 d b ) ，因此微波可以通过电缆的编织屏蔽层进入芯线。电源线 一般是公共的，暴露在屏蔽室外面的长线，最易受到高功率微波武器的攻击， 既可接收干扰也可传送干扰。 ( 4 ) 通过金属壳体的穿透 电磁波对系统壳体的穿透是通过趋肤效应( s k i ne f f e c t ) 实现的，电磁波在 材料中的趋肤深度为 j ：! 4 n f 盯 式中厂为电磁波的频率，和盯分别为系统壳体材料的磁导率和电导率。 对于2 g h z 的微波信号，它在铜( 盯= 5 5 1 0 7 s m ) 和铝( 盯= 3 2 1 07 s 所) 中的趋肤深度分别为1 5 2 9 i n 和2 8 2 9 i n 。而对于更高频率的微波信号，趋肤厚 深度的值更小。因为系统壳体的厚度远大于趋肤深度，所以，商功率微波信号 穿透金属壳体的能力非常弱。 因此，电磁波进入系统的途径主要有前三条，天线及电源线、传输线祸合 后产生的是感应电流，它通过线路或微波器件进入系统，即主要沿线路分布； 而孔缝耦合产生的场分布在整个系统内部。沿线路分布的电流信号是比较容易 防护的( 例如，通过滤波等措施) ，但分布在整个系统内的场对系统的威胁很大。 而在电子设备( 系统) 的外表面，常常因为工程的需要开一些孔洞，如为了通风、 散热和走线等。严格地说任何电子系统上的孔缝都是不可避免的。因此，我们 认为孔缝的耦合是电磁波进入系统的主要途径之一，所以孔祸合的电磁分析对 电磁兼容及电磁干扰研究具有重要的意义。 1 2 电磁脉冲孔耦合研究现状 1 2 1 电磁脉冲孔耦合研究方法 在早期，对于电磁脉冲孔耦合的研究重点主要是无限大导体平面上开有孔 缝的问题，其有价值的研究始于b e m e 的工作。b e m e 在1 9 4 4 年提出了小孔理 论9 1 ，1 9 7 5 年钱景仁提出了等效激发场的方法“”：1 9 7 6 年h a r r i n g o n 和m a u t z 提出了等效电磁流理论和解决孔耦合问题的一般方法矩量法“；1 9 7 8 年 h a m e n d e z 提出了用并矢格林函数法求解腔的辐射问题“”；1 9 8 2 年t o l l i n 提 出了辐射反作用场假设；1 9 8 3 年梁昌洪结合h a r r i n g t o n 和m a u 亿提出的等效 电磁流理论和b e t h e 的孔耦合理论提出了小孔耦合的广义等效网络法”；1 9 8 9 。 一一。：篁兰：三查：三：竺圭兰竺竺兰 年s e n i o r 和v o l a k i s 在孔缝的几何形状比较简单的条件下，根据巴俾涅原理导出 了孔缝等效磁流的积分公式“；1 9 9 4 年k r a f t 提出基于传输线模型计算有孔腔 体的屏蔽效能“”；2 0 0 2 年l e o n g 等人提出利用一种近似的模拟仿真方法模 匹配法( m o d em a t c h i n gm e t h o d ) 计算矩形金属腔体上任意形状的孔耦合的屏蔽 效应“：2 0 0 5 年p h u m i n 等人应用电磁拓扑方法模拟仿真了外部源通过孔耦合 对一个数字通讯系统内电缆的影响o ”。 电磁脉冲孔耦合的数值研究方法主要有两大类，一类是以电磁场问题的积 分方程为基础的数值方法，如矩量法；另一类是以电磁场问题的微分方程为基 础的数值方法，如有限差分法系列。基于变分原理的有限元法可以归为微分方 程法，也可以用矩量法的语言来描述。近些年来许多学者用这两类数值方法对 电磁脉冲孔耦合进行了研究。1 9 9 8 年m a n a r a 等人应用矩量法研究了在忽略孔 的厚度的情况下，无限大导体平面上不同形状孔的电磁耦合问题“；2 0 0 0 年l a i l 等人利用矩量法分析计算了当有细线穿过孔缝时，无限大平面窄缝的电磁祸合 问题“”；2 0 0 3 年e n gs w c es i a h 等人利用矩量法分析计算了当孔的形状和尺寸 不同时，复杂金属屏蔽箱内的电磁耦合及屏蔽效能，并提出两种减轻腔体内部 孔耦合从而提高屏蔽效能的方法”。2 0 0 0 年，n u c b e l 等人利用时域有限差分法 ( f d t d ) 建模，分析计算了矩形腔体的孔耦合问题，并用实验验证了其算法的正 确性。”。i b c l o k o u r 采用f d t d 法研究了开孔屏蔽腔在平面波照射下的屏蔽效应 3 ，得出了屏蔽效应随频率、入射角度、极化角度的变化规律，所得到的结果 对于屏蔽腔的设计有一定的参考意义。m i n l i 等人应用f d t d 法研究了屏蔽腔 的辐射问题。他们着重研究了腔壁上排列孔阵的情况，得出了当孔的数目、 孔之间的间距、孔的大小变化时不同的屏蔽效应的曲线，并和测量结果进行了 对比。 数值解法虽然可以计算一些较复杂的情况，但它也存在计算量大、计算时 问长的缺点。在研究孔耦合的屏蔽效应的变化舰律时，每改变一个参数，如入 射波频率、屏蔽腔的长度等，都需要重新计算一次，这样会消耗很长的计算时 间。针对这种情况。m p r o b i n s o n 等人提出了一个适用于屏蔽腔的等效电路模 型伽。它给出了一个相对简单的公式，并且包括了基本上所有的设计参数，如屏 蔽腔的大小、壁厚、频率等，可方便地得到屏蔽效应随各参数的变化曲线。但 此模型没有考虑腔中的会有高次模存在的情况，因此i b c l o k o u r 等人在此电路 模型的基础上进行了一定的扩展，考虑了高次模存在的情况，使此模型可用于 更高频率的情况】。另外，在原电路模型中，没有反映出入射场的参数变化对 屏蔽效应的影响，因此，r a z a r o 等人对此模型做了进一步的修正”“，他们利 用等效电路法先求出孔面处的电压分布，然后求出孔面的电场分布，进而求出 腔内的电场分布，此方法的优点是考虑了入射波的参量。 1 2 2 不同实验条件下电磁脉冲孔耦合的研究 关于不同波长的电磁波孔耦合的研究。对于电小孔情况，即孔的线度远远 小于电磁波波长时的情况，有价值的研究始于b e t h e 的工作。b e t h e 提出小孔理论， 把无限大导体平面上电小尺寸的孔缝看成等效的电偶极子和磁偶极子，给出了 圆孔的等效电磁参数。在此基础上，c o h n 等人通过测量的方法给出了其它形状 的孔的电磁参数啪1 。后来，e d e m e n l e n a e r e 等人又给出了计算任意形状的孔 的电磁参数的数值方法肼1 。对于电大孔情况，即f l 的线度远远大于电磁波波 长时的情形，s t r a t t o n 等用标量衍射理论给出了其近似计算方法，并将之用于分 析和研究光学现象。后来，b e k e f i 等学者在更广的范围内对该问题进行了研究， 给出了不同的计算方法”。对于孔的线度与电磁波的波长可以比拟时的情况， h a r r i n g t o n 和m a u t z 提出了特征模理论“1 。在此，e i h 确利用特征模理论研究了 多个矩形孔的电磁耦合问题n ”。 关于不同入射波形的电磁波孔耦合的研究。虞国寅等人对于理想导体构成 的屏蔽腔体，用f d t d 法模拟计算了核电磁脉冲、矩形脉冲、正弦脉冲和模拟雷 电脉冲( 三角形脉冲) 通过小孔的耦合，结果均表明在屏蔽体内窗口附近场强 最大，且持续时间较长，故强电磁脉冲对屏蔽体内的影响主要局限于窗口附近。 刘顺坤等人利用有限差分方法，研究了核电磁脉冲( n e m p ) 、快上升前沿电磁 脉冲( f v , e m v ) 、超宽带电磁脉冲( u w l 3 ) 对目标腔体的孔缝耦合效应m 。研究 表明，f r e m p 的波头可以较容易地耦合进入腔体内，而其波尾则被截止，f r e m p 较容易与目标体发生孔腔共振；对于较小的目标腔体及孔缝，n e m p 祸合进入 腔体的场值很小，且无法与目标体发生有效的孔腔共振；u w l 3 可以很容易地耦合 进入腔体内，并与目标体发生孔腔共振，其共振信号主要由腔体本征频率的主 模式构成。f r e m p ，n e m p ，u w b 耦合进入腔体的主脉冲在腔体内衰减得很快， 基本上只存在于孔缝周围，而孔腔共振信号却广泛存在于腔体内，且其幅度并 不随小孔距离而变化，只是由于小孔的辐射作用，共振信号将逐渐衰减。 关于电磁脉冲对不同孔缝耦合的研究。周金山等人利用实验方法研究了椭 圆、圆环、方环、十字交叉形、圆形、正方形、正三角形及双矩形孔缝在2 1 8 g h z 频率范围内的祸合系数，并与矩形孔缝的耦合特性进行了比较。结果表明：各种 不同形状孔缝微波耦合的共振特性与其纵横比有关，纵横比较大的孔缝祸合共 振现象比较明显，纵横比较小的孔缝耦合特性趋于高通：各种孔缝的共振频率与 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 孔缝长度有密切关系呻】。付继伟等人利用f d t d 法研究了电磁脉冲对不同孔洞的 耦合规律n ”。分别分析了电磁脉冲对正方形和长方形的耦合效应，讨论了不同 极化方向的电磁脉冲对孔洞的耦合能量的规律。研究表明：电磁脉冲对正方形 孔洞的祸合能量较小：而对长方形当脉冲极化方向与长方形短边平行时，耦合 能量最大：在孔洞面积相同的条件下，对多孔洞的能量耦合要比单孔洞小。陈修 桥等人应用f d t d 法模拟计算了电磁脉冲对窄缝和窄缝腔体的线性耦合过程“。 通过定义能量耦合传输系数，分析了耦合能量随窄缝宽度和厚度及时间的变化 关系，得出在正弦波调制的高斯脉冲源激励下，窄缝和窄缝腔体的耦合共振特 性。研究表明，当窄缝宽度较小( 小于0 2 五) 时，正弦波调制高斯脉冲耦合透过 窄缝的能量归一化值，随缝的厚度变化呈有规律的共振，其共振点的位置在窄缝 厚度为载波半波长的整数倍再小一点：随着缝宽度的减小，窄缝耦合振荡加剧， 在共振点处传输系数的峰值将增大，不过其耦合共振宽度将减小。当正弦波调 制高斯脉冲激励窄缝腔体时，腔体中能量有一个先增大后减小的过程。王建国 等人通过数值模拟研究了高功率微波脉冲与有限厚度孔洞的耦合过程“”。研究 表明，电磁波经腔体壁反射后通过孔洞向外传输的场较入射场弱得多，且随时 间的推移逐渐变弱，腔体内电磁场趋于谐振态。如果谐振频率接近于系统壳体 内电子线路的本征频率，那么这种谐振对电子线路非常有害，所以应设法防止 电磁谐振态的产生。针对这种情况，可在系统内壁涂上一层微波吸收材料，或 将系统的内壁面做成微波的漫反射面。耦合进腔体的最大能量出现极大值的条 件为d = n 兄；出现极小值的条件为d = + o 5 ) 2 ，其中曲孔洞厚度，力为整 数，a 为波长。随n 的增加，峰值降低。这种现象可以称为厚度共振现象。由此 可以看出，孔洞的厚度对电磁脉冲的耦合起着非常重要的作用。孟莘等人运用 f d t d 方法研究了瞬态电磁场对开有多个孔洞的长方体的耦合规律m 】，分别分析 了不同极化方向、不同入射方向及不同带宽的瞬态电磁场的耦合效应。研究表 明，入射波极化方向与孔洞的短边平行时耦合入腔体的能量最多；相同振幅、 不同带宽和不同上升前沿入射波，以窄带、快上升前沿的电磁脉冲耦合入腔体 的能量为多：对单孔洞，电磁场峰值沿孔洞中央的轴线是逐渐衰减的。多孔洞与 单孔洞相比，耦合进腔体内的能量相对要小，多孔洞腔体内场衰减很快。 关于电磁咏冲孔缝耦合中共振或谐振现象的研究。王建国等人用实验方法 和数值模拟方法研究了微波脉冲与腔体上孔缝的线性耦合过程，得出了微波脉 冲与孔缝祸合的共振效应和增强效应等规律”1 。研究表明，在不同载波频率的 脉冲激励下，缝隙中心电场最强时为共振。微波祸合中共振现象发生在载波频 率等于孔缝的特征频率处，缝隙中的耦合电场峰值比入射微波脉冲的电场峰值 量 啥尔滨理丁大学工学硕士学位论文 大，这叫增强效应。在载波频率等于孔缝的特征频率时，缝隙中的祸合电场峰 值约增加到入射微波脉冲的电场峰值的8 倍。在入射波载频和入射场偏振方向相 同的情况下，增强效应大小与入射微波的时间宽度也有关，增强效应只发生在 局部( 主要在孔缝附近) 。刘顺坤等人利用f d t d 法研究了快上升前沿电磁脉冲 ( f 砌：m p ) 对且标腔体的孔腔共振效应1 。研究表明，f r e m p 的波头可以较容易 地通过孔缝耦合进入腔体内，并与腔体发生孔腔共振。f r e m p 祸合进入腔体的 主脉冲在腔体内衰减得很快，基本上只存在于孔缝周围。而共振信号在腔体内几 乎不随观测点的位置变化，在腔体内基本没有衰减，只是由于孔缝的辐射作用， 幅度随时间有所下降：f r e m p 与目标体发生孔腔共振，共振信号基本上是腔体 本征频率的高次模式，而低于本征频率的模式不能在腔体内存在：改变腔体的部 分边界条件对共振现象有较大的影响，而对耦合进入腔体的主脉冲影响不大。高 成等人采用时域有限差分( f d t d ) 法计算研究了屏蔽室上不同尺寸的孔缝对屏 蔽室屏蔽效能的影响m 1 。大量的数值分析结果表明，核电磁脉冲能量祸合到屏 蔽腔体内发生了谐振，屏蔽腔体的屏蔽效能在谐振区大大下降；电磁脉冲上升 沿越陡，脉宽越窄，越容易耦合进屏蔽腔体；孔缝尺寸变化时，耦合谐振的谐 振频点发生较大变化。孔缝的宽边尺寸相同，窄边的尺寸变化时，耦合谐振的 频点基本不变，随着窄边尺寸的增大，耦合能量增大；孔缝的窄边尺寸相同， 宽边的尺寸变化时，耦合谐振的频点发生较大变化。 1 3 本文的主要工作及意义 本文所做的主要工作有： 一、首先建立了电磁波孔耦合的理论模型，并从麦克斯韦方程组出发，利 用解析方法分析求得正弦电磁波入射孔耦合的数学表达式，并对其进行了模拟 仿真，得到了当距离、小孔面积、入射角度及入射场频率不同时，正弦电磁波 通过d q l 祸合后，空间中一点的电场强度随时间变化的仿真曲线。 二、利用傅立叶级数展开法，用正弦电磁波对电磁脉冲进行分解与复合， 从而分析了电磁脉冲孔耦合问题，并对其进行了模拟仿真，得到了当距离、小 孔面积、入射角度不同时，电磁脉冲通过小孔耦合后，空间中一点的电场强度 随时间变化的关系曲线。 三、本文在理论分析的基础上，对电磁脉冲孔耦合问题进行了实验研究， 建立了电磁脉冲模拟器实验系统，并对其进行了电路分析。为了测量模拟器的 输出电压，本文设计了脉冲分压器测量系统，并得到实测电压波形。 四、本文还利用自行研制的电磁脉冲模拟器实验系统，进行了电磁脉冲孔 ， 哈尔滨理工大学- 学硕士学位论文 祸合效应实验，得到了当距离、小孔面积、入射角度不同时，电子元件在电磁 脉冲孔耦合作用下的感应电压及其频谱实验曲线，其变化趋势与理论上的模拟 仿真结果基本一致。 从上述的国内外研究概况来看，关于电磁脉冲对目标腔体的孔缝耦合效应 的研究，国内外已经做了大量的工作，但他们大多采用数值解法，而本文利用 解析方法分析电磁脉冲孔祸合，克服了电磁场数值解法计算量大、计算时间长 的缺点，是对目前电磁波孔耦合问题研究的补充。而且，在理论上只要得到讵 弦电磁波孔耦合的数学表达式，利用傅立叶级数展开法，即可对不同形式的入 射波进行分解和复合，从而分析任何形式电磁波的孔耦合问题。因此，本方法 为电磁波孔耦合的研究奠定了一定的理论基础。 8 ， 哈尔埃理工大学工学硕士学位论文 第2 章正弦均匀平面电磁波的孑l 耦合分析 时变电磁场中电场与磁场紧密联系，相互依存，相互转化，以电磁波动的形式 在空间传播。正弦均匀平面波在理想介质中的传播示意图如图2 - 1 所示。所谓 平面波是指波阵面( 等相位面) 为无限大平面的波。如果在等相位面上场强的振 幅也相等，则称为均匀平面波，它是电磁波的最简单最基本的模式，许多复杂 波部可看作为若干个均匀平面波的叠加，因此研究均匀平面波通过孔的祸合具 有重要的意义。 图2 - 1 正弦均匀平面波在理想介质中的传播 f i g 2 - 1t r a n s m i s s i o no f s i n ep l a n ew a v ei np e r f e c tm e d i a 2 1 子l 耦合理论模型 孔耦合理论模型如图2 2 所示。 面 图2 - 2 孔耦合理论模型 f i g 2 - 2t h e o r e t i c a lm o d e lo f c o u p l i n gt h r o u g ha p e r t u r e s 设无限大导体平面将空间分为a 、b 两个区域，导体平面上有孔s a ，在a 区域内有电流源了。和磁流源了。由源( z ，了。) 产生的场通过孔s a 耦合到b 区域 一 内， 2 2 的场的分布。 2 2 1 电磁波的辐射场分析 电磁波由波源产生，而后在媒质中传播或在导行系统中传输。电磁波产生 后，即使波源不复存在，已产生的电磁波仍可继续传播。电磁波由波源产生进 而脱离波源传播的现象称为电磁波的辐射。 电磁波的辐射研究的是局限于空间局部区域内的源在远离源的空间区域所 产生的场的问题。本节的研究内容是利用电磁辐射的理论分析电磁波在a 区域 内的辐射场，由此得出小孔上的场的分布。 此问题可用两种方法求解： 1 利用自由空间三维标量波动方程的g r e e n 函数g ( r ，r 7 ) 由非齐次波动方程 解出l o r e n t z 势，然后再通过势函数求出电场和磁场； 2 利用并矢g r e e n 函数直接求得电磁场的矢量表达式。 2 2 1 1 势函数 在分析电磁场问题中，为了计算与分析方便，可引入势函数作为辅助量来 帮助求解，它不仅是空间坐标的函数，而且是时间的函数，因此称之为动态势。 1 时谐电磁场中的电型l o r c n t z 势与磁型l o r e n t z 势 由电源产生的l o r c n t z 势如下： 在m a x w e l l 方程中，由于v b = 0 ，引入矢量磁势a ： b = v x a ( 2 1 ) 上式代入法拉第电磁感应定律得 v x e + j c o v a = 0 即 v ( 面+ 廊) = o 引入标量电势谚，令其梯度 v p 五) = - j c v j 一刃2 庐= p 利用矢量公式v x v x j = v ( v 才) 一v 2 j 可将上式改写为 v 2 j + 七2 j = v ( v j ) + _ ，n 卿一了 引入l o r e n t z 规范条件 v 彳+ _ ，掣彩2 0 ( 2 3 ) 当矢量磁势j 与标量电势满足l o r e n t z 条件时，它们与波源_ 、p 的关系有较 简单的形式： v 2 j + _ i 2 j = 一了( 2 4 ) v 2 庐+ k 2 # ：一旦( 2 5 ) f 上两式即为j 和矿所满足的达郎贝尔方程 利用l o r e n t z 规范条件式( 2 3 ) 在式( 2 2 ) 中消去后，罾可以仅用j 表示为 = - j j + ! ! ! ：尘( 2 - 2 a ) j 雌 j 和矽统称为电型l o r e n t z 势。 磁型源情况下可以用类似的方法引入势函数。如果用j 。和丸表示磁型源的 矢量磁势和标量电势，则 历= 一v j 。 ( 2 6 ) 当两类源同时存在时电磁场则可用两类l o r e n t z 势表示为 罾：一三v j 。一国j + 攀( 2 - 1 1 ) 面：上v 。j 一_ ，缈j 。+ 掣( 2 - t 2 ) 2 无界空间中任意局域分布源的势 如果所有的源均分布于空间中的有限区域，这样的源分布称为局域分布。 引用标量g r e e n 函数 j。、 e - j 脚。n g 【r 一) 2 石f 万 式中g ( r ，) 一处于，的单位点源在无界空间中产生的势 ，一场点坐标 ，一源点坐标 。 局域分布源在无界空间中产生的势可以简单地表示为源分布函数与g r e e n 函数 的积分，则标势所满足的方程( 2 5 ) 的解为 妒( ，) = 三盯陪( r ，驴( r 7 ) d ：岛，w q 。1 3 积分区域v 为包围所有源分布的任意形状区域。丸所满足的方程( 2 l o ) 的解可类 似地写出。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 丸( r ) = 土f f p ( ，概( r ) d 矿7 ：三让幂并沙， 2 。4 矢势j 和j 。所满足的矢量h e l m h o l t z 方程( 2 2 ) 和( 2 9 ) 在直角坐标系中可分解为 与式( 2 5 ) 形状相同的标量方程式，因此可同样地用g ( r ，) 的积分构成解，于是 有 4 ( r ) = i | i g ( ，) ，( ，) d r ：嘶昌了m ， 2 。5 j ，( ，) = 占i i i g ( r , r ) j 。( ，) d 矿 ：占瞎鲁以w 伫j 6 2 2 1 2 利用并矢q r e e n 函数求辐射场 电磁辐射的基本问题是局限于空间局部区域内的源在远离源的空间区域所 产生的场的问题，这个问题原则上可以先利用自由空间三维标量波动方程的 g r e e n 函数g ( r ，) 由非齐次波动方程解出l o r e n t z 势，然后再通过势函数求出电 磁场。但是在许多实际问题中常常希望直接得到电磁场的矢量表达式，为了直 接给出电磁场的矢量表达式需要用到矢量波动方程的矢量点源的影响函数，这 种函数称为并矢g r e e n 函数( d y a d i cg r e e n sf u n c t i o n s ) 。 1 自由空间并矢g r e e n 函数 自由空间并矢g r e e n 函数g o ( ，) 满足如下方程： v x v 舀o ( ，r ) 一碍西( ，) = 讼( ，一，) ( 2 1 7 ) fj c r r ，= 兰，( p r ：r ，t j le 6 ( r ) d r = i ：互兰兰三查：三：竺鎏三 = r g o ( r ，r ) = f1 + l 广 ii + i 式中，瑶= 面岛。 2 局域分布源的辐射 由m a x w e l l 方程可导出电磁场矢量所满足的波动方程式 v x v x 罾( r ) 一瑶五( ，) = 一j w t c r ) v v 霄( ，) 一露面( ，) = v 了( ，) 其中碍= 磊d o s o 电场的矢量波动方程( 2 一1 9 ) 的无界区域解容易利用萄( ，r ) 得出， 式右方的电流密度表示成 了( ，) = 护( ，矽( ，一，) d r = 胪( r - r ) 一i 了( ，沙 然后将方程式( 2 一1 7 ) 代入上式，与式( 2 1 9 ) 比较后即可得出 ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 为此将此 罾( ，) = 一砌j 驴。( ，r ) ) d r 7 叫d + 扣孵篙w 弘2 。 下面我们利用式( 2 2 1 ) 来求出分布于空间有限区域内的电型源的辐射场。 当辐射源局限于小区域内而观察点远离源区时，由坐标原点引向观察点的 矢径；和由源点，引向观察点的矢住z ，- - 一尹几乎是平行的，如图2 - 3 ，在； 尹的 条件下有 图2 3 局域分布源的辐射示意图 f i g 2 - 3r a d i a t i o no f l o c a la r e as o u r c e ：m ， - 驴 l r k v v v v 一碍碍 哈尔滨理 大学丁学矽士学位论文 i ；一7 ；t m r 一，二， ( 2 - 2 2 ) 将式( 2 2 2 ) 代入式( 2 2 1 ) 的积分，在岛， i 的条件下这个积分简化为 j 蒜暑( ，肌等舻讹 ( 2 - z ，) 得到这个近似式时对于指数项中的l r 一，i 保留了式( 2 2 2 ) 的第二项，但对于分母 中的i ，一r i 则略去了第二项。在球坐标系下定义式( 2 2 3 ) 右方的矢量积分为 丙( 目，驴) = 妒彬d v ( 2 - 2 4 ) 丙( 曰，) 称为辐射积分。满足条件， ，k o r l 的空间区域称为远区，局域源 在远区中产生的电场可用辐射积分表示为 - & r ) = - j c o u o d + 扣等酏扔 ( 2 ：，) 在k o r 1 的条件下式( 2 2 5 ) q h 求散度时可以只保留最大的项，即1 r 项，利用辐 射积分求远区电场的运算可简化为 v 等砌加等 - j g t , ，砸删 在远区场中也司仅保留l r 项，利用辐射积分求远区电场的廷算短程就很耐翠， 结果为 7 嘲若1 喝们加 ) = 一i r e 4 专一【珊一( p ，庐) 呐肌( 口，) 】 远区中的磁场则可通过m a x w e l l 方程式由式( 2 - 2 6 ) 求出： 肌加去- j 一风杀m “珊m + 4 q 斗石， ，1 m 一一时一1 一一 = 一盹焉( 口肌一珊肌) 2 玄口r 地 式中z o 一自由空间的波阻抗，为电磁场振幅之比 z 0 2 摇引2 沏- 3 7 7 q 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 式( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 ) 表明互，耳和矢径；是彼此正交的，而p o y n t i n g 矢量方向与；方 向一致，由于吾和万