电磁脉冲对金属板搭接缝隙耦合效应分析

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1、第17卷第10期强激光与粒子束Vol.17,No.102005年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2005文章编号:100124322(2005)10215532043电磁脉冲对金属板搭接缝隙耦合效应分析杨凌霞,葛德彪,魏兵(西安电子科技大学物理系,陕西西安710071)摘要:针对在缝隙耦合研究中,对金属板接合处搭接缝隙电磁特性的讨论相对较少的情况,应用时域有限差分方法模拟了强电磁脉冲对搭接缝隙的耦合穿透过程,计算了缝隙口径面等效面磁流和进入另一空间的透射场。为便于由等效磁流外推

2、透射场,应用等效原理将电磁流在1/4空间的辐射等效为电磁流及其镜像在自由空间的辐射,避免了计算搭接缝隙边界情形下空间格林函数的困难。外推时采用分区外推法节省了计算时间。最后通过分析耦合场的变化曲线,总结了耦合共振规律。关键词:搭接缝隙;FDTD方法;等效原理;耦合;共振效应中图分类号:TN01文献标识码:A强电磁脉冲通过孔缝等“后门”耦合进入系统内部,会产生严重的破坏作用。研究强电磁脉冲对孔缝的耦合效应,对评估高功率微波(HPM)的破坏效能,探索对HPM的防护具有重要的指导意义。通常对金属平板上孔和缝隙的电磁波耦合研究较

3、多,但对金属板接合处搭接缝隙的耦合特性分析较少。[1][2]研究缝隙耦合的方法主要有矩量法(MOM)、模式匹配(MM)与傅里叶变换相结合的方法、有限元法[3][4][5](FEM)和边界积分法(BIM)、Galerkin方法和时域有限差分(FDTD)方法等。其中,模式匹配法只能处理形状规则的缝隙,矩量法和边界积分法处理非均匀填充的缝隙则比较困难,FDTD方法便于处理复杂形状和复杂介质填充的缝隙,是处理缝隙耦合的良好方法。本文应用FDTD方法模拟了强电磁脉冲对搭接缝隙的耦合穿透过程,计算了缝隙口径面等效面磁流和进入另一空间

4、的透射场。为便于由等效磁流外推透射场,采用等效原理将电磁流在1/4空间的辐射等效为电磁流及其镜像在自由空间的辐射,避免了计算搭接缝隙边界情形下空间格林函数的困难。外推时采用分区外推法极大地节省了计算时间。最后通过耦合场的时域波形和频域特性,分析了耦合共振规律。1计算模型和理论基础计算模型如图1所示,半无限大金属板(perfectlyelectricconductingplate,PECplate)A与B搭接,图1(a)为立体图,图1(b)为剖面图。板A,B在z方向高h=1.0m,在y方向厚w=12cm;缝隙沿y方向宽为d

5、=7mm,沿x方向长L=185mm,沿z方向高h=1.0m。入射平面波采用高斯脉冲,入射磁场设为z方向,即22Ei(t)=E0(exsin

6、5TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1554强激光与粒子束第17卷-11式中:E0=1.0V/m;Z0=μ0/ε0≈377Ω;

7、平滑窗函数。网格空间截断边界采用单轴各向异性介质完全匹配层(UPML)吸[7]收边界。2缝隙透射场分析2.1等效原理用FDTD方法计算图2所示空间有限区域电磁场后,应用等效原理,通过缝隙的透射场可由缝隙左口径面处的等效面电、磁流经外推得到。由于入射磁场为z方向,即TEz极化,则设缝隙左口径面处等效面电、磁流为M=-en×E=ezEy(3)J=en×H=eyHz式中:M,J,E和H分别为缝隙左口径面处的磁流、电流、电场和磁场;en为口径面外法向单位矢。此时,将缝隙内设为零场。然后,在零场区填充理想导体。由于理想导体表面处面

8、电流不产生辐射,因而以下将不考虑面电流对辐射的贡献。进一步,可将左口径面以外区域近似为张角90°的金属直角面,如图3(a)所示,等效面[8]电、磁流位于直角顶部。根据镜像原理,电流元与其镜像作用相互抵消,等效面磁流及其镜像分布如图3(b)所示,图中分界面左、右面磁流大小相等、方向相同,二者辐射的电磁场相当于两倍面磁流