您当前的位置:首页>>新闻中心>>相关知识

    有界波模拟器远场辐射特性仿真研究

    发布时间:2018-09-25 06:02:52    浏览:2140次

           平行板横电磁波室 (Parallel Plates TEM Cell,PPTC)是 20世纪 60年代出现的一种用于模拟复杂电磁脉冲环境的实验装置

           [ 1 ] 它采用与传输线类似的结构 ,其内部传播的基本上是 TEM波。在波的传播过程中 ,模拟器结构形成了导波的边界 ,故又称之为有界波模拟器

           [ 2 ] 由于国际上核电磁脉冲波形新标准的发布 ,核电磁脉冲上升时间由原来的 10 ns缩短到 2 ~3ns

           [ 3 ] 核电磁脉冲上限频率显著提高 ,因此运用有界波模拟器模拟核电磁脉冲 ,电磁波向外辐射更加严重。笔者从已知的大型有界波模拟器的结构出发 ,采用电磁仿真计算软件 FEKO (它是一种基于矩量法及高频分析方法 ,为各种高频电磁场应用而开发的全波电磁场分析软件 )对有界波模拟器远场辐射特性进行了仿真分析 , 所得到的结论对开展电磁防护以及快上升沿电磁脉冲场模拟器的设计具有一定的参考意义。

    1 有界波模拟器仿真模型

          文中分析的有界波模拟器结构尺寸如图 1所示。有界波模拟器的全长 L = 39165 m, 最大高度Hmax = 6 m,按图 1所示的结构尺寸在电磁仿真计算软件 CADFEKO中建模 :上传输线采用不锈钢细线 ,11根均匀分布 ,边缘的 2根用 PVC等绝缘材料包裹;下传输线采用厚度为 3 mm的紫铜板;在源端用不锈钢细线将上下两部分连接 ,将激励源加在细线的中间结点上;终端并联 4根 720Ω的电阻作为匹配负载

     

    [ 4 ] 2 远场辐射特性分析

            对有界波模拟器进行远场辐射特性仿真分析的

    意义在于 :模拟器的周围有电磁波向外辐射 ,了解其远场辐射特性可以更好地进行防范 ,尽可能减少电磁泄漏 ,防止对周围的人体造成伤害。国外有些模拟器就是在其周围的不同方位 ,设置几块吸波材料来防止其向外辐射

    [ 5 ] 211 三维辐射方向图

           在有界波模拟器的源端加幅值为 300 kV、频率为 60 MHz的正弦波激励源 ,利用电磁仿真计算软件 FEKO 计算出有界波模拟器的远场方向图 ( rμλ) ,如图 2、3所示。


     

            图 2为有界波模拟器加 60 MHz正弦波激励源 ,在不考虑地面影响时的远场辐射方向图。图中的灰度代表方向系数的大小 ,这样大体上可以看出它的辐射方向图是沿着 y = 0这一平面左右对称的 ,在有界波模拟器的上方 ( z方向 ) ,有很小的电磁能量向外辐射。从标尺上的灰度可知 :模拟器 x = 0的负方向方向系数很小 ,三维方向图的主瓣是偏离 x轴一定立体角的半个锥状结构 ,辐射最强的方向出现在终端负载下方的左右两侧。图 3为考虑地面影响时的远场辐射方向图。在进行数值计算时 ,笔者将 oxy平面下方设置为大地(εr = 10,μr = 1,σ = 110 ×10- 3) ,可以看出 ,由于大地的反射及镜像作用的影响 ,地平面上方的辐射方向图已经有了一定的变化 ,辐射最强的方向出现在地平面上方 x轴的左右两侧 ,模拟器前过渡段的上方同时也出现了副瓣 ,从电磁防护的角度来说 ,模拟器上、下两侧都不需要考虑防护。向上的方向虽然存在副瓣 ,但不会对地面的人员造成伤害 ,故应将有界波模拟器的左右两侧作为主要防护方向。

    212 频率特性分析

           不同频率的正弦波激励源激励下的辐射方向图是不相同的 ,笔者分别仿真计算了张角 θ= 60°和方位角 φ = 0°两个平面在不同频率正弦波激励源激励下的辐射方向图 ,以此来分析频率对远场辐射特性的影响。首先 ,笔者分析 θ= 60°截面的辐射方向图 ,如图 4所示。对有界波模拟器所加的正弦波源的频率范围为1~200 MHz,为了能够更清楚地看出不同频率的差异 ,用 1~80 MHz和 100~200 MHz显示不同频率激励下的辐射方向图。从图 4中可以清楚地看到有界波模拟器左右两侧的主瓣是完全对称的 ,并且频率越高辐射方向性越强。观察模拟器左侧的主瓣 :频率从 1 MHz变化到 200 MHz,主向的方位角 φ从180°变化到 10°, 其中频率从 60 MHz变化到 200MHz,主向的方位角 φ变化范围很小 ,只从 20°变化到 10°,而当频率超过 100 MHz时 ,φ就在 10°左右。模拟器右侧主瓣的变化规律与左侧相同 ,这里不再重述。因此 ,在对有界波模拟器进行防护时 ,应根据所加激励源的频率范围 ,按照辐射方向图所示 ,合理设置吸波材料进行防护。若吸波材料是固定位置的 ,则应该将方位角 φ = 10~20°和 φ = 340~350°,这一范围作为主要防护方向。下面再来分析 φ = 0°截面的辐射方向图 ,如图 5所示。从图 5中可以看出 :上、下两侧的辐射方向图是不对称的。当 f < 100 MHz时 ,向下的辐射比向上的辐射强;当 f > 100 MHz时 , 由于频率的升高 , 上传输线开始向外辐射 , 上下两侧波瓣辐射的强弱就不那么明显了。随着频率升高向下波瓣的张角 θ从180°变化到 105°, 向上波瓣的张角 θ从 0°变化到75°, 当 f > 100 MHz时上张角 θ趋于 105°, 下张角趋于 75°。

     

     

    3 结论

          笔者对有界波模拟器远场辐射特性进行仿真分析 , 发现了有界波模拟器左右两侧的波瓣是对称的 , 三维辐射方向图的主瓣出现在地平面上方的 x轴左右两侧 , 模拟器前过渡段的上方同时也出现了副瓣。在对频率特性分析时发现 : 频率越高辐射方向性越强 , 并且越靠近坐标轴。当频率升高到一定程度时 , θ= 60°平面左侧波瓣的方位角 φ = 10°,右侧波瓣的方位角 φ = 350°; y = 0平面的向下波瓣的张角 θ= 105°, 向上波瓣的张角 θ= 75°。因此 ,有界波模拟器的左右两侧 φ = 10~20°和 φ = 340~350°应作为主要防护方向。