一种同轴线馈电的电磁脉冲模拟器的时域辐射快速模拟方法与流程

本发明涉及一种电磁脉冲辐射波模拟器时域场计算的数值模拟方法。

背景技术

由于能够提供电磁脉冲(emp)辐射环境，同轴馈电的大型垂直极化辐射波模拟器(baumce发表在报告《sensorandsimulation》1982年note277，“reviewofhybridandequivalent-electric-dipoleempsimulators”)在国外已广泛应用于大型复杂电子系统的电磁兼容、电磁干扰和电磁损伤等效应实验中(singaraju等发表在报告《athamasmemos》1976年memo12，“useofathamasii(largervpd)fortestingaircraftinflight”)。因此有必要对大型垂直极化辐射波模拟器进行模拟分析。

已有文献(朱湘琴等人发表在《计算物理》期刊2018年网络版第2页，“离散电阻加载的大型垂直极化emp辐射波模拟器的并行fdtd模拟”，网址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2011.o4.20180503.1308.008.html)提到，使用同轴馈电的三维并行时域有限差分(fdtd)方法来分析这种类型的大型模拟器的时域辐射场，模拟时假设地面铺设的金属网为无限大，因此直接使用单轴完全匹配层(upml)吸收边界来截断地面上的金属网。但实际工程实施时，地面铺设的金属网为有限大小，因此工程实施前的模拟设计时，使用并行fdtd计算时upml吸收边界截断的是金属网周围的大地。与地面铺设为无限大金属网的情形相比，会引起计算区域的增大，从而增加计算量和计算时间。

考虑到模拟器下方铺设有限区域的金属网时，整个模型的结构具有对称性，而且切向电场与对称面平行，因此，为了节约计算时间和计算空间，可以将该对称面设置为理想磁导体(pmc)表面来进行模拟。已有文献(朱湘琴等人发表在2015年第十届全国高功率微波学术研讨会文章编号hpm-2015-d17，“pmc镜像法在垂直极化平行板有界波模拟器fdtd计算中的应用”)提到，将基于镜像原理的pmc镜像法用于垂直极化平行板有界波模拟器的fdtd模拟中；也有文献(陆峰等人发表在《强激光与粒子束》期刊2003年第15卷第3期第259页，“电磁脉冲辐射器近区场数值模拟”)提到，将基于镜像原理的pmc镜像法用于便携式核电磁脉冲模拟器场的模拟。

但上述文献中模拟器使用的激励源均为平面源馈电，因此并没有涉及到同轴馈电时的pmc镜像法的处理，目前尚未见一种快速模拟同轴馈电的垂直极化模拟器辐射场的方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决在地面上铺设有限区域金属网的大型垂直极化辐射波模拟器三维fdtd模拟时计算区域过大、计算时间过长的问题，提出一种同轴线馈电的电磁脉冲模拟器的时域辐射模拟方法。

本发明的解决方案主要包括以下步骤：

1)选择整个模型的对称面为pmc面，并根据该对称面，只建立这个整体模型的一半模型；

2)空间电场、磁场的迭代运算

a、设置pmc面与upml层相交处的介质为理想磁导体，进行此区域的电场和磁场迭代；

b、空间其他区域的电场迭代

在非upml处，pmc面上的切向电场迭代时，若使用到所建立的一半模型以外的空间的磁场，就用与pmc面对称的计算空间的磁场的负值替代；在非upml处，所建立的一半模型以外空间的法向电场直接赋值为0；

c、空间其他区域的磁场迭代

同轴线激励源处的磁场迭代时，若使用到所建立的一半模型以外的空间的电场，就用与pmc面对称的计算空间的电场替代；在非激励源处且非upml处，所建立的一半模型以外空间的切向磁场直接赋值为0；

3)空间电场迭代和空间磁场迭代结束，即得到测试点的时域辐射模拟结果。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明基于有限区域金属网铺地的、同轴馈电的大型垂直极化辐射波模拟器辐射空间场的对称性，只需要建立该对称模型其中的一半，就能完成该大型模拟器辐射场的数值模拟，突破了现有三维模拟算法计算空间过大、计算时间过长的局限性。

(2)本发明能够用于无限大金属网铺地的情形，也可以用于结构对称和切向电场对称的同轴馈电的其它类型的模拟器(如emp辐射波模拟器双锥笼型天线等)辐射场的时域辐射模拟，为快速模拟分析模拟器的辐射场、为实际工程实施前的数值模拟设计提供有效技术手段。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图。

图2是本发明实例中模拟器下方的地面上金属网的铺设区域，由半径为rd的半圆弧、半径为rw的圆弧及两条平行线构成。此外，图中，r为模拟器顶端投影到地面的半径，测点b为地面上一个测点的位置。

图3和图4分别为本发明实施例中整体模拟和使用同轴线馈电的pmc镜像数模拟方法得到的测试点b和b′位置垂直地面的电场分量的结果对比。

具体实施方式

为了对同轴馈电的大型垂直极化辐射波emp模拟器的辐射场进行模拟，本申请对同轴馈电部分的场进行特殊处理，实现同轴馈电的垂直极化模拟器辐射场的快速模拟。下面结合附图，通过实施例对本发明进一步说明。

本实施例中，设置模拟器的高度为32m；图2中金属网铺设时模拟器顶端投影到地面的半径r为20m；构成地面金属网的圆弧的半径rd为30m、rw为40m；选择测点b与原点o相距30m。另外选择测点b′位于测点b正上方5m的位置。计算总时间步为5000步。本发明实施例的技术流程图如图1所示。首先是建立模型并网格剖分，然后是主程序读入模型参数并根据激励源进行电场和磁场的模拟，包括upml吸收边界处场的迭代。最后时间步终止后，将计算得到的结果与整体模拟的结果进行对比，两者符合较好，而且采用本发明的技术能够节约大量的计算空间和计算时间。

具体环节介绍如下：

(1)选择整个模型的对称面为pmc面，并根据该对称面，建立包含大型垂直极化辐射波模拟器、其下方地面铺设的金属网及大地整体模型的一半。

(2)读入模型参数，设置初始时间步为0，根据参与并行计算的进程总数划分并行计算的子域。

(3)根据同轴线内tem波满足的传输线方程离散得到的一维fdtd方程，进行同轴线中电压和电流的迭代。

(4)相邻子域交换磁场数据后，设置所有子域一起完成整个空间电场迭代，包括upml吸收边界处、pmc面及其外侧区域。upml吸收边界处的电场的迭代方式和整体模拟时一样；对于非upml处，pmc面上的切向电场迭代时，若使用到所建立的一半模型以外的空间的磁场，就用与pmc面对称的计算空间的磁场的负值替代；在非upml处，所建立的一半模型以外空间的法向电场直接赋值为0；

(5)相邻子域交换电场数据后，所有子域一起完成整个空间磁场迭代，包括同轴线馈电时激励源的加载、upml吸收边界、pmc面及其外侧区域。对于同轴线激励源处的磁场迭代时，若使用到所建立的一半模型以外的空间的电场，就用与pmc面对称的计算空间的电场替代；pmc面与upml层相交处，upml层磁场迭代时设置此处磁导系数与真空中的磁导系数相同；在非激励源处且非upml处，所建立的一半模型以外空间的切向磁场直接赋值为0；其它区域的磁场和整体模拟时的迭代方式一致。

(6)当计算时间步小于5000总时间步时，重复步骤(3)～(5)，直到计算时间步和总时间步相等时计算终止。最后模拟得到的测试点b和b′位置垂直地面的电场分量随时间的变化分别如图2和图3所示。作为比较，图中还给出了整个模型整体模拟的结果。从图2和图3可以看出，采用本发明模拟所得的测点的时域波形与整体模拟的符合很好。而且根据模拟可知，测点b峰值的相对差0.52％，上升沿的相对差为2.40％，半高宽为相对差为0.68％；测点b′峰值的相对差0.52％，上升沿的相对差为2.61％，半高宽为相对差为0.35％。综上可知，本发明模拟所得到的结果与整体模拟的结果符合很好。此外，与整体模拟相比，本发明的计算区域减小了约47.7％，整个计算时间节约时间约43.4％。

本实施例的这种同轴线馈电的pmc镜像数模拟方法，主要针对同轴馈电的大型垂直极化辐射波电磁脉冲模拟器的时域辐射模拟(包括地面铺设金属网有限大和无限大的情形)。本发明也可针对具有结构对称和切向电场对称的同轴馈电的其它类型模拟器(如emp辐射波模拟器双锥笼型天线等)辐射场的时域辐射模拟。