1、文档下载 免费文档下载http:/ FDTD 方法的脉冲磁场屏蔽效能研究本文档下载自文档下载网，内容可能不完整，您可以复制以下网址继续阅读或下载：http:/ 基于 FD TD 方法的脉冲磁场屏蔽效能研究 张洪欣, 吕英华, 毛昌辉, 杨志民(1. 北京邮电大学 培训中心 214 信箱, 北京 100876; 2. 北京有色金属研究总院, 北京 100088) 摘 要: 为了解决实际工程中存在的线圈隔离问题 , 利用时域有限差分法对电感线圈的低频脉冲磁场屏蔽 问题进行了建模和分析, 研究了在不同的屏蔽材料下对脉冲磁场的屏蔽效果, 为解决在实际工程中存在的 线圈隔离问题提供了可靠的理论依据。 关
2、键词: 时域有限差分法; 磁场屏蔽; 屏蔽效能; 线圈隔离 文档下载 免费文档下载http:/ TM 15 文献标识码: A 如图 1 所示- 3 。 在线性、各项同性的媒质中, 无源 区的 M axw e ll 方程组为 引 言 E ; H H = A E = - (1) 时 域 有 限 差 分 ( TD : f in ite2d iffe ren ce t im e2 a in ) 法作为一种有效的电磁场数值计算方法, 在电 磁兼容、天线辐射、目标电磁散射、微波和光波分析、生 物医学工程等领域有着日益广泛的应用。 它直接把含 时间变量的 M axw e ll 旋度方程转化为差分方程, 每个
3、 网格点上的电场 ( 或磁场) 分量仅与它相邻的磁场 ( 或 电场) 及该点上的一时间步场值有关。通过选取合适的 初值和计算空间的边界条件, 在每一时间步上计算网 格空间各点场分量, 随着时间步的推进, 也能直接模拟 电磁波的传播及其与其他物体的相互作用过程。 这使 得它能直接给出非常丰富的电磁场问题的时域信息。 如果需要频域信息, 则只需对时域信息进行 Fo u r ie r 变换。FD TD 法不需要任何导出方程, 避免了使用更多 的数学 http:/ 工具, 使得它成为现有的计算电磁学方法中较 为简单的一种。本文利用 FD TD 方法对实际工程中存 在的电感线圈脉冲磁场隔离问题进行了建模
4、和计算, 文档下载 免费文档下载http:/ 同时用 FD TD 方法分 析了利用铜、坡莫合金等金属材料作为屏蔽材料在 脉冲磁场激励时的屏蔽效能, 为该装置延时电路的 有效实施提供了理论依据。 t 5t 采用如图 1 所示的 Yee 氏网格, 将式 (1) 中的空间和 时间一阶微分做中心差分, 可以得到 M axw e ll 方程 组在自由空间无源区的差分格式, 其中电场的 x 方 向分量如式 (2) 所示, 6 : ? t - ?2 1 n | i 1?2, j , k = E x | i 1?2, j , k ? t ?2 n 1?2 n 1?2 1 H z | i 1?2, j 1?2,
5、 k - H z | i 1?2, j - 1?2, k ? t ?2 ?y (2) 式 (2) 中, E , H 分别为电场和磁场强度, ? y , ?z 分别 为 y , z 方向的空间步长, ? t 为时间步长, 为介电常 数, 为导电率。 . 2 PM L 吸收媒质中 M a xwe ll 方程组的 FD TD 格式 为了能够利用有限的计算空间来模拟无限大空 间中电磁波的传播, 必须在边界上采用吸收边界条 立 a xwe ll 方 程 组 FD TD 格 式 的 建 1 . 1 自由空间中 M a xwe ll 方程组的 FD TD 格式 文档下载 免费文档下载http:/ Y ee
6、氏网格 收稿日期: 2003207219 ( ) :/ 1?2 H 1?2| i 1?2, j , k 1?2 y | i 1?2, j , k - 1?2 ?z件, 用以吸收到达边界的电磁波。1994 年 B e renge r 提 出 了 一 种 完 全 匹 配 层 (PM L : p e rfec t ly m a tch ed r) 吸收边界条件, 它建立在一组分裂式的麦 克 斯韦方程的基础上, 反射系数可以达到 - 80 dB 到 - 100 dB 以下28 。1996 年, Gedn ey 提出了建立 在 直 接 形 式 麦 克 斯 韦 方 程 组 基 础 上 的 PM L 方 y
7、 (6) 0 - z ? 1?2 文档下载 免费文档下载http:/ , j , k x | i 1?2, j , k = | 1? 0 z ? 0 x ? (D 1?2 n- 1?2 ) ( ) x | i 1?2, j , k - D x | i 1?2, j , k 7 (20 z ? t) 0 r 同理可以得到电场在 x , y 方向上的差分格式和磁场 在各个方向上的差分格式。由于在 PM L 中不同的区 域上电导率的取法不同, 因此在不同区域应用这些 差分方程时应当根据实际情况简化方程。 在 PM L 媒质中, 介电常数和磁导率数分别为真 空 中的介电常数 http:/ 和介磁常数
8、0。电导率的选取可 以依据经验公式法(U PM L ) , 这种方法提高了计算效率, 并且易于 推广到一般曲线坐标系。本文利用 U PM L 实现了三 维直角坐标系下 M axw e ll 方程组的 FD TD 格式, 其 L 参数的三维设置示意图见图 2, 整个 PM L 空间 () = ax (8) ? 式 (8) 中, 为进入到 PM L 层的深度, ? 为 PM L 吸收 文档下载 免费文档下载http:/ m ax 为固定参数, m 一般选在 3 到 4 之间。 在 PM L 层与计算空间的交界处为零, 在 PM L 层与 EC 的 交 界 处 为 最 大 值。 其 中, m = -
9、 (m 1) ln R (0) , 本文中取 R (0) =2 , m = 4, 分成 26 块, 这包括 6 个面、12 条棱和 8 个角。与其他 2? ? L 层为 9 层。 文献, 5不同的是: 最外层不再用理想导体封闭, 而 以一阶 M u r 边界条件替代。PM L 的特点是在面区域 和棱区域中与坐标轴平行的电导率为零, 只存在与 坐标轴垂直的电导率, 并且随着进入 PM L 的深度增 加而增大, 在 PM L 与计算空间的交界处为零, 在最 外层达到最大值; 在角区域中存在着沿 3 个方向变 化的电导率。M axw e ll 方程组表示为 脉冲磁场屏蔽效果 本文研究的电感线圈和屏蔽
10、层的设置见图 3, 图 3 中只画出了 2 个并列放置的电感线圈中的一 个, 具体尺寸从略。根据问题 的特点, 把通电线圈等效为恒 :/ 定的磁场激励源, 该磁场强度 可以由电流强度、电感值和线 圈 的 横 截 面 等 来 计 算, 如 式 H = j o r 文档下载 免费文档下载http:/ ; E = - j o (3) sz sz = (4) ( ) 9 所示。 7 L I (9) H = = = 0 0 r 0 rS 0 式 (9) 中, 7 = B S 为磁通量; B = H 为磁感应强度; 式 (4) 中, sx = 1 , sy =, sz = 1 , 为电感线圈横截面积, L
11、 为电感值; I 为电流; N 为电感线圈总匝数, 取 100 匝。屏蔽层采用金属铜和 坡莫合金, 距磁场源 3 mm , 厚度取 0. 3 mm , 计算时 取空间步长为 0. 15 mm , 此时屏蔽层占 2 个网格。 经计算, 电流最大值为 1. 2 A 。因为高斯脉冲磁场源 峰值频率为 10 kH z, 其波长与空间步长相差悬殊, 故仅取电流的峰值进行计算。 . 1 无屏蔽层时线圈磁场的计算 在不加屏蔽层时, 空间取值点的分布见图 3, 所 计算的空间场强分布见图 4。 计算空间为 3030 o o 文档下载 免费文档下载http:/ PM L 中的来波无反射地传播。引 入电通量密度为
12、 (5) 中 z = 0 r 由式 (3) , http:/ , (5) 可得 M axw e ll 方程组在 PM L 的 FD TD 格式, 其中的 D x , E x 的表达式如下: 0 - y ? 1?2 1?2 | i 1?2, j , k = x | i 1?2, j , k ? y 20 ? t H i 1?2, j 1?2, k - H i 1?2, j - 1?2, k z z 0 y ? ?y syi 1?2, j , k 1?2 - H i 1?2, j , k - 1?2文档下载 免费文档下载http:/ 空间步长取 1 mm 。 经过归一化, 图 4 中 每单位长度代
13、表 3 mm 。 图 6 铜屏蔽时磁场空间分布 ig. 6 M agne t ic f ie ld d ist r ibu t ing sp ace w ith copp e r sh ie ld 分布曲线。取值点见图 7, 屏蔽层 图 4 磁场等位分布图 ig. 4 E qua l po ten t ia l d ist r ibu t ing o f m 文档下载 免费文档下载http:/ t ic f ie ld 屏蔽层所处位置应在距线圈 3 mm 处 http:/ 经 过 内 侧 点 ) 磁 场 强 度 为 ( a 中 . 283087e 007 A ?m , 屏蔽层 计 算, a 点
14、 的 磁 场 强 度 为 FD TD ( b 点 ) 磁 场 强 度 为 . 583855e 006 A ?m ; . 307859e 006 A ?m ; 点 的 磁 场 强 度 为 点 的 磁 场 强 度 为 点 的 磁 场 强 度 为 点 的 磁 场 强 度 为 点 的 磁 场 强 度 为 点 的 磁 场 强 度 为 4. 811019e 004 A ?m , 屏 蔽 层 外 侧 ( 点 ) 磁 场 强 度 为 . 466374e 006A ?m ; d 1. 245372e 004 A ?m , 屏 蔽 效 能 为 文档下载 免费文档下载http:/ 883367e 006 A ?m
15、; . 431336e 006 A ?m ; = 201g (H 2 ?H 1 ) = - 60. 54 dB , 在 60 dB 以上。 . 3 坡莫合金屏蔽层时磁场的分布和屏蔽效能 坡莫合金作为屏蔽层材料时, 电导率取为 6. 0 . 727227e 007 A ?m ; g 4. 200330e 006 A ?m 。可见, 不加屏蔽层时由 线 10 S?m , 相对磁导率为 1000. 0, 厚度取 0. 3 mm 。 圈到外部各点的磁场衰减不大。 . 2 铜屏蔽 http:/ 层时磁场的分布和屏蔽效能 铜 作 为 屏 蔽 层 材 料 时, 电 导 率 取 为 . 810?m , 相对磁
16、导率为 1. 0, 厚度取 0. 3 mm 。 计算空间划分为 200200200 个网格, 计算时取 空间步长为 0. 15 mm 。此时屏蔽层占 2 个网格。所 计算的空间场强分布见图 8 和图 9。 图 8 中每单位 长度代表 3 mm 。 计算时空间步长取 0. 15 mm , 计算空间划分为 200 200200 个网格, 所计算的空间场强分布见图 5 和图 6。 图 5 中每单位长度代表 3 mm 。 图 8 坡莫合金屏蔽时磁场等位分布 ig. 8 E qua l po ten t ia l d ist r ibu t ing o f agne t ic f ie ld w ith
17、 p e rm a llo y s sh ie ld 在图 8 和图 9 中, 因为磁场强度太小, 没有显示 出屏蔽层中磁场的分布曲线。 如图 7 给出了屏蔽层 内外各点, 经过 FD TD 计算后, 屏蔽层内侧 (a 点) 磁 图 5 铜屏蔽时磁场等位分布 ig. 5 E qua l po ten t ia l d ist r ibu t ing o f agne t ic f ie ld w ith copp e r sh ie ld 图 5 中, 最外层同心园曲线为屏蔽层中的磁场 场强度为- 1. 971843e 007 A ?m , 屏蔽层中 (b 点) 文档下载 免费文档下载http
18、:/ Y E E K. S. N um e r ica l so lu t io n o f in it ia l u n a ry va lu e p ro b lem in vo lv in g mhttp:/ axw e ll s a t io n s in iso t rop ic m ed ia J . IE E E ran s. A n ten n a s an d P rop aga t io n , : 3022307. , B ER EN GER J P. A p e rfec t ly m a tch ed laye r r th e ab so rp t io n o f
19、 e lec t ro 2 m agn e t ic ave s J . Com p u ta t io n a l P h y sic s, 1994, (2) : 1852200. 高本庆. 时域有限差分法 M , 北京: 国防 工业出版社, 1995. E Y S . D. A n an iso t rop ic p e rfec t ly a tch ed laye r2ab so rb in g m ed ium fo r th e ru n ca t io n o f FD TD la t t ice s J . IE E E ran s. A n ten n a s an d P
20、 rop aga t io n , 1996, (12) : 163021639. FL OV E A. A dvan ce s in com p u ta t io n a l 图 9 坡莫合金屏蔽时磁场空间分布 ig. 9 M agne t ic f ie ld d ist r ibu t ing sp ace w ith p e rm a llo y s sh ie ld 磁 场强度为 7. 942313e - 001 A http:/ , 屏蔽层外侧 ( 点) 磁场强度为- 1. 370837e 003 A ?m , 屏蔽效能 文档下载 免费文档下载http:/ s= 201g ( 2
21、 ?H 1 ) = - dB。 . 84 dB , 屏 蔽 效 能 接 近 结 论 3 lec t ro dyn am ic s M r tech H o u se, 1998. . N o rw oo d, M A : 本文研究了某一实际工程系统中铜和坡莫合金 等金属材料对高斯脉冲激励源磁场的屏蔽效能。 通 过分析计算表明, 在电感线圈加上屏蔽层时磁场强 度得到了足够大的衰减。 在低频的情况下可采用金 属铜作为屏蔽材料时可使其屏蔽效能达到 60 dB 以 上; 当选用坡莫合金作为屏蔽材料时其屏蔽效能可 达到 80 dB。 通过进一步的试验测试表明, 2 种情况 下, 均能达到线圈隔离的要求,
22、 消除了 2 个并列放置 的电感线圈的相互干扰, 达到了系统正常工作的性 能指标。 王长清, 祝西里. 电磁场计算中的时域有限 差 分 法 M , 北 京: 北 京 大 学 出 版 社, . 张洪欣, 吕英华, 黄永明. 柱坐标系下 PM L 2 TD 及总场 2 散射场区连接条件 J . 重庆 邮电学院学报 (自然科学版) , 2003, 15 (3) : . 张洪欣, 吕英华, 黄永明. 基于 FD TD 方法 的同轴电缆孔缝辐射效应研究 J . 学学报, 2003, 18 (2) : 1612165. 电波科 (编辑: 龙能芬) ve st iga t ion of sh ie ld i
23、n g ef f ic ien cy a 文档下载 免费文档下载http:/ in st pulse a gn e t ic f ie ld ba sed on FD TD m e thod N G H o n g 2x in , L U Y in g2h u a, M A O C h an g2h u i, YA N G Zh i2m in (1. B e ij ing U n iv e rs i ty of P os ts and T e lecom m u n ica t ions, B e ij ing 100876, P. R. C h ina; . B e ij ing G ene
24、 ra l R esea rch I ns t i tu te f or N on 2f e r rou s M e ta ls, B e ij ing 100088, P. R. C h ina ) bstra c t: In th is a r t ic le, th e p u lse m agn e t ic f ie ld sh ie ld in g eff ic ien cy o f th e in du c tan ce loop in f requ en cy is m o de led an d an a lyzed u sin g FD TD m e tho d in o
25、rde r to se t t le th e in du c tan ce lu sio n p ro b lem th a t ex ist s in an ac tu a l p ro jec t. T h en , th e p u lse m agn e t ic f ie ld sh ie ld in g ic ien cy w ith d iffe ren t m a te r ia l is stu d ied. T h is p rohttp:/ v ide th e c red ib le th eo re t ic ev iden ce s fo r t t lin g
26、th e in du c tan ce sec lu sio n p ro b lem th a t ex ist s in th e ac tu a l p ro jec t. word s: f in ite2d iffe ren ce t im e2dom a in; m agn e t ic f ie ld sh ie ld in g; sh ie ld in g eff ic ien cy; in 2 c tan ce loop sec lu sio n 文档下载 免费文档下载http:/ 文档，专业文献，应用文书，行业论文等文档搜索与文档下载，是您文档写作和查找参考资料的必备网站。文档下载 http:/
