无线电战术车辆及其发射天线的电磁兼容研究

发布时间：2020-11-05 00:44

　　 近年来,汽车,航空,航天和海事领域中的通信系统的进步以及电磁干扰和兼容性(EMI/EMC)意识的提高引起了对发展计算电磁学(CEM)数值方法的高度关注。它可以精确地模拟各种电磁系统,同时考虑到它们运行的各种环境。因此,许多方法已经发展出来,例如矩量法(MoM),有限元法(FEM)和有限差分时域(FDTD),每种方法都有各自的优点和缺点。特别是,FDTD已成为一种广泛使用的电磁系统建模工具,因为它可直接求解麦克斯韦方程并处理复杂的非均匀介质。此外,FDTD还具有易于并行化计算的优势;因此,它可以使用超级计算集群对大型系统进行建模。然而,FDTD在用于模拟工作波长较大且具有较多精细特征的研究对象的问题时存在一些劣势。FDTD需要将整个计算空间的进行网格化,精细特征的存在增加了所需的计算资源。这将作为本论文中所要实现的工作目标,为克服这些计算问题对多尺度方法进行研究。作为多尺度电磁问题的一个例子,我们在本文中考虑无线电战术军用车辆的情况。在车辆上安装有大功率馈电的大型发射天线。考虑两种情况:研究安装天线与车载子系统之间的干扰以及车辆内人员电磁辐射的不良影响的效果,目的是遵守控制子系统和设备的电磁干扰特性的国际标准以及人员暴露于军事工作场所电磁辐射的健康保护。本文研究了许多多尺度问题,包括:(1)复杂平台上两个天线之间的耦合。一个是安装在车辆上的庞大天线,第二个是需要精细分辨率建模的小天线;(2)通过对人体进行精确建模,分析天线辐射对工作区域中的人员的不良影响;(3)考虑到研究频带中的人体组织色散特性;(4)FDTD方法中精细特征的有效建模和新的多尺度方法的引入。四极德拜模型用于模拟人体组织,并且开发了一种新的高阶交错FDTD。所提出的方法属于辅助微分方程FDTD方法。它基于使用高阶后向有限微分来近似时间辅助导数和使用高阶中心有限差分来近似空间导数。所提出的方法证明了其对于低分辨率网格的精度的效率。分析了自由空间,非色散和色散介质的所提方法的稳定性。本文提出了一种新的双网格FDTD。该方法基于使用粗网格来建模大单元和精细网格来模拟精细特征。通过惠更斯等效电流来实现两个网格之间的耦合。所提出的技术独立于FDTD方案。混合FDTD用于模拟两个天线之间的干扰情景,以及人体暴露于来自大天线的辐射的情景。最后,为了验证该方法,将开发的分散FDTD方法与常见问题的电磁分析解决方案进行比较。对于双网格方法,通过在整个计算空间中使用精细网格作为参考来进行全波模拟,将所提出的技术的结果与现有方法的结果进行比较,证明了该方法有效性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ810.3
【文章目录】：
摘要
Abstract
Abbreviations
Chapter 1 Introduction
    1.1 Background and significance
    1.2 Related issues to the modeling of mounted antennas
    1.3 Definition of the Key Concepts of the Problem
        1.3.1 Notion of Multi-Scale Problem
        1.3.2 Notion of Variable Problem
    1.4 Context of application
        1.4.1 Scenrio devoted to a dosimetry problem
        1.4.2 Scenario devoted to the study of the transmission antenna and EMC
        1.4.3 International Recommendation for The Protection of the Human Bodiesin The Military Workspaces
        1.4.4 International Recommendation for The Subsystems and EquipmentElectromagnetic Interference
    1.5 Survey On the Deferent Methods Applicable for the Simulation ofMounted Antennas on a Complex Platform
        1.5.1 Traditional rigorous methods
        1.5.2 Methods for the Multi-Scale problems
    1.6 Main content of the dissertation
Chapter 2 Basic FDTD and Its Limits for Multi-Scale Problems
    2.1 Introduction
    2.2 Maxwell Equations
    2.3 Principle of the FDTD method
        2.3.1 Numerical Constraints
        2.3.2 Special treatments,post-treatment and used models
    2.4 Exploitation of the FDTD for EMC simulation of a vehicular radiotransmission antenna
        2.4.1 The EM model of the vehicle and the mounted antenna
        2.4.2 Numerical results
    2.5 Summary
Chapter 3 Human exposure to Electromagnetic Fields and SARComputation
    3.1 Introduction
    3.2 Basic features of the numerical simulation
        3.2.1 Geometrical characterization of the human body
        3.2.2 Electromagnetic characterization of the human tissues
    3.3 Frequency-Dependent FDTD schemes
        3.3.1 Formulation of the PLRC-FDTD
        3.3.2 Numerical Validation
    3.4 Simulation results
    3.5 Summary
Chapter 4 High Order Staggered FDTD for Dispersive Media
    4.1 Introduction
    4.2 Formulation of the High-Order Staggered FDTD
    4.3 The Stability Analysis
    4.4 Numerical Validation
        4.4.1 Simulation In The Free Space
        4.4.2 Simulation in The Debye Dispersive Media
    4.5 Summary
Chapter 5 A New Multi-Levels Huygens Sub-Gridding FDTD Based on a TreeStructure and Object-Oriented Programming
    5.1 Introduction
    5.2 The principle of the Huygens Sub-Gridding Method
    5.3 Huygens sub-gridding algorithm
    5.4 Numerical Experiments
    5.5 Application of the Huygens Sub-gridding for the Dosimetry and theInterference between antennas
    5.6 Summary
Conclusion
References
List of Publications
Acknowledgements

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本文编号：2870853