基于FDTD的电磁脉冲孔缝耦合效应仿真分析

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飞行器腔体存在孔缝结构时,会导致对电磁脉冲的屏蔽效果变差,在腔体共振频率处产生共振加强效应,对电子设备影响较大。为了保障人机安全,有必要研究电磁脉冲对腔体的耦合作用机理,为防护提供科学依据和工程技术手段。本文基于时域有限差分法编写仿真程序,调试并组建了电磁仿真平台,对电磁脉冲孔缝耦合过程进行建模分析;在验证孔缝处的共振具有波导特性、腔体内的共振具有谐振腔特性的基础上,从时频联合角度分析了不同条件下的瞬时共振频谱分布;在验证耦合系数表示宽频响应具有合理性的基础上,结合窗口傅里叶变换思想,采用时频耦合系数定量分析了腔体内共振加强程度随时间和频率的分布特性;对比分析了有无屏蔽措施下,腔体对不同类型电磁脉冲的屏蔽效果。研究结果表明:(1)孔缝耦合共振加强程度由孔缝和腔体的几何结构共同决定,宽频短脉冲在耦合过程中受到孔缝的调制作用,导致腔体内共振电场分为快速衰减和持续共振两类;低于孔缝共振频率的电场分量在耦合进入腔体后很难散射出去,以稳定幅度持续共振,对应单频响应会在腔体内持续共振加强;高于孔缝共振频率的电场分量比较容易耦合进入腔体与散射出腔体,对应单频响应可以达到稳定共振峰值,激励源消失后共振很快衰减。(2)采用时频耦合系数可以表示孔缝耦合的宽频瞬时响应,其物理意义为确定入射源电场极化方向、腔体及孔缝结构、取样点条件下,不同频率电场分量对应单频响应在不同时刻的共振加强程度;腔体内非共振频率分量会快速衰减,其时频耦合系数在100ns后基本不变;低于孔缝共振频率的腔体内共振频率分量会持续共振加强,选用合适的截止波导结构孔缝可以使300ns内的时频耦合系数低于-60d B;孔缝无法避免的情况下,可以根据脉冲源的有效频率,采取针对性的屏蔽措施,孔缝处的共振频率越高,对宽频脉冲的屏蔽效果越好。
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