微带电路和天线的时域仿真

介绍了运用FDTD设计和分析微带电路和天线的基础理论,分析了误差产生的原因。利用FDTD法分别对微带传输线、矩形微带贴片天线和微带分支耦合器进行了仿真和特性分析。     

Plasma and electromagnetic wave simulations of meteors

Every day billions of meteoroids impact and disintegrate in the Earth’s atmosphere. Current estimates for this global meteor flux vary from 2000 to 200,000 tons per year, and estimates for the average velocity range between 10 km/s and 70 km/s. The basic properties of this global meteor flux, such as the average mass, velocity, and chemical composition remain poorly constrained. We believe much of the mystery surrounding the basic parameters of the interplanetary meteor flux exists for the following reason, the unknown sampling characteristics of different radar meteor observation techniques, which are used to derive or constrain most models. We believe this arises due to poorly understood radio scattering characteristics of the meteor plasma, especially in light of recent work showing that plasma turbulence and instability greatly influences meteor trail properties at every stage of evolution. We present our results on meteor plasmas simulations of head echoes using particle in cell (PIC) ions, which show that electric fields strongly influence early stage meteor plasma evolution, by accelerating ions away from the meteoroid body. We also present the results of finite difference time domain electromagnetic simulations (FDTD), which can calculate the radar cross section of the simulated meteor plasmas. These simulations have shown that the radar cross section depends in a complex manner on a number of parameters. These include the angle between radar and meteor entry, a large dependence on radar frequency, which shows that for a given meteor plasma size and density, the reflectivity as a function of probing radar frequency varies, but typically peaks below 100 MHz.     

轻量化红外成像制导镜头设计与仿真

根据红外成像制导系统的轻量化、小型化、低成本发展需求，针对制导系统中的光学镜头进行轻量化设计。通过分析超透镜的波前调控原理和加工工艺，利用传输相位调控原理设计了基于硅和氟化钡材料的中红外波长超透镜，工作波长3 μm,镜头厚度小于1 mm，口径50 mm时重量小于10 g，热膨胀系数较低环境适应性好。利用时域有限差分法对超透镜进行了仿真，通过设置对称边界条件缩短了仿真时间。仿真结果表明，当超透镜数值孔径为0.45时，聚焦效率为85%，焦斑半高宽3.4 μm。     

感性耦合夹层等离子体隐身天线罩电磁散射分析

设计了一种石英夹层感性耦合等离子体（ICP）隐身天线罩模型,采用有限元与Z变换时域有限差分（ZT-FDTD）联合仿真的方法,建立了ICP放电的流体模型,得到不同气压及功率下与电磁散射相关的电子密度空间分布,在此基础上建立Z变换时域有限差分法模型,对石英夹层等离子体隐身天线罩的宽频段后向散射进行计算,同时利用微波干涉法及XFDTD软件对算法及程序进行验证。结果表明：感性耦合等离子体可产生较高密度等离子体,能有效实现雷达散射截面（RCS）的减缩,在气压为2 Pa时,碰撞衰减较弱,等离子体密度分布较均匀,衰减带宽集中在等离子体振荡频率附近,功率增加会使衰减峰值向高频方向移动,气压为20 Pa时,碰撞衰减增强,且等离子体密度分布有较大梯度,衰减带宽有效增加,同时RCS曲线的波动特性加强。     

时域有限差分法连接边界电磁泄漏

用时域有限差分法计算目标的雷达散射截面时,一般用连接边界来引入平面入射波.理想情况下,当总场区没有散射目标时,该区域仅有入射波,散射场区电磁波为0.但在实际计算过程中,散射场区的电磁波一般不会严格等于0,这是因为在连接边界引入入射波时产生了电磁泄漏.一维情形下,用散射场区电场的平方和来衡量电磁泄漏程度.二维情形下,用等效原理将散射场区的电磁场进行远场外推,得到雷达散射截面,以此衡量电磁泄漏的大小.研究表明:时间步长、入射角度都能影响电磁泄漏大小.为使电磁泄漏较小,时间步长应接近于稳定性要求的最小步长,入射方向应避免垂直于计算区域边界.     

等离子体涡电磁散射特性及隐身性能

 针对非均匀等离子体在飞行器隐身中的应用,采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分（PLJERC-FDTD）方法计算等离子体涡及涡串电磁散射特性,分析等离子体涡对飞行器隐身性能影响。计算表明,等离子体涡在很大频率区间对电磁波吸收效果显著,RCS降低很大,具有明显的隐身效果。等离子体涡表现出一定规律性的极化特性,对L,S和C波段电磁波具有不同的吸收、反射特性。     

宽频带微带天线的设计

频带窄严重制约微带天线的广泛应用。在讨论微带天线频带展宽的基础上,研究多崐谐振方式展宽频带的方法。采用时域有限差分法进行优化设计计算,给出了具体测崐试结果。     

PML在三维柱坐标系下的应用及脉冲天线数值模拟

在三维柱坐标系下推导了麦克斯韦方程在完全匹配层 (PML )吸收边界条件中的时域有限差分 (FDTD)表达式 ,从而把 FDTD推广到三维复柱坐标系中并编程实现。为保证求解的稳定性 ,给出了更为严格的时间步长计算公式 ,并去除了对称轴上的奇点。提出了利用插值法对 PML最外层理想金属层进行设置的方法 ,并简化了通常处理理想金属表面电磁场的约束条件。最后给出在柱坐标系下脉冲天线的数值模拟。     

关于二维ADI-FDTD方法的数值色散分析

分析比较了目前关于交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)数值色散关系研究的几种理论,指出了其中存在的一些不足.介绍了一种相对合理的数值色散关系式,并利用牛顿迭代法对其进行全面的分析,得出了相关的结论.     

FDTD算法中的时空匹配问题及其解决方法研究

 分析指出了目前FDTD算法中的数值收敛条件破坏了其中的实际物理关系，导致了时空不匹配问题的存在，从而造成计算过程中计算量的激增和计算效率的低下，限制了FDTD算法在飞机的RCS目标特性分析过程中的实际应用。提出了对于FDTD算法进行改进的新方法，同时保证了算法中的内在物理关系和计算的收敛性，提高了计算效率和实用性。应用改进后的FDTD算法进行了简谐波在一维多层介质中的传播仿真和全反射理想基底多层介质的传播仿真，所得计算结果与理论分析结果完全吻合。同时根据仿真结果得到了电磁波在多层介质传播中的几个规律。