电子系统场路混合问题的高效建模和时域分析方法研究

With the increasing of the integration and sensitivity of electronic systems, the intense electromagnetic pulses in the environment will threaten the security of electronic systems. Accordingly the action of intense electromagnetic pulses to electronic system is very complex. It will cause the field-circuit mixed problems consisting of electromagnetic field radiation, transmission line coupling and circuit conducted interference at the same time. While the conventional numerical algorithms are difficult to be used for the analysis of these complex field-circuit problems efficiently. . This project will study the efficient time domain field-to-line coupling method to build the coupling model of the cables closed to the enclosure of electronic system excited by intense electromagnetic pulses rapidly, and achieve a strong synergism on the computations of electromagnetic fields and transient responses on cables. Then the efficient time domain hybrid field and circuit methods are presented to simulate and analyze the acting process and rules of intense electromagnetic pulses with penetrative wires and inner transmission line network of electronic system based on the field-to-line coupling method and some novel modeling techniques proposed in this project. The achievements of this project should solve the difficulty of the field-circuit problems of electronic system modeled in time domain directly, and be helpful to master the electromagnetic interference characteristics of the intense electromagnetic pulses to electronic system. Furthermore it may provide the scientific basis for the protection design of electronic system.

随着电子系统集成度和敏感度的不断提高，空间环境中的强电磁脉冲已成为电子系统安全性受到威胁的主要因素。强电磁脉冲与电子系统的作用过程涉及到空间电磁场辐射、传输线耦合与电路传导干扰同时存在的场路混合问题，现有方法无法对这类复杂的场路混合问题进行高效分析。本项目将研究高效的建模技术，构建适用于电子系统中近壁线缆的场线耦合模型，研究高效的场线耦合时域算法，实现空间电磁场与线缆瞬态响应的同步计算。提出新型的电子系统贯通导线等效电路模型的建立方法，研究高效的场路混合时域算法，分析强电磁脉冲对电子系统贯通导线端接电路的电磁耦合特性。另外，构建电子系统中传输线网络的场路混合模型，研究高效的场路混合时域算法，揭示强电磁脉冲对电子系统中传输线网络的电磁耦合规律。本项目的研究成果将解决电子系统场路混合时域建模难的问题，有助于掌握强电磁脉冲对电子系统的电磁干扰特性，从而为电子系统进行电磁防护设计提供科学依据。

随着电子系统集成度的不断提高，强电磁脉冲已然成为电子系统安全性受到威胁的主要因素。强电磁脉冲与电子系统的作用过程涉及空间电磁场辐射、传输线耦合与电路传导干扰并存的场路混合问题，现有方法无法对这类复杂的场路混合问题进行高效分析。为此，本项目研究一套高效的时域建模分析方法，为电子系统电磁干扰分析提供重要的数值仿真工具。. 本项目具体的研究工作包括三个方面：.（1）电子系统近壁线缆电磁耦合的场线耦合时域算法研究。首先，研究高效的网格建模技术，实现电子系统物理结构自动剖分以及线缆激励场的快速模拟。然后，使用传输线方程，构建近壁线缆的电磁耦合模型，并通过高阶FDTD进行求解，快速获得线缆上的瞬态响应。基于此，引入大规模并行技术，大幅提高算法计算效率。最后，通过线缆串扰和场线耦合实验，验证算法的正确性。.（2）电子系统贯通导线的场路协同计算方法研究。首先，基于细导线FDTD技术，结合场线耦合时域算法，研究高效的场路混合时域算法，实现电子系统架空贯通导线的场路协同仿真。然后，基于戴维南定理，结合场线耦合时域算法，提取近地贯通导线的等效电路模型，结合二端口网络理论，研究高效的场路混合时域算法，实现电子系统近地贯通导线的场路协同仿真。.（3）电子系统中传输线网络的场路协同计算方法研究。首先，基于诺顿定理和置换定理，提取传输线网络的等效电路，并构建传输线网络的场路混合模型。然后，将场线耦合时域算法与状态变量法和Ngspice软件相结合，研究高效的场路混合时域算法，实现空间电磁场辐射、传输线耦合与电路瞬态响应的协同计算，并分析传输线网络的电磁耦合规律。. 为了验证项目提出算法的置信度，将场线耦合时域算法与场路混合时域算法的计算结果与FDTD和商业仿真软件CST进行比较，误差均在3dB以内。. 本项目的研究成果解决了电子系统场路混合时域建模难的问题，有助于掌握强电磁脉冲对电子系统的电磁干扰特性，从而为电子系统进行电磁防护设计提供科学依据。