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[硕士论文] 张禹斐
物理学 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:电子回旋脉塞(ECM)是一种基于电子回旋谐振受激辐射,从而实现电磁波放大的高功率微波放大原理。ECM设备在毫米和亚毫米波的电磁频谱领域已有很多应用,如:聚变等离子体加热、先进的雷达、工业加工、材料特性、粒子加速、跟踪空间目标。虽然ECM具有广泛的应用前景,但同时也面临着自己的问题,如能量转换效率太低,器件体积太大等问题。本文在大信号近似下,对于基于反常多普勒效应的慢波ECM,提出一种可以大幅提高其能量转换效率的方案。通过引入渐变引导磁场和渐变折射率介质,可以将电子与电磁场之间的共振维持更长的时间,从而达到更高的能量转换效率。数值计算表明,渐变引导磁场和渐变折射率的同时调制要比其中任一单独调制对效率的增幅要高,可以在更短时间内达到更高效率。此外,该方案在太赫兹波段和电子注轴向速度离散的情况下对能量转换效率也有很大的提高。
[博士论文] 李杰
物理学;凝聚态物理 东南大学 2017(学位年度)
摘要:经典的电磁多极展开式可以分解为电多极和磁多极两大类,主要包括偶极、四极和八极等等。然而,事实证明,该理论并不完整。于是,在1957年,为了解释原子和核物理中弱相互作用的宇称破缺问题,Zel'dovich教授首次提出了一个新的物理概念:磁环偶极矩(toroidal dipole moment),这一概念的提出,不仅解决了之前许多电磁学领域难以解释的问题,也使得电磁理论更加完善。磁环偶极矩是电流在一个甜甜圈式的圆环面上沿中线流动而产生的,磁场呈现首尾相接的涡旋分布,极大地增强了近场局域。但是,相较于经典的电磁多极,磁环偶极矩与自由空间的耦合很微弱,致使人们很难观测到它。因此,随着环形特异介质的出现,将磁环偶极矩与特异介质结合起来,抑制经典电磁多极共振的同时极大地增强了磁环偶极共振。近几年,环形特异介质这一有趣的课题吸引了越来越广泛的关注。在本论文中,基于前人研究的基础上,我们进一步深入探讨了磁环偶极矩的光学特性以及其引起的一些新的光学效应,整个思路框架如下:
  第一章,阐述了研究背景。首先,环形矩的提出、产生机制与光学特性;然后,环形特异介质的提出以及近些年来的发展过程。
  第二章,简单阐述了相关的理论基础以及计算方法。首先,色散理论:Drude模型和Lorentz模型;其次,电磁场数值分析方法:有限元法和时域有限差分法;电磁仿真软件:CST Microwave Studio和HFSS。
  第三章,探讨了有孔金属圆盘特异结构中几何参数以及电磁波入射角度对磁环偶极共振的影响,并利用LC电路模型进行分析。
  第四章,通过磁环偶极共振来操控偶极激发源的远场辐射并探讨了其耦合机制,促进了光与物质相互作用等方面的发展。
  第五章,将增益材料嵌入到有孔金属圆盘特异结构中,研究增益材料对偶极激发源超辐射强度的影响,在操控光与物质相互作用方面将有所应用。
  第六章,通过磁环偶极共振与电偶极共振相互耦合,产生了类电磁诱导透明现象;通过调节几何参数,两者的不对称耦合则会产生双带的类电磁诱导透明现象。在传感应用方面,提供了新的实现途径。
  第七章,为了避免金属的欧姆损耗,提出了具有高介电常数的钽酸锂介质微管,研究几何参数对磁环偶极共振频率、场热点(Hotspot)以及品质因数的影响,并探讨了其产生的物理机制。
  第八章,提出深度不对称金属圆槽特异结构,实现了电磁波正入射下的磁环偶极共振,讨论了其产生物理机制;着重讨论了由磁环偶极共振引起的场热点和完美吸收光学效应。
  第九章,全文总结及展望。
[博士论文] 任丹
机械工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:腔体结构可用于阻挡电磁能量传输,是电子产品抑制电磁干扰、防止能量泄露的重要手段。由于通风散热、装配及数据传输的需要,腔体结构上不可避免的存在孔阵、缝隙及线缆等各类电磁耦合通道,它们是影响腔体电磁屏蔽性能的重要因素。为了快速准确分析腔体上电磁耦合通道对屏蔽性能的影响,本文研究了电磁耦合通道的等效建模方法,提出一种计算电磁耦合的解析方法。本文的主要研究内容及创新点有:
  (1)基于小孔尺寸效应的孔阵等效建模方法研究。孔阵是腔体最常见的后门电磁耦合通道,是造成腔体电磁干扰的重要途径。由于组成孔阵的小孔数量众多且与腔体总体尺寸相差很大,跨尺度效应导致模型网格数量巨大,特别是在复杂腔体的电磁特性分析中,可能由于存在大量小孔而导致整机仿真无法进行。为此,本文提出一种孔阵等效建模方法,该方法在保证等效前后腔体内场分布相同条件下,将孔阵等效为单孔,可以显著简化建模过程,降低网格数量。同时,该方法可对Robinson模型进行改进。原始Robinson模型只是将各个小孔的阻抗进行线性叠加,计算出的屏蔽效能误差较大,利用本文方法改进的Robinson模型在计算孔阵腔体屏蔽效能时精确有明显提高。
  (2)基于转移阻抗的缝隙等效建模方法研究。缝隙是腔体上另一种常见的后门耦合通道,由缝隙引起的电磁干扰也不容忽视。由于缝隙具有非常大的长宽比,分网时需要在缝隙处加密网格,导致模型网格数量巨大。本文提出一种基于转移阻抗的缝隙等效建模方法,可在保持仿真精度的前提下,将缝隙宽度扩展5倍,以缓解仿真时间与精度的矛盾。在此基础上分析缝隙参数对腔体屏蔽效能的影响,并提出在缝隙处填充导电橡胶、在腔体内填充损耗介质的方法,可有效抑制缝隙电磁耦合和腔体谐振,可在腔体内部形成一个非常干净的电磁空间。
  (3)基于负载阻抗的复杂线缆束等效建模方法研究。腔体上不可避免的存在供电或信号线缆,线缆是典型的前门耦合通道。由于线缆横截面尺寸远小于电磁波波长,因此可以用集中参数电路模型来求解线缆的响应,但是线缆长度又往往和传播电磁波波长相比拟,为了计算的准确又需要运用电磁场理论来研究场线耦合。由于“路”方法的局限性,而“场”方法又太过复杂,为此本文从“路”的角度提出一种复杂线缆束等效建模方法,然后利用“场”的方法对简化的线缆模型进行数值分析。通过数值仿真对比,显示该方法可明显简化复杂线缆束的建模过程、降低模型规模,以方便后续的场线耦合分析。
  (4)基于模式匹配及BLT方程的腔体电磁耦合计算方法研究。孔腔耦合和场线耦合是电磁耦合计算的典型问题,本文基于模式匹配及BLT方程理论,提出一种计算带孔阵腔体内传输线电磁耦合的解析计算方法。将外部激励源对腔体内传输线的耦合分解为孔腔耦合和场线耦合两个过程,腔体内任意点的场强由模式匹配理论及矩量法计算得到,腔体内的场线耦合由Agrawal模型构建BLT方程进行计算。与测试数据对比得出,模式匹配理论可以准确计算腔体内部电磁场。与CST数值仿真数据对比得到,该方法可以准确计算任意入射波激励下线缆终端负载上的电流响应且计算效率高,可用于腔体内场线耦合的研究。
  本文提出的腔体结构电磁耦合通道等效建模和计算方法可用于电子产品结构设计阶段的电磁兼容仿真和分析。同时,本文研究的诸多电磁耦合通道结构参数对腔体电磁兼容特性的影响规律,可为电子产品电磁兼容测试及结构整改提供理论依据。
[硕士论文] 王稳
无线电物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:时域不连续伽略金(DGTD)方法被认为是一种解决计算电磁学中多尺度问题的一种很有效的手段。相比于传统的有限元(Finite Element)分析,时域不连续伽略金方法从有限体积分方法(Finite Volume Time Domain)中引入数值流,在单元间施加弱性的连续性条件,使之具有时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain)显式步进格式的优点。它在每个离散单元内建立更新方程,每个单元的更新只需在单元内求解一个小型矩阵,避免了传统有限元法求解大型稀疏矩阵方程的困难,极大地提高了计算效率且具有天然的并行计算特点。另外,该方法保留了有限元法的非结构化网格的复杂模型精确建模优点,还可以利用区域分解方式快速计算多尺度问题。
  本文研究时域不连续伽略金方法的各关键技术和开发三维DGTD算法库及其并行计算,并应用到实际电磁问题的计算,另外还研究大规模电磁计算中矩量法(Method of Moment)的并行加速技术。
  第一章简要回顾计算电磁学中常见的几种时域分析方法,并与DGTD方法比较分析,提出本文研究的出发点、研究意义和价值。
  第二章研究时域有限元法的关键技术,介绍了Galerkin方法和有限元法的基本原理,研究四面体结构的结点基函数和棱边基函数的构造方法。然后研究时域有限元法,它使用类似于频域有限元的方法进行空间离散,得到常微分矩阵方程,然后在时域上使用差分方法构造步进格式,另外介绍各种时域源激励信号。
  第三章研究时域不连续伽略金法,从时域有限元方法出发引出DGTD的基本思路,主要研究基于中心流DGTD法和迎风流DGTD法的关键技术:边界条件、离散格式,开发DGTD算法库和研究并行计算过程,最后通过仿真电偶极子的时域辐射和矩形波导两个三维问题,并与FETD和FDTD方法进行了比较,验证算法模型的准确性。
  第四章研究大规模电磁计算中矩量法的并行加速技术。针对实际项目中毫米波阵列天线的电大问题的矩量法分析,研究矩阵填充、求解的并行加速技术,大幅度提高电大问题的求解效率。
  第五章对研究内容进行了总结和展望。
[博士论文] 郑宇腾
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近几十年来,计算电磁学已被广泛应用于电子、通讯、遥测、遥控等众多领域,为工程设计及科学研究提供了电磁场的仿真模拟工具。随着科学技术的进步,尤其是电子技术的飞速发展,对于电磁仿真工具求解能力的要求也在不断提高。本文研究的多尺度问题正是计算电磁学面临的热点问题之一。多尺度问题是指待求目标不仅兼具电大问题巨大的未知量,还包含电小尺度亚波长的复杂精细结构。因而在使用电磁场数值算法求解时会遇到新的问题和挑战。本文主要研究积分方程的多尺度问题。从多尺度问题的混合形式快速算法、中低频多尺度问题中积分方程的稳定性以及平面分层结构中的多尺度电磁问题三个角度出发分别进行详细的阐述。
  本研究主要内容包括:⑴针对混合形式的多尺度快速算法进行了研究。研究以低频稳定的快速笛卡尔展开方法为基础,通过转换使其与多层快速多极子方法相融合,弥补了多层快速多极子方法在求解多尺度问题时效率降低的缺陷。研究中涉及了几个关键技术点,其中包括:微分算子对笛卡尔张量的影响、混合快速方法的构建方式、体表积分方程的混合快速算法以及混合快速算法的预条件技术。最终基于体表方程形成了可用于求解电、磁及金属复合材质的混合形式多尺度快速算法求解器。⑵分析了赫姆霍兹分解对电场积分方程低频崩溃问题的意义。通过引入约束条件的方式,推导了可用于低频问题求解的改进型的电场积分方程。进而引入微扰法解决了改进型电场积分方程在极低频下求解不精确的问题。利用对阻抗矩阵元素的级数展开,整合了电场积分方程、增广电场积分方程以及增广电场积分方程微扰法三种方法,形成了覆盖中频、低频以及极低频的高效阻抗矩阵填充算法,形成了适用于宽带问题的高效矩量法求解器。另外,通过增广电场积分方程和混合形式多尺度快速方法构建出适用于中、低频多尺度问题的快速求解器。⑶针对平面分层结构的特点,研究了两种模式匹配方法。分别为基于谱域模式匹配方法的严格耦合波分析,以及基于二维有限元方法的数值模式匹配方法。⑷研究了参数连续变化条件下的快速计算方法。研究了基于紧缩基函数方法的模式降阶方法。研究了矩量法阻抗矩阵在求解宽频带问题时的仿射分解方式,将紧缩基函数方法应用于宽频带下矩量法的高效计算求解。研究了通过矩阵方程右端项预估解向量特性的预估技术,从而将紧缩基函数方法应用于入射平面波角度变化时矩量法的高效求解计算。
[硕士论文] 左胜
电子与通信工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着科学技术的发展与社会的进步,与电磁相关的问题变得越来越复杂,电磁仿真目标呈现电大尺寸、结构复杂、高集成度和系统化等特点,传统的电磁计算手段往往会面临计算资源不足或耗时过长等问题。近年来,高性能计算技术已逐渐应用于电磁计算领域,并已成功解决一批挑战性问题,但相比其他领域,高性能电磁计算在理论体系、应用范围等方面尚显不成熟,仍有许多值得研究的地方。
  本研究在实际工程应用需求的推动下,主要针对矩量法与有限元方法的并行计算技术进行了研究,以期利用当前分布式集群的计算能力和存储能力,提高矩量法和有限元方法的电磁仿真计算能力和效率。针对当前计算机异构发展的趋势,研究了矩量法的可扩展异构并行计算。利用GPU( Graphic Processing Unit)通用编程标准CUDA( Compute Unified Device Architecture)中提供的CONTEXT技术、MIC(Many Integrated Core)中环境变量的概念,提出了一种适用于CPU(Central Processing Unit)/GPU与CPU/MIC两种平台的通用异构并行编程模型,满足了异构并行矩量法可跨节点对静态负载均衡的要求。数值结果表明,基于该并行编程模型设计的异构并行矩量法程序,可获得理想的加速倍数并具有良好的可扩展性。实际工程应用中,已知电磁流分布采用积分方程计算近场或远场是十分常见的场景,当近场点或远场点数目非常庞大时,这一过程是非常耗时的。对采用并行多层快速多极子加速这一过程进行了研究,总结出了较为详细的并行多层快速多极子加速场计算的理论和并行策略。通过数值算例,与传统的积分方程计算方式进行对比,验证了并行多层快速多极子的加速效果。引入一种目前在国内较为新颖的有限元网格截断技术—有限元迭代积分方程法,该方法在减少有限元吸收边界区域未知量的同时,又能保持有限元矩阵的稀疏性和带状性。采用有限元方法计算复杂、电大尺寸问题时,其存储需求极高,计算耗时极长,对其进行了MPI(Message Passing Interface)+OpenMP(Open Multi-Processing)的并行化实现。最终,采用1152 CPU核实现了目前商业软件ANSYS HFSS难以高效解决的64单元大型基站天线及其馈电网络一体化仿真分析。
[硕士论文] 余乐
电路与系统 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:基于磁偶极子模型对目标的定位是一种具有高精度、多维度、无视线问题的定位技术,也称为电磁定位技术。它不仅能定位出目标点的空间位置信息(x,y,z),而且还能定位出目标点的姿态角(α,β,γ)。因此该技术广泛应用于医疗手术导航、移动设备导航、机器人、虚拟实现等领域。根据对国内外大量文献与产品研究,电磁定位技术在国外已经有相关成熟的产品,而反观国内现状,还仅仅出于理论研究与实验探索阶段。
  本文的工作内容主要分为四个方面:
  (1)首先,本文利用磁偶极子理论建立起电磁定位计算模型,再根据法拉第电磁感应定律建立起接收传感器的感应电动势与定位目标点的位置和姿态6个未知参数之间的关系。由于磁偶极子模型在目标点距离发射源比较远时,模型才能成立,所以本文就定位目标点到发射源的距离对定位的误差做出了分析。
  (2)其次,为了将电磁定位技术的工程应用问题转换为数学问题。本文对求解电磁定位非线性方程组的相关算法进行了研究,包括高斯-牛顿法、L-M算法、遗传算法。利用数值分析软件MATLAB对以上算法进行了仿真分析。
  (3)再次,设计一个电磁定位系统,同时完成了该系统中有关的硬件电路与软件程序的设计。该系统大体分为三个部分,分别为发射系统、接收系统、数据处理系统。发射系统主要作用是建立起定位系统所需的磁场分布环境;接收系统的主要功能是把定位目标点的电磁信号转换为有用的电压信号;数据处理系统的主要功能是采集接收信号与参考信号,并利用NI公司的LabVIEW软件平台对采集的信号进行数字滤波等处理。
  (4)最后,搭建了实验平台并进行了测试。包括对目标点的电压波形的采集与显示,以及采集信号数字滤波前后的波形显示。对测试值与真实值进行了比较,当发射信号频率为1kHz,目标点距离在12厘米到70厘米内时,位置平均误差在3.5厘米内,姿态角平均误差在10度内,以及对误差的来源做出了详细的描述。
[博士论文] 宋连宁
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:在信息技术全面发展的今天,计算电磁学已经被应用并且深刻影响到了遥测、遥感、无线通信、纳米技术等不同领域,一直以来计算电磁学的主要任务之一是为各领域层出不穷的新需求提供新的电磁场的仿真工具。在这其中,针对多尺度问题的快速精确求解器吸引了众多学者的关注。复源点波束(CSB)作为麦克斯韦方程组的精确解,因其在近轴区的高斯波束形态,一直以来在高频渐进领域有着广泛的用处。随着用复源点波束展开任意源技术的提出,复源点波束开始在积分方程领域崭露头角。将复源点波束应用到积分方程中,可以利用其天然的方向性降低远区耦合的代价,同时又可以利用其等效过程有效地处理多尺度问题。本文以复源点波束在积分方程中的应用为研究的主要内容,重点研究了如何利用其加速矩量法,以及利用其求解多尺度问题。具体的研究内容如下:
  本文首先回顾了积分方程的基本理论,总结了复源点波束的特点,介绍了任意目标的复源点波束等效原理,推导了用复源点波束展开任意源的远区匹配方法,详细介绍了利用复源点波束展开来加速电场积分方程(EFIE)和磁场积分方程(MFIE)的复源点波束-矩量法(CSB-MoM)。
  随后,为了降低CSB-MoM计算电大目标时的复杂度,充分利用了复源点波束的方向性和波束位置的对称性,获得了相邻层间波束递推的聚合矩阵,实现了多层复源点波束展开方法,并在此基础上实现了加速矩量法迭代的多层复源点波束方法(MLCSB)。针对MLCSB中的关键过程,提出了使用截断奇异值分解(TSVD)来压缩聚合和转移算子矩阵,并且证明了该压缩方式同复源点波束的辐射能力相关,可以通过调整截断值,在不影响结果可信度的情况下,牺牲少量精度来提高计算效率。
  接下来,针对多尺度问题中常见的电场积分方程的低频崩溃问题,本文提出了多层复源点(MLCSP)方法来加速增广电场积分方程(AEFIE)。该方法首先使用复源点的矢量位和标量位分别展开AEFIE的矢量位和标量位,以克服在等效过程中的低频崩溃问题;随后使用远区匹配,构建了相应的聚合矩阵以实现多层算法,提高计算效率。经过分析和验证,该方法具有O(N)的复杂度,且具有良好的频率稳定性。
  最后,充分利用了转移因子的物理意义,提出了自适应多层复源波束方法,并将该方法用于多目标散射计算中。针对目标间的多尺度,采用区域分解的思想在每个目标上独立进行八叉树结构划分;对单个目标区域使用多层复源波束方法进行自耦合矩阵同电流矢量的计算,同时获得目标上电流的复源点波束展开;不同大小的目标区域之间,直接使用其复源点波束进行自适应地转移耦合计算。又因为在目标间转移时仅有少量波束是有效的,还提出了局部远场聚合的方法来减少计算量。
  本文系统而完整地研究了复源波束方法及其在积分方程中的应用,充分利用其方向性,加速了矩量法的远区计算,利用其等效过程,实现了对多尺度、多目标和低频问题的高速求解,为积分方程提供了新的计算工具。
[硕士论文] 刘嘉国
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:混合算法均是取彼之长、补己之短。高频方法结合积分方程方法能克服各自局限、发扬各自优势,特别适合求解电大尺寸和精细结构并存的电磁问题。往往在电大尺寸部分使用高频方法,而在精细结构部分使用积分方程方法,这样就可以扬长避短。在满足所需精度的同时,大大提高计算的速度和节省计算的内存等。本文就是围绕这类电磁问题而展开,研究主要内容可以归纳如下:
  一、基于剪裁NURBS参数曲面的研究。首先介绍矩量法(MoM)和物理光学法(PO)基本理论,再针对平面几何建模的不足,引入NURBS参数曲面建模。发现使用物理光学在矩形参数曲面上计算电磁散射时,无法剔除冗余面元的贡献而造成误差太大,引入了剪裁NURBS参数曲面。相比未剪裁曲面,在剪裁NURBS参数曲面上散射场的计算具有非常高的准确性,同时给出了相应的算例来验证。
  二、基于高效迭代混合算法的研究。针对在传统矩量法和物理光学混合(MoM-PO)中,物理光学区域对矩量法区域的耦合矩阵占用了大量内存和时间,提出一种高效迭代混合算法(EI-MoM-PO),它是一种直接更新矩量法区域的电压矩阵来进行迭代计算,能在相同网格的情况下,保持良好精度的同时还能节省计算资源;为了扩大计算能力,在原来MoM区域引入多层快速多级子,形成EI-MLFMA-PO,进一步节省内存和时间,并求解电大尺寸的电磁问题;最后首次提出一种针对具有大量近似平面结构目标混合算法时,提出两套剖分网格的形式来对PO区域进行高效消隐,它具有简单、高效的特点。
  三、基于积分区域分解方法(IE-DDM)结合PO的研究。IE-DDM采取“分而治之”的思想,它一方面可以针对不同的子区采取更加适合的计算方法,并拥有天然并行的优势。在另一方面,不同子区可以采取非共性的网格来进行剖分计算。本文在积分区域分解方法的框架下,针对电大尺寸和复杂精细结构是整体还是分开两种情况,提出使用两种方式加入物理光学方法。前者采用目标整体分区,后者分开目标采用矩量法区域内部分区。由物理光学方法的加入极大地丰富和充实了积分区域分解方法的框架,在以后计算具有电大光滑尺寸的复合结构时大大提高了求解速度,同时为后续加入有限元等其他求解器做铺垫,为更进一步求解复杂多尺度问题提供一种可能。
[硕士论文] 赵超
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着电子信息工业的蓬勃发展,磁性薄膜这种强磁性材料得到了越来越广泛的应用,其应用环境也越来越复杂。因此对于磁性薄膜电磁参数的测量,尤其是其复磁导率的测量一直是国内外研究的热点。然而磁性薄膜的厚度为微米级或纳米级,这会给测试精度和灵敏度带来很大的困难。广泛的应用带来了更多的测试要求,如更宽的测试频带和在多个温度下的测试,所以如何在变温环境下准确的测量出磁性薄膜的电磁参数有着重要的意义。
  本文采用传输线微扰法,首先分别对磁性薄膜的复介电常数和复磁导率建立起了测试模型,并对其计算公式进行了推导。然后利用电磁仿真软件HFSS设计了测试夹具,并对其性能进行了评估。测试夹具确定了之后,研制了配套的变温系统,高温加热系统用来实现室温到100℃的高温环境,低温制冷系统用来实现-50℃到室温的低温环境。基于VC++软件编写了实验所需的测试软件,大大简化了实验操作和数据处理的繁复性,并详细介绍了软件的各个界面和实验操作步骤。
  本实验中的磁性薄膜都覆在0.5mm×5mm×15mm的硅基板上,厚度均为几百纳米。利用本文所研制的测试系统对几个规格的样品进行了常温测试和变温测试,分析了测试结果的精确度和稳定性,并对磁性薄膜材料的电磁参数的温度特性进行了分析。最后,对测试结果进行了误差分析,并且对整个测试系统提出了几点需要继续改进的工作。
  本文在测试夹具上做了独特设计,提高了系统的测试带宽(50MHz~12GHz)。设计了短路微带线来测试磁性薄膜材料的复磁导率,并提出了用终端开路的微带线来测试磁性薄膜的复介电常数。成功的研制出了用于测试磁性薄膜材料电磁参数的变温系统。测试结果表明,整套测试系统具有足够的稳定性和精确度,完全能够满足磁性薄膜材料的变温测试需求。
[硕士论文] 贺红磊
材料科学与工程 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)效应自发现以来便引起了人们极大地关注,尤其是在高密度读出磁头、磁传感器、随机存储器等方面展现出越来越多的实际应用,使得对它的研究不仅具有了重要的科学意义,还具有非同寻常的科技和经济价值。因此,巨磁阻效应不论是在实验方面还是在理论方面都受到了人们越来越多地关注。
  本论文主要研究了不同磁化方向的铁磁体或铁磁体与肖特基金属体相结合在2DEG系统中的GMR效应。全文共分四章:第一章为绪论,简要地介绍了二维电子气、巨磁阻效应的研究现状与应用以及本文的研究背景及意义。
  在第二章,详细地介绍了传输矩阵理论及其推导过程,并介绍了非均匀磁场的计算方法。
  第三章主要分四个部分:第一,从理论上研究了第一个磁条磁化方向不变,第二个磁条为任意磁化方向时在2DEG体系中的GMR效应。结果表明,磁阻比率(Magnetic Resistance ratio,MRR)强烈地依赖于第二个磁条的磁化方向,特别是当磁化方向为180°时,系统可得到最大MRR;第二,介绍了磁场的变化对GMR效应的影响,结果表明,磁场变大,MRR随之变大,峰值变宽;第三部分简述了不同磁场强度下最大MRR值与磁场强度的关系,不同参数对MRR大小变化的影响,发现最大MRR与系统参数大小密切相关且随磁场的增大符合一定的指数函数增长规律;第四部分研究了两个磁条具有相同的磁化方向时的MRR,结果表明,磁化方向为90°时,MRR取最小值。因此可设计出一个磁化角度可调节的巨磁阻器件。
  第四章在二维电子气表面沉积两个磁条和一个肖特基金属条,在肖特基金属条上施加一个电压。从理论上研究了电压大小、宽度以及电压位置对GMR效应的影响。研究表明,该器件的GMR效应相当显著:电压增大,使得MRR在低能区获得更宽的峰,在高能区峰值减小;电压变宽,使得MRR向高能区移动,且逐渐变小;电压在两个磁条间左右移动距离相同时,MRR关于系统中心对称,电压的大小不改变MRR关于系统中心的对称性,但会对特定位置处的MRR产生巨大地调制作用。因此,可得到一个电压调制的巨磁阻器件。
[博士论文] 李桂萍
无线电物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:手征介质因其特殊的物理特性在微波和光学领域已经获得了广泛地研究和应用,电磁波与手征介质相互作用是当前国际学术界一个研究热点。本论文基于电磁场理论研究了手征介质的电磁散射和光力问题。
  本论文将主要采用Mie级数解法、时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法和传播矩阵方法(Propagation Matrix Method,PMM),对电磁波在手征介质中的电磁传播、散射、辐射光压和增益等特性进行了理论上的深入研究,探讨其在隐身和光学微操控等工程中的应用。主要研究内容为:
  第一,基于Mie级数解研究了单个手征异向介质球的电磁散射,同时模拟了金属球被双各向同性手征异向介质(Chiral Metamaterials,CMM)覆盖的双层球电磁散射;推导并实现了可用于计算单层和双层含色散均匀手征异向介质球的单、双站散射的Mie级数解;通过数值计算并比较了手征异向介质覆盖层的介电系数或磁导系数单负、介电系数和磁导系数双负以及手征参数等对金属球同极化和交叉极化散射的影响。Mie级数解的计算结果表明:(ⅰ)手征异向介质球折射率增加时,谐振引起的更多表面模式会影响其散射。由于手征异向介质球的负折射特性,因此与相同尺寸金属球相比,手征异向介质球的前向散射明显更大,而后向散射则正好相反。(ⅱ)相较于普通介质覆盖层而言,手征异向介质覆盖的金属球的手征参数通常可缩减大尺度双站角的雷达散射截面,因而手征介质是一种潜在的电磁吸波材料。
  第二,基于辅助差分时域有限差分法模拟了平面波入射时,色散增益手征介质板和手征介质柱的电磁场和洛伦兹力密度分布。首先,从本构关系出发,引入电磁色散和手征参数,推导了用于计算手征介质电磁特性的基于辅助差分方程(ADE:Auxiliary Differential Equation)的时域有限差分方法。分别用Drude、Lorentz和Condon模型来模拟手征介质,给出了色散手征介质中频域电、磁极化强度与感应电、磁极化强度和耦合电、磁极化强度之间的关系;推导了描述手征介质中场与流的微分方程组,并将其离散后获得三维、二维和一维ADE-FDTD递推表达式。其次,推导了手征介质中含束缚电荷、电流和束缚磁荷、磁流密度的时均洛伦兹力密度表达式。通过与文献结果对比,验证了辅助差分方程-时域有限差分法和洛伦兹力密度方法的正确性。最后编制程序仿真了增益手征介质板和手征介质柱的电磁场和光力分布情况,讨论了电磁流和电磁荷对洛伦兹力密度的贡献。数值结果表明:(ⅰ)特定厚度的手征增益介质板的交叉极化透射系数比同极化透射系数大;手征介质交叉极化波束缚电流产生的梯度力比散射力大从而将手征板向入射波源方向吸引;讨论了平面波照射下,含不同介质参数手征介质的介质板中复杂的拉力和推力密度。(ⅱ)平面波入射时,耦合的交叉极化波在手征介质柱中产生了一个会聚点,从而捕获该色散增益(参数满足Im2(κ)>|Im(ε)Im(μ)/(ε0μ0)|)的手征介质柱,该捕获力主要归因于手征参数的磁电耦合特性和交叉极化波电磁流的贡献。(ⅲ)普通介质覆盖增益手征介质的捕获主要归因于手征介质交叉极化波产生的束缚电流,内部手征介质层对捕获洛伦兹力密度无贡献。本部分研究工作可为手征介质在光镊和手征参数测量等的工程应用提供理论指导。
  最后,用传播矩阵方法计算多层非均匀、含各向同性手征介质板中的电磁散射和光力密度。从麦克斯韦方程和手征介质本构关系出发,将手征介质中的电磁波分解为互不耦合的特征模,利用电磁场连续性边界条件,推导出了多层手征介质板在同极化和交叉极化下的反射及透射系数的传播矩阵方法解析解。从麦克斯韦张量出发,推导了手征介质板的光力密度表达式,并与文献结果进行对比验证;最后简单计算了手征介质板中同极化和交叉极化下的反射系数、透射系数和光力密度。
[硕士论文] 魏姣
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:电磁态势评估对军民用通信、电子对抗、干扰源定位侦查等领域具有重要的研究价值,准确、高效、实用的电磁态势评估技术对上述领域的发展意义重大。
  目前,各种经验、半经验信道模型只能用于估计某种链路环境下的链路余量,不能用于电磁态势“精准”评估预测,以射线追踪法为主的精确性模型可以对场强进行精确计算,但其繁重的计算量以及对全路径地物分布数据库的需求都约束了此类方法的实际应用,满足不了复杂环境中场强预测的工程应用需求。
  本文提出一种准确、高效、工程实用的电磁态势评估方法,可实现无GIS帮助下电磁态势的“精准”评估,本文的主要研究内容如下:
  从电波传播角度对静态地形、地物的形态进行分类,对地物边界进行几何等效。分析了电磁态势评估对地物几何特性参数的需求,并对所需地物边界的几何特性参数进行了研究和总结,为场强的精确计算奠定了几何基础。
  通过对地形地物反射特性随介电参数的变化情况进行仿真分析,得出在电磁态势评估中实地测量获取地形地物电磁特性参数的必要性,基于此本文提出利用工程可操作性较强、较可靠的“垂直透射法”来测量与反演地物电磁特性参数,进而确定实际电波传播环境中地物边界的反、绕射系数,为场强的精确计算奠定基础。
  针对复杂地物环境提出一种实用电磁态势评估新方法,并基于电波传播场强计算理论,推导出此方法的数学模型。在多径确定方面,将场点周围可视区波束交叉空间内的地物划定为对场点场强有贡献的有效地物,利用激光测距获取地物特征点并对有效地物边界建模,在此基础上,根据射线追踪理论在有效地物边界上寻找有效多径来波;在场强计算方面,对预测区域划分可视区后,进一步将可视区划分为若干个直达波一致区,在借助一定测量手段获得各直达波一致区基准场并根据射线追踪法确定有效多径的基础上,利用测得的基准场推演计算某场点直达波与多径来波,根据数学模型计算所有来波信号在场点的叠加总场,综合各可视区场点场强预测结果得到预测区域的电磁态势分布。
  基于上述电磁态势评估方法,针对实际山地与建筑区场景进行电磁态势预测,通过将实测与预测结果的对比分析,验证了本文提出的电磁态势评估方法的准确性,该方法在实施过程中的高效性和简便性使其在电磁态势评估中具有较高的工程实用性。
  本文提出的电磁态势评估方法易于推广和实施,具有较高的预测效率与精确度,对于实际工程中电磁态势评估有很大的参考价值,对于电磁环境监测、未来5G移动通信系统网络规划与优化、电磁干扰源追踪定位等应用具有重要意义。
[硕士论文] 杨源
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:当前,多种电子设备已经被植入人体,其在医疗监测,药物投递以及局部刺激治疗方面的应用极大地帮助了人们的生活。但其能量供应有限一直是困扰植入电子器件功能多样化,工作周期长久化以及体积小型化的难题,因此,使用无线传能技术为体内植入器件供能成为了近年来研究的热点。
  与基于电磁感应或磁耦合谐振原理的传能方法不同,本文选择2.45GHz作为传能工作频率,利用电磁波的辐射场进行传能。本文使用了基于互易原理的自适应聚焦馈电方法,能使电磁波能量自动聚焦到植入天线位置,有效地提高了能量传输效率,具体内容包括:
  首先叙述了微波无线传能的基本原理,选择的微波频段及其原因,对自适应聚焦传能方法的原理进行解释,采用平面多层媒质及心脏模型模拟人体胸部组织,并针对该方法设计了7单元圆形微带天线作为体外能量发射天线以及可植入体内的圆柱形贴片折合振子天线作为接收天线。使用上述天线模拟了微波无线传能过程,仿真结果证明了自适应聚焦方法能够有效提高传输效率,在55mm距离可使传输效率达1.25%。
  接着针对发射天线口径的选择,传输效率于植入天线平移、旋转中的稳定性进行了研究,结果显示7单元发射天线具有较高的传输效率,自适应聚焦方法改善了平移、旋转中的效率稳定性。另外针对调相所用的数字移相器移相误差进行了相位误差冗余度分析,结果显示冗余度较大。为进一步提高传输效率,采取了非等幅馈电以及在发射天线与组织之间增加匹配层的方法,仿真结果证明了两种方法都可以有效提高传输效率,最高使效率达到1.55%。计算了500mW发射功率时胸部的SAR值和平均功率密度分布,证明了在这两者不超标条件下能够给植入电子器件提供充足的能量,证明了其安全实用性。
  最后设计了实验方案,对同相馈电,单一单元馈电,自适应聚焦式馈电以及接收天线有位移的情况下不同馈电方法进行了实验,实验结果证明了自适应聚焦式馈电相比同相馈电以及单一单元馈电具有更高的传输效率,并且使传输效率对接收天线位移的稳定性得到提高。
[硕士论文] 刘太占
计算机技术 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:电磁计算任务具有计算规模大、时空复杂度高、计算精度要求高等特点,不仅对计算资源的需求量较大,而且对资源的性能和可靠性都有较高要求。
  传统电磁计算中心主要采用物理集群提供计算资源,因而受硬件设备限制,集群维护和应用部署成本较高,且计算环境单一,无法对不同的任务提供相适应的计算环境;其次,传统物理集群只能对独立的物理主机进行调配使用,无法对主机内部的计算、存储和网络资源进行细化和隔离,因而,在多维资源分配的场景中,难以根据任务的资源需求实现灵活的资源切分,主机资源利用率不高且负载均衡实现粒度较粗;再次,当主机发生故障时,无法实现任务的在线迁移,容易导致任务失败和数据丢失,使得容灾能力较差,降低了集群可靠性。
  云计算技术集合了并行计算、分布式计算,以及高性能计算的优点,采用虚拟化技术整合大量的异构资源,用户可以根据任务需求对抽象资源进行分配,对计算环境进行灵活的配置,摆脱了传统物理设备环境和资源的限制,提高了单位物理设备的资源利用率,在确保计算速率的基础上降低了平台建设成本,弥补了物理集群的劣势,成为当前高性能计算架构的首选之一。
  云计算的核心就是资源的抽象和再分配,因此,资源调度就成为构建基于云计算技术平台中的关键问题。在资源调度过程中需充分考虑资源分布、资源可用性、资源可靠性、资源利用率、负载均衡等各种因素,从而为复杂电磁计算任务提供高效率、高精度、高可用性的资源调度服务。而传统的调度算法在进行资源分配时,主要考虑资源剩余量是否满足任务需求,没有考虑资源的可用性和可靠性。
  针对电磁计算任务的高可靠性需求,以提高任务执行成功率为目标,本文设计出一种面向电磁计算任务的兼顾高可靠性与负载均衡的资源调度机制(HRLB-ECT),主要工作如下:
  (1)利用模糊综合评判方法,以资源故障率、资源平均故障修复时间、任务执行成功率和资源可用虚拟服务比率为评价因素,在调度前对物理资源的可靠性做出评估,根据计算出的评估值划分资源的可靠等级,将满足任务可靠等级约束的资源加入到调度资源池,排除掉可靠性较低的物理资源,保障了任务运行时环境的可靠性。
  (2)以主导资源公平DRF算法为原型,针对电磁计算任务做出适应性调整,提出ECT-DRF算法,避免了因分配不公平导致的资源间负载不均衡的现象,保障了资源的计算性能。
  实验结果表明,HRLB-ECT调度机制能够将任务调度到相对可靠的资源上执行,并做到了资源间的负载均衡,保障了计算性能和可靠性,提高了计算效率和任务执行成功率。
[硕士论文] 孙东慧
计算数学 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:本文主要探讨求解二维时谐 Maxwell方程组的数值算法,研究目的是开发出新的高性能算法去求解计算电磁学问题。已经产生的数值算法有FVM、FEM、DG、HDG等。本文采用DG-FEM或者HDG-FEM方法求解二维时谐Maxwell方程组。这种耦合方法是在已有数值算法上的创新。
  本文采用的方法之一FEM不仅能求解复杂形状,复杂边界条件的问题,还能求解非线性场和复杂介质中的电磁场问题。然而应用传统的结点有限元算法进行求解时,发现该方法存在着一些缺陷,如:由于方法本身没有强加无散条件,结果导致出现伪解。有限元方法最终得到的是一个大型稀疏矩阵,所以在对它进行求解时耗时巨大。本文采取的另一种HDG方法可以弥补有限元方法的不足。这个方法有很多优点,例如适合复杂区域和非一致结构网格;容易获得高阶精度;hp-自适应和易实现并行计算。该方法是在单元边界上引入一个杂交变量,使得局部解可以定义,最终形成一个只包含所引入的杂交变量的线性系统。这种方法压缩了算法所需的存储空间,提高了求解方程的速度。与基于经典迎风通量的DG方法相比,这种方这种方式大大减少了全局耦合自由度数目。寻求新的既满足上述优点又可以抑制其缺点的新的方法一直是人们关注的关键。本论文拟采用混合Galerkin方法求解Maxwell方程组,把求解区域分成两部分,在高梯度、解变化剧烈的地方运用DG或者HDG,而在光滑解的地方采用FEM方法,而在他们耦合的地方运用合适的传输条件。我们是根据两种方法各自的特性选择分布区域性的。
  本文首先给出LDG与FEM耦合的推导公式,并给出解的唯一性证明,接着给出混合Galerkin方法求解 Maxwell方程组的理论分析与公式推导。最后通过适定性的证明说明该方法的可行性。
[硕士论文] 徐博
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近几十年来,随着电子信息技术的快速发展,电磁技术和研究已经深入融合到了各个领域。针对实际应用中各类电磁场工程问题,已有大量的时域电磁场数值模拟方法的出现,而它们的数学推导各不相同,但他们均可由加权余量最小化方法推导出,所以为统一时域电磁场理论的建立提供了可行性,本文据此初步搭建了一个时域电磁场计算平台。同时,在实际应用中,为了提升各类电子设备和器件的电磁性能,科研工作者发展了各种新型材料包括超材料、时空变化材料和时变材料等。而针对时变材料,尚缺乏高效的数值模拟方法,所以本文针对一类时变材料提出了一种高效的无条件稳定方法。
  首先研究了电磁场工程问题中泛函方法的应用,主要介绍了加权余量最小化方法在求解电磁场问题中运用。总结归纳了加权余量最小化方法中做函数展开的基函数序列的选取规则,以及做检测时权函数序列的选取规则,同时选取屋顶函数和狄拉克函数分别做为展开函数和权函数,推导出传统显式时域有限差分方法的。最后,通过C++计算机语言初步完成了一个时域电磁场计算平台软件,该平台包含了模拟对象的网格剖分和基于FDTD的时域电磁场模拟,同时将剖分结果和模拟过程图像化显示等一系列基本功能。
  同时对传统显式时域有限差分方法进行了研究,对其基本迭代公式、吸收边界、稳定性条件和数值色散方面进行了推导分析。并将显式时域有限差分方法应用在一类呈特殊变化形式的时变材料的数值模拟中,推导分析出这类时变材料中的稳定性条件,判断出不满足稳定性条件的就是不稳定的特征模式,之后提出一种移除不稳定模式保留稳定模式的方法,从而保证了该方法在选择任意时间步长时的无条件稳定性。
[硕士论文] 刘云
计算机技术 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:云计算是一种由规模经济驱动的大规模分布式计算范式,其核心思想是将大量计算资源利用虚拟化技术进行抽象,构成一个大的计算资源池,并通过网络以按需服务的方式提供给客户。近年来,云计算以其低成本提供大量高可用计算资源的优势,引起了数值分析领域的关注,例如计算流体动力学、计算电磁学等。
  本文通过对云计算和电磁计算的深入研究,充分利用云计算在资源弹性分配、资源动态调度、动态可扩展方面的优势,结合电磁计算运算量大、通信量高等特点,设计并实现了一个跨地域、多层次、高度可扩展的电磁任务协同计算平台。
  首先,本文深入分析了主流开源云计算平台的特点和具体的应用实例,并对近年来在云环境下进行高性能计算的研究进展和原型系统进行了总结,在充分考虑电磁算法的运行特点及效率的基础上,对计算平台的设计目标和预期功能进行了详细的需求分析,提出了一种能够跨广域网、动态可扩展的高可用电磁计算平台设计方案,并根据电磁计算任务的管理要求,设计了一种电磁任务管理方法,定义了用户与电磁任务计算平台之间的通信格式。
  其次,根据提出的设计方案,对平台的主要功能模块进行了实现。基于OpenStack开源云计算平台和高性能计算技术对电磁算法运行环境进行了部署,完成了计算资源的管理和监控;根据电磁任务管理要求,对电磁任务管理方法进行了实现,并基于HTTP协议为客户提供了平台对外接口。
  最后,对计算平台进行了实际的搭建,在平台上进行了电磁任务管理、资源管理等功能测试,并对物理光学、矩量法、时域有限差分、高阶矩量法、有限元、多层快速多极子等主流电磁算法算例进行了实际实验。实验结果表明,平台完成了电磁计算任务的自动部署和任务计算过程监控,实现了跨广域网的计算资源动态监控与管理,各电磁算法算例计算过程正常,计算结果准确。
[硕士论文] 宁爽
电气工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:磁悬浮技术凭借着其无接触、无摩擦、使用寿命长等优势,广泛应用于交通、冶金、航天、医学、材料等各个工程领域的研究。磁悬浮技术在悬浮气隙范围内能够产生稳定的磁场且具有连续可控性,采用电磁永磁混合磁悬浮方法,通过连续可调的电磁场,可以实现对永磁体在不同高度下的稳定悬浮控制。基于此,本文展开了对大间隙下的阵列式电磁永磁混合磁悬浮系统的研究。
  本文介绍了磁悬浮系统的研究背景及意义、磁悬浮技术的发展以及关于磁悬浮系统的控制方法研究等,并对于本文所讨论的大间隙下的混合磁悬浮系统的理论研究,给出了单电磁永磁以及阵列式电磁永磁混合悬浮系统的实验模型以及原理,并分析了大间隙混合磁悬浮系统的特点以及有效的控制方法。
  本文分析了阵列式电磁系统的工作原理及其设计方法,对工作电磁单元组上方的磁场均匀性和电磁力均匀性,以及对整个电磁阵平台的磁场均匀性和电磁力均匀性进行测试研究,并结合实验研究了实验环境中的水介质的存在对磁感应强度以及电磁阵列作用于永磁体的电磁力的影响。
  本文给出了大间隙混合悬浮系统控制模块的硬件和软件实现方式,进行了磁悬浮系统在不同电磁力大小下的定点悬浮标定工作,以及相应的仿真分析,对实验结果进行拟合分析得出快速悬浮标定的方法,然后对本文各章的研究内容进行总结,指出了下一步本文所研究系统工作的方向。
  实验结果表明,本文所设计的大间隙阵列式电磁永磁混合悬浮系统中,工作电磁阵列单元组以及整个电磁阵列上方的磁场均匀性和电磁力大小均匀性均为良好,实验环境中的水介质存在及变化对磁感应强度以及作用于永磁体的电磁力基本没有影响。通过实验定点悬浮标定结果以及仿真数据的拟合,得出了不同剩余配平重力下的快速标定方法。
  本文关于大间隙下的混合磁悬浮系统研究内容属于国家863高科技支撑项目的重要组成部分,在航空、航天等微重力研究领域体现了非常重要的作用价值。
[硕士论文] 曾纪荣
电子与通信工程 南昌航空大学 2017(学位年度)
摘要:电磁监测试验卫星(代号ZH-1)是要建立一个监测全球空间电磁场、电磁波、电离层等离子体、高能粒子等物理量的空间试验平台。它利用这些平台监测数据,识别大地震发生前相关的电磁、电离层和高能粒子异常,为探索地震前兆信息、空间环境监测预报和地球系统科学研究提供新的技术手段,为未来建立电磁监测卫星业务化系统进行技术准备。
  高能粒子探测器是电磁监测试验卫星的有效载荷之一。ZH-1卫星高能粒子探测器(HEPP)由低能段载荷(HEPP-L)、高能段载荷(HEPP-H)和太阳X射线监测器(HEPP-X)组成。高能粒子探测器的目的是实现对高能带电粒子的入射方向和能量的测量,配合空间电磁测量,寻找空间高能粒子通量变化与地震引起的电磁辐射的可能关联。
  HEPP-L数据采集系统是高能粒子探测器重要的组成部分。它是通过电缆与数据管理系统相连接,它需要对低能段质子和电子产生的事例进行采集、转换和处理,并把处理好的数据发送给数据管理系统,同时它需要对高压、电流和温度等进行监测,然后把监测的数据发送给数据管理系统,并且它需要执行数据管理系统发送过来的指令。
  本文主要介绍了HEPP-L数采系统的设计与实现,主要包括:
  1.在探测器设计部分,主要针对硅片探测器和反符合探测器的结构、功能和相关指标进行阐述;
  2.在硬件设计部分,完成了系统各功能模块的划分,针对这些功能模块,详述了各功能模块的原理以及每款芯片的功能和性能;
  3.在软件设计部分,先介绍了软件的功能需求、性能需求和可靠性需求,然后针对这些需求完成了软件各功能模块的划分并且详细介绍了各功能模块的设计;
  4.在系统测试部分,主要对硬件和软件进行测试,硬件测试主要是对4块电路板功能模块和性能要求进行测试,软件部分主要是对该FPGA软件主要实现的3个功能进行测试。
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