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[硕士论文] 邵绪晨
控制工程 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:随着科技发展,生活中出现了越来越多的电子和电气设备,这些设备工作时会产生电磁能量,周围设备的正常工作会受到影响。因此,进行电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)分析具有重要的理论和工程应用价值。
  本文对实际机箱系统的三个重要组成部分:印制电路板(Printed circuit board,PCB)、线缆和机箱,进行了电磁特性的分析和优化,并对三者组成的系统进行了电磁兼容的仿真分析,主要进行了以下研究:
  1.对PCB进行后仿真分析,得出减小PCB对外辐射的两种优化方法:增加去耦电容和改善端接;
  2.分析了不同线缆的辐射发射特性和抗干扰能力,为线缆线型的选取提供了依据,通过仿真分析了线缆和金属板之间的距离对辐射的影响,以及线缆之间的距离对辐射的影响,从而对线缆的布局提出了意见;
  3.以实际机箱的模型为原型进行建模和仿真计算,得出了加机箱后电场和磁场强度的变化,以及机箱的散热孔形状、散热孔孔径、材料、箱体金属板搭接方式等因素对屏蔽效能的影响,为机箱的设计提供了依据,并且对实际的机箱模型进行的屏蔽效能定级;
  4.进行了机箱和线缆的联合仿真,对线缆布局提出综合建议,并将PCB、线缆和机箱三者整合组成机箱系统,对机箱系统进行了电磁兼容仿真分析,并且结合本文的仿真内容和传统的EMC设计流程,整合出了一个机箱系统的新型EMC设计流程。
[硕士论文] 唐晓菀
电路与系统 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:目标宽带电磁散射特性的分析对雷达探测、目标识别等技术发展起着至关重要的作用。矩量法分析目标宽带电磁散射特性需要逐点分析,计算时间长,占用内存大,对于复杂目标甚至无法计算。因此,研究一种高效算法对目标宽带电磁散射问题进行精确求解,已经成为电磁理论研究中的一个重点课题。
  本文基于矩量法基本原理,对目标宽带电磁散射问题进行了深入研究。针对超宽带特征基函数法分析目标宽带电磁散射特性时存在计算效率低,占用内存大等问题,本文提出了一种通用特征基函数法,并对其基函数构造方式及低频点冗余计算问题提出了改进。
  首先,针对传统超宽带特征基函数法在低频点计算精度的不足,提出一种通用特征基函数法。该方法对基函数构造方式进行了改进,得出主要特征基函数后,考虑子域间的耦合作用,求出次要特征基函数,然后再分别采用奇异值分解技术去除基函数的线性相关性,数值算例表明改进的方法大大降低了低频点的计算误差。
  其次,针对通用特征基函数法在分析目标电磁散射特性时,需要设置足够多的入射平面波激励,计算效率低等缺点,提出应用奇异值分解压缩激励矩阵,有效地减少了激励的数目,加快了基函数的生成速度,降低了内存需求。同时针对通用特征基函数法在频段内的各个频率点都需要重新构造缩减矩阵的问题,提出一种通用特征基函数法结合模型参数估计技术(MBPE)的有效方法,该方法在待分析频段内设置一些采样频率点,在采样点上应用通用特征基函数求解RCS,这样仅需要在少量采样点上构造缩减矩阵,有效地提高了计算速率。
  最后,针对传统通用特征基函数法在低频点存在冗余计算这一问题,提出一种自适应构造通用特征基函数法。该方法将待求频带自适应划分为多个子频带,并分别在各个子频带的最高频率点构建通用特征基函数,这样各个子频段就可以使用各自的通用特征基函数分析目标宽带电磁散射特性。该方法有效地降低了低频点的计算复杂度,减少了缩减矩阵维数,提高了求解的速率并降低了内存消耗。
[硕士论文] 葛晋群
电子科学与技术;电路与系统 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是由周期阵列结构排列而成的无限大平面结构,它可以根据需要对入射电磁波实现选择性传播。该结构在电磁波技术的诸多方面得到广泛应用,常见的有电磁兼容、微波通信、军事隐身、电子对抗等,具有很大的研究开发前景。近年来,相较于传统的二维频率选择表面(2D-FSS),新型的三维频率选择结构(3-D FSS)因其多了一个维度可以用于设计更加复杂的滤波器而得到了长足的发展。本文首先研究方形同轴线的基本特性,利用合成渐近的方法推导其特性阻抗和端口电容的闭合公式,然后对以方形同轴线作为周期单元的3-D FSS进行优化设计,并在此基础上提出、设计并实现了同轴嵌套型3-D FSS。论文的主要内容和贡献包括:
  (1)利用合成渐近方法推导出方形同轴线的特性阻抗和端口电容的闭合公式。对于特性阻抗,通过分析方形同轴线的两个极限情况来获得远渐近式和近渐近式,进而得到该参数的合成渐近式;对于开路端电容,通过对开路端端口的准静态场分布进行分析,利用格林函数和已有的合成渐近式,推导出相应的闭合公式。
  (2)对原始的方形同轴线型3-D FSS进行优化,通过挖空中心导体和降低金属层厚度,有效地减少整体结构的重量,并提升结构的性能。在此基础上,通过额外嵌套一个金属筒来增加的一条传输路径,从而引入更多的传输零极点。经过合理的设计,本文提出了具有双极化、三次带通以及高带外抑制性等特点的同轴嵌套型3-D FSS。此外,通过对所提出的同轴嵌套型3-D FSS进行传输零极点分析,本文建立了有效的等效电路模型并通过参数扫描对结构设计与优化给出指导性意见。最后,论文还对该同轴嵌套型3-D FSS进行了实物加工验证,测试结果与仿真结果吻合的很好,表明该结构的可行性。
  综上所述,本文所推导的方形同轴线两个参数的闭合公式将在参数求解时避免复杂的数值计算,极大的方便结构的设计以及原理的分析。此外,本文所提出新颖的同轴嵌套型3-D FSS因其优越的性能为FSS的设计发展做出了一定的贡献。最后,对该3-D FSS的理论分析和等效电路建模为后续的一系列3-D FSS设计和分析提供了坚实的理论基础。
[硕士论文] 符伦菁
动力工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,微波加热技术由于其节能高效环保等独特优势广泛应用于工业和生活中各个领域,成为新的研究热点之一。研究发现,在微波加热/热解过程中,当微波场中加入尖端明显的金属,或是强吸波半导体材料,均会出现微波诱导放电现象,该现象可以导致加热体系中温度迅速升高,强化化学反应,提高反应速率,在某些情况下使得产物发生重整,提高转化率,实现节能降耗。迄今为止,微波诱导放电现象所产生的热效应在热解过程中所起作用已经被广泛的接受和认可,但是有关于微波诱导放电现象的文献大部分都是从宏观角度上对热效应的研究和某些实验现象的描述分析,并没有详细地解释微波诱导放电现象的成因和机理。此外,微波诱导放电现象同样伴随着剧烈的光效应,电效应,等离子体效应,在有机污染物的去除降解和化学反应强化等领域起不可忽视的作用,因此,微波诱导放电现象的机理亟待研究和探讨。
  本课题主要研究了微波诱导放电过程中的放电现象中的光效应和等离子体效应,针对微波诱导放电这一特殊现象难捕捉,难测量,瞬时性的特点,通过光谱分析和图像分析相结合的方法,对不同气氛,不同材料等不同条件下的微波放电进行了较为全面的讨论,详细地分析了放电反应的过程和机理,以及影响放电的各种因素。最后研究了微波诱导放电对生物质热解重整效果的影响,通过气相色谱分析对重整前后产物进行表征,揭示了诱微波诱导放电现象对热解重整的反应机理。
  首先,论文对单一气氛下微波诱导放电现象的发射光谱和放电图像进行了详细的实验探究。研究了不同材料,质量,气体流速,微波辐射时间对光效应和等离子体效应的影响。实验发现,金属材料和半导体材料在微波作用下的发射光谱主要由两部分组成:一部分是来自于金属导体和半导体中的原子特征谱线,另一部分是来源于气氛中的原子或分子的特征谱线,同时对反应过程中能量传递过程,物理化学反应进行分析,归纳了诱导放电的成因:微波作用在尖端下产生高电场强度和热效应可以导致材料的核外电子发生定向跃迁,形成自由电子,进而与气体中的原子和分子发生弹性碰撞,实现能量的传递,形成电子与离子共存的低温等离子体状态,而高能量激发态的电子和离子对外释放能量回到基态,一部分能量以光子的形式表现出来,便激励出剧烈的光效应,另一部分以热能和等离子体形式留在反应体系中。
  其次,利用微波诱导放电现象对生物质热解气进行重整实验研究,研究发现,放电现象所导致的等离子效应和活性集团,短时间内可以促进CH4和CnHm等大分子发生进一步脱氢和氢化反应,能使得生物质中的H2含量显著增加,一定程度上为生物质的热解重整提供行之有效的节能新型途径。
  总之,本文详细的分析了微波诱导放电现象的光效应和等离子体效应,揭示了微波诱导放电的反应原理和在生物质热解重整中起的作用,研究结果表明了微波诱导放电的潜在应用价值,同时可以有效地指导在化学反应的强化,有机污染物的去除降解,光催化等应用领域。
[硕士论文] 桑健
电气工程 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:随着电力电子技术的发展,电子设备的工作频率越来越高,由此引发的传导电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)问题日益严重,导致其他电子设备无法正常运行。目前电磁干扰相关的研究多集中在噪声机理建模方面,较少涉及噪声源诊断方法,因此本文开展了基于Infomax-WT算法的传导EMI噪声诊断方法研究,具体包含以下内容:
  (1)本文分析了人工电源网络工作原理,建立了共/差模传导电磁干扰噪声模型。分析了复杂电子设备传导EMI噪声的生成机理,建立了因接地不良,线缆串扰和开关器件上升沿引起的传导EMI噪声模型。最后,针对上述不同原因导致的传导噪声提出了相对应的抑制方法。
  (2)本文针对传导EMI噪声分离方法进行了研究,分析了Infomax算法基本原理,提出了基于Infomax算法的传导EMI噪声分离方法,采用Infomax算法对传导EMI噪声信号进行分析,并进行仿真实验。仿真结果表明,Infomax算法能够实现对传导EMI噪声的分离并取得了良好的分离效果,验证了该方法的有效性。
  (3)提出了基于Infomax-WT算法的传导EMI噪声诊断方法。Infomax算法可分离传导EMI噪声并初步筛选噪声源,但无法反映各分离信号的频率特征,针对这一不足,结合小波变换(Wavelet Transform,WT)时频分析理论,提出Infomax-WT混合算法,将Infomax-WT算法应用于传导EMI噪声诊断中,利用采集的传导EMI噪声样本,通过Infomax分离出若干独立噪声信号,对各噪声信号进行小波变换,获得各噪声信号的时频图,根据时频图获取的频率特征确定噪声源。最后,进行仿真和验证实验,仿真和验证实验结果均表明,该方法成功识别出引起传导电磁干扰超标的噪声源,验证了该方法的有效性。
  (4)本文对传导EMI噪声进行综合分析与抑制方法研究,将传导EMI噪声诊断方法应用于医疗电子设备中,通过Infomax-WT算法诊断定位噪声源,并分析产生传导噪声的机理,针对性地给出具体的抑制方法,最终实验设备通过了标准测试,验证了该方法的可行性与工程实用性。
[博士论文] 李诚
物理电子学 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:目前粒子物理标准模型还无法很好地解释中微子质量,科学家希望通过对中微子的研究来进一步增加我们对粒子物理的认知。在发现中微子震荡现象之后,无中微子双β衰变实验被认为是迄今为止探索中微子性质最有前途的方法。无中微子双β衰变是科学家猜想没有中微子产生的双β衰变过程。该过程能够证明中微子是马约拉纳费米子,打破轻子数守恒定律,测量中微子质量,并探索新的质量产生机制,对高能物理发展具有重大意义。科学家估计某些元素无中微子双β衰变半衰期下限达到1027年,探测非常困难,要求探测器具有超低本底、高能量分辨率、大量统计事例等特点。目前国际上已经开展了GERDA、CUORE、NEXT、EXO-200等多个探测实验,但还没有明确证实无中微子双β衰变的实验证据。
  PandaⅩ-Ⅲ实验将是我国首次开展的大型无中微子双β衰变实验,采用高压气Xe时间投影室技术方案和Microbulk Micromegas探测器进行端盖读出。实验位于世界上最深的锦屏地下实验室,有望在国际类似探测实验的竞争当中取得一定优势。本论文的主要工作是为PandaⅩ-Ⅲ实验设计一套读出电子学系统方案、后端电子学实现以及系统集成和联测。
  论文首先对PandaⅩ-Ⅲ实验时间投影室以及Micromegas探测器特点进行分析,确定读出电子学的指标需求。实验要求读出电子学满足10496路阳极信号读出,82路丝网信号读出,10Hz事例率,系统触发同步以及若干前端模拟性能指标的要求。由于PandaⅩ-Ⅲ实验具有通道数目多、实验可扩展等特点,本论文结合对国际上大型基于微结构气体探测器读出实验电子学的调研,进行了详细的系统读出方案设计分析,设计了一套通用可扩展读出电子学方案。该读出电子学分为前端和后端两大部分,前端与后端均采用可扩展读出结构。前端电子学模块使用ASIC+ADC+FPGA的读出方式,并通过自定义协议光纤链路将数字信号传输到后端。后端电子学将多块前端电子学模块数据汇总,通过千兆以太网与PC互连。最后,论文按照此电子学方案确定了PandaⅩ-Ⅲ实验读出电子学系统,包括:Micromegas阳极信号读出的前端读出板,Micromegas丝网信号读出的丝网读出板,数据汇总处理的数据获取板以及时钟触发分发的时钟触发板。
  在确定读出电子学系统方案后,论文对每个电子学模块设计实现进行了详细介绍。为了研究读出方案可行性以及配合原型时间投影室的测试工作,我们首先设计了一套原型读出电子学系统。该原型系统包括1块数据获取板,4块前端读出板和1块丝网读出板,光纤传输基于FPGA内嵌高速串行收发器来实现。经过电子学测试,前端电子学模拟性能指标满足了实验要求,光纤链路稳定可靠,触发功能正常,系统触发率能够达到280Hz,数据获取板工作正常,以太网传输速率能够达到650Mbps。测试结果表明原型读出电子学系统满足设计需求,验证了读出方案的可行性。
  接下来,论文开展了工程验证电子学设计,要求1块数据获取板读出21块前端读出板信号。此方案使用基于普通IO管脚自定义协议的光纤传输方案,并设计一块时钟触发板实现系统时钟触发分发。经过测试光纤链路稳定可靠,时钟触发分发正常,系统工作正常,符合PandaⅩ-Ⅲ实验工程读出要求。
  最后,论文使用读出电子学系统与探测器进行了联调测试。首先原型读出电子学系统与原型时间投影室进行联调测试,得到了初步能谱和成像测试结果,验证了读出电子学方案用于PandaⅩ-Ⅲ实验读出的可行性。为了验证兼容性的设计理念,读出系统与多种微结构气体探测器模块进行联测,并在东莞散裂中子源束流监测当中使用,还配合SiPIN探测器前端电子学进行读出测试。读出系统长时间连续稳定工作,符合通用性设计目标。
  论文根据PandaⅩ-Ⅲ实验的特点设计了通用可扩展读出电子学系统方案,实现了一套原型读出电子学系统,并与原型时间投影室联调测试,证明该系统能够满足实验读出需求。论文还开展工程验证电子学设计,系统工作可靠,符合PandaⅩ-Ⅲ实验工程读出要求,为工程实现奠定了基础。本论文最后对本课题未来工作重点以及工程项目实施提供了建议。
[博士论文] 王奇
物理电子学 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:核数据是核结构数据及核反应数据的统称。其中核结构数据用于描述单个核素的基本性质,核反应数据用于描述入射粒子与原子核的相互作用。核数据是所有与原子核研究及应用相关的最基本数据。中子核数据是核数据的重要组成部分,其在核能开发、核废料处理、核医学、国防建设、原子核物理研究等领域具有重要作用。
  我国的核数据测量工作开始于二十世纪六十年代,经过几十年的发展,我国已建立起了《中国评价核数据库》,很好地服务了我国核工业的发展,具备了开展实验测量、理论计算模拟及评价的完整的核数据生产能力。随着国民经济的发展,核数据的应用领域不断扩展,新型反应堆、受控核聚变、核医学、基础物理研究以及航天探测等应用对核数据的精度、核素种类及能区都提出了新的要求。为了促进我国在核数据领域的发展,满足新时期对核数据测量的要求,中国散裂中子源(CSNS)在质子束流反角方向兴建了反角白光中子源(简称Back-n)用于核数据测量。
  为了满足多样化的核数据测量要求,Back-n上规划了多种谱仪。每种谱仪的物理目标不同,因而对读出电子学的要求也就不相同。为满足核数据测量精细化的要求,同时简化电子学系统的研制,本论文提出了一种具有极强的可扩展性和灵活性,能够适用于Back-n上多数谱仪的读出电子学方案。在该方案中采用模拟调理电路与数字化电路分离设计的方法,通过一块专用的信号调理模块调理各探测器的输出信号,然后由共用的高速高精度波形数字化模块获取探测器输出的全波形数据。
  在已有的采用波形数字化技术的核数据测量实验中,读出电子学通常采用传统模拟硬件触发或者完全软件触发的触发判选方式。模拟触发方案实现结构复杂、灵活性差,难以适应谱仪的多样性;全软件触发方案需要将数据全部传输至软件,数据传输、处理的成本很高,实时性较差。本论文针对Back-n上多样化的谱仪,研究与之相适应的高速、高精度读出电子学,在获取的全波形数据的基础之上,充分利用FPGA的实时性、灵活性及并行处理能力实时提取波形信息。进一步,本论文利用PXIe平台丰富的背板总线资源及高速串行通信技术,解决了系统触发信息的汇聚及分发问题,构建了灵活、可重构的多级全数字化触发系统,以降低因多通道高速、高精度采样所带来的数据采集、传输和处理压力,在提高核数据测量精确度的同时,也提高系统触发率水平和触发算法的灵活性。此外,本论文对将机器学习方法应用于全数字触发系统进行了探索性研究,表明了该方法的可行性,丰富了触发判选的技术方法。
[硕士论文] 陈治鹏
凝聚态物理 宁夏大学 2018(学位年度)
摘要:论文采用以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法计算了γ-TiAl、正交结构TiAl2和DO22型TiAl3三种不同结构的TiAl金属间化合物相在Nb替位Ti或Al掺杂情况下的电子结构和力学性能。通过对计算所得的金属原子Nb替位掺杂三种不同结构的TiAl金属间化合物的电子结构和力学性能的分析,揭示Nb替位掺杂Ti或Al对不同结构的TiAl金属间化合物延展性的影响,为相关实验研究提供理论指导,计算结果表明:
  (1)Nb替位Ti或Al掺杂γ-TiAl、正交结构TiAl2和DO22型TiAl3三种不同结构的TiAl金属间化合物相后改变了相应体系结构的对称性。
  (2)掺杂后体系形成能的结果表明:对于γ-TiAl和DO22型TiAl3,Nb更容易占据Ti的位置形成稳定的结构,而对于正交结构的TiAl2,Nb则更容易占据Al原子的位置形成稳定的结构,形成能随着掺杂浓度的增加而提高。
  (3)Nb掺杂削弱了Ti与Al之间的共价结合,增强了他们之间的金属结合,各掺杂体系均具有金属导电性,这有利于改善γ-TiAl、正交结构TiAl2和DO22型TiAl3金属间化合物的室温脆性,提高体系的延展性,Nb替代Al掺杂相比替代Ti掺杂能更好地提高体系的延展性,而Nb替代Ti掺杂能更好地提高材料的断裂强度。
  (4)电子态密度的计算表明:Nb替代Al掺杂明显地增加了费米能级处的电子态密度,而费米能级处的电子态密度升高有利于抑制合金的脆性、改善其延性,这是Nb掺杂可以提高γ-TiAl、正交结构TiAl2和DO22型TiAl3三种不同结构的TiAl金属间化合物相延展性的本质原因。
[硕士论文] 姜岚
物理电子学 浙江师范大学 2018(学位年度)
摘要:精密测量仪器是精密制造业的前提,而光栅测量系统是微纳米测量的一个研究热点,其采取非接触光学测量的方式,综合机械学、光学、微电子学等多种新型技术,将物体的位移变化量转化为对应的电信号变化量。具有精度高、适用性广、非接触、无磨损等优点。因为成熟的微小化技术,激光发射器、聚焦光路、光电探测器等硬件,都集成在DVD读取头内部,因此DVD读取头非常适合应用在非接触测量、光学测量。且基于DVD读取头的位移测量系统具有高精度、非接触、成本低廉、体积小等优点,非常适合进行超精密检测。
  首先,本文将DVD读取头与光栅结合,设计了一套基于DVD读取头的新型高精度光栅测量系统。在分析DVD读取头的内部构造,工作原理和聚焦原理基础上,利用DVD读取头的误差聚焦信号与聚焦面的位移量在一定范围内线性相关的工作特性,设计并搭建了一套基于DVD读取头的新型高精度光栅测量系统,并对其进行了位移测量实验。
  其次,建立了基于NAPSO-SVM的动态测量误差预测模型,并对实际系统的动态测量误差进行了建模预测。在研究并比较传统的动态测量误差建模预测方法基础上,针对支持向量机的参数难以确定且传统粒子群优化算法易陷入局部最优的问题,将基于自然选择策略和模拟退火机制的改进粒子群算法(NAPSO)用于支持向量机参数的整定,建立了NAPSO-SVM的预测模型,并对系统动态测量误差数据进行预测。预测结果与PSO(粒子群)-SVM和GSO(萤火虫)-SVM进行对比,结果表明本文提出的NAPSO-SVM模型的预测结果优于其余两种预测模型。该模型为实际高精度光栅传感系统的误差修正提供了理论依据。
  最后,将NAPSO-SVM模型的预测结果用于本测量系统的动态测量误差修正,提高了系统测量的精度。对修正结果和系统的测量结果进行比较并进行简要分析,证明了本文提出的NAPSO-SVM模型的预测及修正方法的有效性。
[硕士论文] 王宝杰
电子科学与技术;电磁场与微波技术 东南大学 2018(学位年度)
摘要:毫米波介质材料已广泛应用于卫星通信、军事航空航天、精确制导等行业各领域,且经常需要工作在变温环境下。对于如高速飞行的航天飞行器上的天线罩等介质材料,需要经历常温至上千摄氏度的温度环境,材料介电特性会发生剧烈的变化,这直接关系到电子设备及整机的性能及可靠性。因此在设计研发阶段,需要了解并控制介电特性随频率和温度变化产生的变化对设备性能的影响。复介电常数是表征材料介电特性的重要参量,在毫米波波段设计一套完善的复介电常数的超高温测量系统尤为必要并具有很高的工程应用价值。
  目前毫米波波段适用的复介电常数高温测试的主流方法-传统开放腔法和自由空间法均有一定的局限性与不足。传统开放腔法测量精度高,但仅适用于测量低损耗材料,且因金属氧化等问题导致在大气环境下的测量温度很难突破1200℃;自由空间法因材料非接触的特点可实现高于1200℃的超高温测试,但仅适用于测量高损材料,且精度有限。
  因此目前没有任何一套测试系统能实现在大气环境下测温高达1600℃且同时适用于低损耗材料和高损耗材料复介电常数测量。本文设计的复用型椭球镜/腔超高温测试方案能实现这一目标,系统由椭球镜测量系统(基于自由空间法)和椭球腔测量系统(基于开放腔法)复用组成,兼备了两种方法的优点,也弥补了各自的不足,为相互孤立的各测量方法之间建立了联系,填补了目前没有一套系统能同时适用于低损和高损材料超高温高精度测量的空白。
  本文首先为该复用型系统建立了完善的测试理论。从椭球腔空腔及介质加载腔腔内场分布表达式出发,推导出用于反演相对介电常数的超越方程和损耗正切的公式,结合椭球镜系统测试基于的自由空间法,组成了完善的测试理论。
  接着在测试理论的指导下,通过算法优化选取了合适的高斯参数并完成了椭球反射镜和激励结构的设计,进而完成了常温系统的设计;然后利用全波分析软件CST对常温系统进行了验证,最终证明了测试理论与系统设计思路的正确性,验证了系统用于相对介电常数测量的可行性。
  最后为进行实物测试,本文先后为硬件系统设计了两套实物方案并进行了较为详尽的容差分析,考虑加工成本等因素,最终方案二将用于实物加工。
  本文完成了从理论推导到系统设计、设计验证、硬件实物设计及容差分析的全过程。由于客观因素限制,最后未来得及进行实物及其高温测试,但本文重点论证了该复用型椭球镜/腔系统的测试方案能用于在大气环境下实现高于1200℃超高温测量且同时适用于低损和高损材料测量的可行性。
[硕士论文] 夏天雨
电子与通信工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:太赫兹波具有优良的穿透性、方向性以及宽频带,在国防、安检成像、超高速无线通信、生物医学和空间探测等领域具有潜在应用。近年来,半导体材料技术和微纳加工工艺的飞速发展,带动了稳定太赫兹发射源和探测器技术的进步,使得太赫兹波的受到了越来越多的关注,相关的太赫兹波传输控制器件也得到了飞速的发展。
  液晶通过外加电场或磁场的激励,可使自身的双折射率发生变化,液晶在太赫兹波段仍具有相当的介电各向异性,使其在太赫兹领域有着广泛的应用前景。基于液晶的滤波器、移相器、反射阵列天线等液晶电控调制器件成为研究热点之一。本文开展了基于液晶的太赫兹电控可调器件的研究与器件制作工作,构建了用于太赫兹传输器件S参数测试的实验平台,测试了器件的在太赫兹频段的传输特性。主要研究内容如下:
  1.构建适用于太赫兹传输器件的实验平台,基于太赫兹矢量网络分析仪及ABS材料完成了S参数测量平台的搭建,同时采用LabVIEW设计了一套远程控制测量系统,可用于器件的反射、透射和多角度入射等情况下测试。
  2.开展了太赫兹反射式移相器的研究工作,介绍了反射阵列移相单元的移相原理和设计方法,设计出了双偶极子反射移相器单元结构,采用光刻及湿刻蚀法完成了30×30的移相器阵列的加工。灌装向列型液晶材料,在330GHz实现331°的相移。为了提高液晶的取向度,增大器件移相范围,提出一种辅助电极实现偏置电压加载。
  3.开展了基于液晶的太赫兹可调谐超材料吸波体的研究与设计工作,在4×4cm2的石英衬底上完成了25×25单元结构的超材料吸波体的制作,实验结果表明通过调整液晶层的偏置电压,谐振频率可以从110.9GHz移动到103.8GHz,频率可调率达到6.4%,吸收率均高于90%。
[硕士论文] 王奎元
物理电子学 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:这些年来,超表面器件已经成为学术研究的一个重要研究方向和热点。通常情况下,大多数超表面器件是由金属和介质结构组成,但是金属和介质超表面较差的动态调控性却限制了它们在光学方面的发展和应用。石墨烯作为一种由碳原子构成的六角形蜂巢晶格结构的二维材料不仅有优异的光学、电学、力学特性,并且在太赫兹波段具有如金属般负的介电常数,可以在太赫兹波段支持表面等离子体共振。另一方面,石墨烯的光学响应是由石墨烯的表面电导率所决定的,我们可以利用化学掺杂或者栅压调控的方法调节石墨烯的表面电导率。所以石墨烯逐渐成为构成新型可调控超表面器件的较佳选择。本文根据石墨烯和超表面相关知识和理论基础并借助有限元数值仿真方法重点研究基于石墨烯超表面的太赫兹器件的相关特性及应用。具体研究内容如下:
  (1)设计了一种可以灵活调控太赫兹波的石墨烯超表面结构。石墨烯条带和入射光之间相互作用产生等离子体共振。在石墨烯的等离子体共振和介质层中提供的法布里珀罗共振共同作用下,通过改变石墨烯的化学势实现了对反射光接近2π的相位控制。在此基础上,我们通过排布一个合适的相位梯度,实现了一个可以调控偏转角的异常反射器。另一方面,我们利用连续的相位调制实现了一个聚焦超透镜,这种透镜具有较宽的工作带宽,小于半个波长的焦点直径和较大的数值孔径,具有非常优越的性能。并且这种石墨烯超透镜通过改变电压的方式就可以灵活的调控工作频率和焦距,具有非常灵活的调控性。
  (2)设计了一种基于堆叠石墨烯超表面的可灵活调控双带宽透镜。通过分析发现石墨烯在非共振点处与入射光之间的相互作用很弱,这使得石墨烯在非共振点处相当于一种透明材料,对入射光几乎没有影响。因此,我们提出了堆叠结构的石墨烯超表面。上下两层石墨烯都可以对不同频率的入射光产生单独的响应,实现对不同频率的入射光实现接近2π的相位调控。我们利用连续相位调制实现了一个工作频率为3.5THz和7.0THz的双带宽可调控的聚焦超透镜。并且这种透镜可以利用改变栅压的方式对石墨烯的化学势进行调节,实现焦距的变化和焦点的左右移动,具有优越的性能和灵活的调控性。
[硕士论文] 李逸之
电子科学与技术;电磁场与微波技术 东南大学 2018(学位年度)
摘要:插值分解(ID)是利用低秩矩阵的压缩形式来降低电磁场矩量法矩阵存储需求并加速矩阵-向量积计算的一种算法。利用ID,可将远场矩阵块表示为骨架矩阵与插值矩阵相乘的形式,而选取骨架基函数(即骨架化)只需在本地进行。借助八叉树数据结构,利用类似于快速算法MLFMA的框架,我们将ID发展为一个多层版本(MLID),进一步提高了压缩效率,并将MLID与组合场积分方程(CFIE)结合,用于求解完纯导体的电磁散射。在较粗层,MLID做骨架化的效率比较低。为了克服这个弱点,让MLFMA替代MLID承担较高层的骨架矩阵-向量积计算,从而得到一个混合算法MLID-FMA。MLID的上行过程完成后,中间层得到的输入骨架向量经过MLFMA的骨架矩阵-向量积操作得到与粗层相关的输出骨架向量,然后,任务再次转交给MLID来执行下行过程,最后得到完整的输出向量。本文对混合算法MLID-FMA的计算机程序实现也进行了深入研究。快速算法与普通矩量法的不同主要在于系统矩阵的存储方案和矩阵-向量积的执行方案,本文利用C++语言的动态多态特性,将基类中与矩阵-向量积有关的函数都声明为纯虚函数,让子类去实现它们。这样,我们获得了一个通用编程框架,它抽象化矩量法。本文中构建的或使用的算法都是在这个通用框架下开发完成的。本文的具体工作如下:
  1.提出了多层插值分解算法MLID的构建方法和实现方案,并用数值算例验证了算法的计算效率和数值稳定性。
  2.提出了MLFMA与MLID的混合算法MLID-FMA,让MLFMA承担高层骨架矩阵-向量积计算,而MLID承担低层骨架矩阵-向量积计算,这样的算法同时发挥了MLFMA和MLID的优势。此外,利用OpenMP实现了MoM、MLFMA、MLID以及MLID-FMA的并行加速。
  3.提出了改善程序运行效率的一些策略;借助C++语言的动态多态特性和模板机制,设计了矩量法和快速算法的通用程序框架。
[硕士论文] 赵冲
电子与通信工程 天津工业大学 2018(学位年度)
摘要:光在周期性光学结构内的传播行为成为近年来非线性光学领域的研究热点。线性光波在周期光学结构内的传播能产生布洛赫波带和禁止的带隙结构,而对于光周期结构内非线性光波的传播,当光波自身的非线性效应与离散衍射相平衡时能产生带隙孤子。带隙孤子的一系列特性使其在光波导制备、谐波产生、光通信以及光信息处理等方面有较高研究价值。
  本文用数值计算方法详细研究了光折变晶体中表面带隙孤子、高阶带隙孤子与扭曲孤子的存在与稳定性。对于金属和自散焦周期性介质界面的表面带隙孤子,其只存在于超过格子深度临界值的有限带隙内,在第一带隙和第二带隙内存在包含稳定和不稳定区域。在第一带隙内,对给定的格子深度,当传播常数增加时,表面带隙孤子的能流变小,振荡拖尾变短。研究发现不稳定的表面带隙孤子在传输中向横轴正向偏转,偏转角度随着格子深度的增加而逐渐减小。第二带隙内,表面带隙孤子有较多的拖尾振荡,不稳定区域随着传播常数的增加而逐渐减小。对于自聚焦中心对称光折变晶体中的带隙孤子,其存在于第一带隙,存在范围随着格子深度的增加而增加,并且有一至六阶的带隙孤子序列形式。带隙孤子的能流随着传播常数的增加而增加,在传播常数较小时,求得的高阶带隙孤子各瓣强度均相同,当传播常数靠近第一带隙边缘时,求得的带隙孤子中心瓣强度弱于边瓣。在自散焦中心对称光折变晶体中,求得的带隙孤子的各瓣幅值是相同的,并且,当传播常数较小时带隙孤子含有较多的幅度振荡,随着传播常数的增加,幅度振荡也减少了。另外,扭曲孤子也在中心对称光折变晶体中被发现,在自聚焦中心光折变晶体中,扭曲孤子存在于半无穷带隙和第一带隙中,并且仅在第一带隙中稳定存在,存在区域随着格子深度的增加而增加。阶数高的扭曲孤子占据更多的格子,对应的能流值也更高。而在自散焦中心对称光折变晶体中,求得的各阶扭曲孤子均为不稳定状态。
[硕士论文] 葸鑫
计算机技术 兰州交通大学 2017(学位年度)
摘要:伴随科学技术的迅猛发展,无线电技术逐步应用于社会的各个方面,尤其是举办各类国内或国际的大型政治、经济、体育赛事和文化交流活动,涉及到通信、安保和媒体转播等多种无线电业务,并且种类多、数量大、需求紧急,使用过程中不允许有任何干扰,重大活动的频谱管理已经成为我国频管部门的一项重要工作。由于传统的管理模式通过手工填写各种表格完成活动现场的频谱、台站和设备的管理,缺乏有效的信息系统支撑,在许可审批、应急干扰处置等各方面工作中难以实现快速事务流转和信息交流共享,已经远远不能适应现代重大活动的业务量需求。因此我们研发一套重大活动频谱管理系统,能够提高频谱保障效率和保障水平。
  本文首先从电磁环境的构成、电磁频谱资源的特性和电磁环境的特征参数等方面出发,分析电磁环境中可能存在的干扰途径,设计确定干扰分析模型,为研发重大活动频谱管理系统平台提供理论支撑;其次在调研了重大活动频谱管理系统总体需求基础上设计了重大活动精细化频谱资源管理的流程和框架,并对频谱资源管理、用频管理以及监测管理等核心模块进行了详细的分析设计;再次根据重大活动中用频需求采集和汇总、频率保护、资源维护、监测数据管理、用频需求分析与指配、函件生成等功能设计了数据库和内部、外部接口;最后从系统的体系结构和业务流程等方面确定了软件的设计方案,根据频谱资源、用频需求、监测数据管理、频率指配、函件管理、值班管理和常用工具等功能完成了重大活动频谱管理系统软件设计。
  通过张掖国际通用航空大会的实际检验,本文设计的系统提高了在重大活动中频率管理工作效率,解决了之前人工进行频率分析和频率二次指配容易出错的问题,提高了用频分析处理能力,为频率管理部门提供了充分、可靠的依据。通过该系统的运用,把职能部门能够从繁杂的工作中解脱出来,从而有时间和精力从事创造性劳动和进行分析工作,提高了频率规划管理水平,进一步提高了服务水平。本次设计能为频管部门规划频率资源提供依据,提高频管部门在重大活动中频率指配的效率,确保重大活动顺利进行。
[博士论文] 李林茜
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:时域离散伽略金(Discontinuous Galerkin Time Domain, DGTD)方法是基于时域体积元发展起来的一种兼备时域有限元(Finite Element Time Domain,FETD)网格剖分灵活性和时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)显式迭代特点的算法。在多尺度问题、波导不连续问题等方面广泛的应用前景使得该算法成为近年来计算电磁学界的热点之一。本文就二维横磁波(Transverse Magnetic,TM)波情形DGTD数值方法的诸多关键问题展开了研究,包括:DGTD方法迭代计算式的获得、单元间的数值通量数据交互、吸收边界条件在 DGTD中的实现方案、平面波引入和时谐场近远场外推等。另外,就高阶叠层型基函数在 DGTD算法当中的应用展开了深入研究。还给出了一种适用于三种常见色散介质模型的 DGTD处理方案,并将该算法应用于尘埃等离子体相关电磁问题的分析。论文的具体研究内容和主要创新点如下:
  (1)给出了二维情形 DGTD方法若干关键步骤的具体实现方案并进行了验证。深入研究了常见三种数值通量(中心通量、迎风通量和补偿通量)及其在 DGTD中的应用。将数值通量运用在单元边界上用来场量交换,得到半离散DG矩阵方程,给出矩阵单元的积分表达式。给出了二维TM波情形常规介质DGTD蛙跳式时域步进公式。根据等效原理和慧更斯原理,在总场-散射场边界处引入平面波;在外推边界处计算等效线电流和线磁流,进而将时谐场近场外推得到远区场。
  (2)系统的研究了 DGTD中吸收边界条件,包括一阶 Silver-Muller吸收边界(Silver Muller, Absorbing boundary condition,SM-ABC)、非共形单轴各向异性完全匹配层(Uniaxial anisotropic Perfectly Matched Layer,UPML)吸收边界和共形UPML吸收边界等。首先,结合数值通量给出DGTD中SM-ABC的一级迭代和多级迭代计算公式,实现了DGTD中SM-ABC的截断计算。从单轴各向异性完全匹配层(Uniaxial anisotropic Perfectly Matched Layer,UPML)频域波动方程出发,提出了一种非共形情形含有辅助变量B和D的UPML在DGTD计算边界处截断方案,推导了时域迭代公式;另外,给出一种含有辅助变量P的UPML在DGTD中的实现过程和时域步进公式。仿真结果表明两种不同的实现路径都能对外向行波进行完美吸收。从正交曲线坐标系下 DGTD方程出发,结合不同坐标系下参数转换理论,给出了圆柱形和同焦距椭圆柱形UPML在DGTD中的实现方案和具体时域迭代公式;提出一种工程上容易实现的轴向等厚椭圆柱形 UPML方案并给出了实现过程。仿真结果表明三种共形 UPML对外向行波都具有良好的吸收效果,具体计算时可根据目标形状选择不同方式吸收层来减小计算未知量提高计算效率。
  (3)给出三角形单元标量高阶标准基函数和高阶叠层基函数构造过程,实现了基于高阶叠层基函数的二维 DGTD计算。从拉格朗日函数定义出发给出二维三角形单元线性基函数、二次型基函数和三次型基函数。将一维高阶叠层基函数做为底层线性基函数,在此基础上在二维三角形单元中构造更高层基函数。给出了从一阶到三阶叠层基函数构成的DGTD中矩阵单元的表达式以及在单元中的积分结果。给出DGTD中不同阶基函数对于计算稳定性的经验公式。讨论了不同阶基函数在 DGTD计算中对内存的需求和计算精度的影响。
  (4)提出了处理常见三种色散介质模型电磁问题的移位算子时域非连续伽略金法(Shift Operator-Discontinuous Galerkin Time Domain,SO-DGTD)并将其应用于尘埃等离子中电波传输问题的分析。从含有电位移矢量的Maxwell方程组出发,经过加权余量和基函数展开得到矩阵方程,在时间轴上离散得到含有电位移矢量的 DGTD时域步进公式。另一方面,考虑到常见色散介质模型(德拜模型、德鲁模型、洛伦兹模型)介电系数可以写成jω为自变量的有理分式形式,运用时频转换关系此处为公式省略…,得到时域本构关系。再引入时域移位算子zt代替时间微分算子处理时域本构关系,进而导出色散介质离散时域递推计算式。联合上一步方程,实现色散介质SO-DGTD计算。以弱电离尘埃等离子体电磁问题为例,在多物理场商业软件COMSOL建模基础上,运用SO-DGTD方法计算了电磁波在鞘套中的传播。分析了尘埃浓度和尘埃粒子半径对电波传输的影响,比较了飞行速度和高度变化情形下鞘套的电波传输特性。
[博士论文] 曹洪龙
信号与信息处理 苏州大学 2017(学位年度)
摘要:电磁波应用的不断拓展给人们生产、生活带来便利的同时也存在影响环境乃至生物的隐患。而工作在微波频段的移动通信的广泛应用更使人们对微波生物效应的关注提高到一个新的高度。微波生物效应可以分为微波热效应和非热效应。鉴于微波辐射达到一定的辐射剂量会产生明显的热效应,业界提出了微波辐射比吸收率(SAR)标准,用以确保微波使用的安全性。而长期低SAR微波辐射是否会产生微波生物非热效应(如影响睡眠、破坏生物节律)等问题,目前也得到学术界的广泛关注,但现有的研究结果并未得到一致结论。究其原因,主要是感兴趣区域微波辐射缺乏均匀性和辐射剂量评价和控制系统缺乏科学性。
  针对上述情况,本文主要进行了低SAR微波辐射理论研究与系统设计工作,提高感兴趣区域微波辐射的均匀性及辐射剂量评价和控制系统的科学性。主要开展了感兴趣区域电场均匀性分析和微波辐射动物SAR分析等研究,导出了感兴趣区域场均匀性约束条件和临界条件,建立了高分辨率三维动物模型SAR分析数据库,导出了低SAR微波辐射剂量控制算法,设计了可以自动控制微波辐射时间段和光照时间的微波辐射系统。利用设计的微波辐射系统开展了1800MHz低SAR微波辐射动物实验,通过自行设计的基于余弦分析法和显著性检验的余弦分析软件处理实验数据,发现1800MHz低SAR微波辐射影响了生物的昼夜节律。本研究导出了感兴趣区域场均匀性临界条件和低SAR剂量控制算法,为微波辐射生物非热效应研究构建低SAR条件提供了一套可行的技术理论。
  本文的主要研究工作与贡献主要体现在以下几个方面:
  1.为提高实验中感兴趣区域场均匀性,本文基于IEC61000-4-20标准和口径场法开展了微波辐射远场中感兴趣区域(ROI)场均匀性理论研究,并导出了ROI场均匀性临界条件。
  (1)引入IEC61000-4-20:2010均匀性测试方法导出ROI场均匀性约束条件,并利用AFM研究矩形口径天线、角锥喇叭天线和圆极化喇叭天线等远场中ROI的场分布,实现了基于IEC61000-4-20:2010标准评估ROI场均匀性的数值算法,从而将场均匀性评估从测试阶段提前到设计阶段,提高实验系统设计的质量和效率。
  (2)基于IEC61000-4-20标准的感兴趣区域微波辐射场均匀性理论,导出了ROI场均匀性临界条件,为微波辐射实验系统设计提供了参考标准。经实测,参考ROI场均匀性临界条件设置的ROI电场均匀性达到IEC61000-4-20:2010标准要求。
  2.为提高微波辐射剂量分析和控制系统的科学性,在微波辐射均匀性理论的基础上提出了基于高分辨率三维动物模型的SAR分析方法并导出了低SAR微波辐射剂量控制算法,构建了“动物模型-辐射频率-SAR”映射关系的SAR分析数据库,设计并实现了低SAR微波辐射系统。
  (1)引入高分辨率三维动物模型,建立一定频率范围内单频1V/m微波辐射动物模型全身及其组织器官的SAR分析数据库。
  (2)利用高分辨率三维动物模型SAR分析数据库分析微波辐射实验动物的SAR值,并导出低SAR剂量控制算法。
  (3)根据感兴趣区域场均匀性理论,利用高分辨率三维动物模型SAR分析方法和低SAR剂量控制算法设计了一种可以自动控制微波信号输出时间段和光照条件的低SAR微波辐射系统,可用于开展低SAR微波辐射生物对其昼夜节律效应方面的微波非热效应研究。
  3.为探究上述设计的微波辐射系统在低SAR微波非热效应研究中的可行性,开展了1800MHz低SAR微波辐射对生物抗氧化标志物昼夜节律影响的实验研究,采用高分辨率三维动物模型进行SAR分析和低SAR剂量控制算法控制实验中的辐射剂量使之满足低SAR条件。利用自行设计WEB共享型昼夜节律分析软件对采集的实验数据进行昼夜节律分析和显著性检验后,发现了1800MHz低SAR微波辐射对动物昼夜节律的副效应。
[博士论文] 孙继承
空间物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:磁声波是地球辐射带中重要的电磁波动,其频率处于几赫兹到几百赫兹之间,由于它经常在赤道平面附近被卫星观测到,所以磁声波又常被称为赤道噪声。磁声波在辐射带电子散射和加速方面发挥重要的影响。本文主要关注辐射带中磁声波的激发和演化的物理过程,利用线性理论和一维粒子模拟程序研究了环状分布质子激发磁声波的波谱及磁声波对背景冷等离子体的能化,同时还研究了磁声波的波波相互作用。另外,利用二维的粒子模拟程序研究了地球偶极磁场中磁声波的激发与传播。本文的主要结论如下:
  1.连续谱磁声波的形成机制
  利用线性理论,研究了环状分布质子激发的垂直传播磁声波的波谱特征。发现,环状分布质子可以激发分立谱和连续谱的磁声波,连续谱的磁声波是由于相邻的两支分立谱重叠导致的。给出了磁声波产生分立谱和连续谱的判据,当磁声波的增长率较小γ<0.5Ωh时,磁声波的波谱为分立谱;而对于磁声波增长率大于或相当于0.5Ωh时,产生的磁声波的波谱为连续谱。利用一维粒子模拟程序我们证实了环状分布质子可以激发分立谱和连续谱的垂直传播磁声波。
  2.磁声波激发的参量研究
  利用线性理论和一维粒子模拟程序,对环状分布质子激发垂直传播磁声波的物理过程进行了参量研究。发现,当质量比和光速阿尔芬速度比很小时,激发的磁声波波谱为很少的几个分立的波模。随着质量比和光速阿尔芬速度比增大,低混杂频率增大,这将导致激发的磁声波的波模数量和频率增加,同时增长率也会随之增加。当质量比和光速阿尔芬速度比足够大时,磁声波的波谱会由于相邻波模的重叠变为连续谱。环状分布质子密度的增加,也可以使激发的磁声波由分立谱变为连续谱。环状分布质子速度的增加会导致磁声波的频率范围变宽,波模数量增多,但是磁声波的增长率会变低。
  3.磁声波与背景等离子体的相互作用
  利用一维的粒子模拟程序,研究了不同传播角度的磁声波的波谱特征以及背景等离子体的能化。发现随着传播角度的减小,磁声波的波谱会变宽,而且磁声波的频率范围会超过低混杂频率。对于严格垂直的磁声波,在平行方向,背景电子和背景质子均没有能化;而在垂直方向,背景等离子体的能化非常显著,背景质子的能化是由于非磁化加速导致的,而背景电子的能化是由于电场漂移导致的。对于有限平行波数的磁声波,会在平行方向出现不可忽略的电场,这导致在平行方向背景电子被非常有效的能化。在垂直方向上,背景电子也会由于电场漂移被有效的能化。而对于背景质子,磁声波只能在垂直方向对其加热,而在平行方向,其能量没有明显变化。
  4.磁声波的波波相互作用
  利用一维的粒子模拟程序,研究了磁声波的波波相互作用问题。粒子模拟得到的环状分布质子激发的磁声波会出现一些线性理论无法给出的低频的磁声波波模。由于磁声波的频率通常处在质子回旋频率的整数倍,而且在半低混杂频率以下的磁声波色散曲线近似为直线,所以磁声波的波模之间很容易满足波波相互作用条件,诊断了模拟得到的磁声波的色散关系和双相干系数,发现低频的磁声波是由于环状分布质子激发的较高频率的磁声波通过波波相互作用激发的。
  5.偶极磁场中的磁声波
  利用二维偶极坐标系粒子模拟程序,研究了地球偶极磁场中磁声波的激发与演化。模拟中包含三种等离子体成分,背景的冷电子和冷质子分布在整个模拟平面,而环状分布质子只分布在模拟中心附近的局部区域。发现环状分布质子会在局地激发磁声波,磁声波的传播方向几乎是垂直于背景磁场的。磁声波在沿着径向传播到环状分布质子边界时会发生反射,部分磁声波被反射后向源区传播,而另一部分磁声波会穿过环状分布质子边界继续向外传播。与此同时,磁声波会与背景冷等离子体发生相互作用,背景的冷等离子体会被能化,而磁声波会被耗散。因此,部分离开源区的磁声波很快被背景等离子体耗散。环状分布质子边界的反射和背景等离子体的耗散,导致了磁声波被限制在环状分布质子源区附近。
[硕士论文] 陆振君
电子科学与技术;电路与系统 南京师范大学 2017(学位年度)
摘要:无线能量传输中的磁耦合共振技术因其具有辐射功率小,传输距离远和效率高等优点,在电动汽车、便携式移动设备、医疗器械、水下潜艇等领域有着巨大应用前景。然而,目前最大的问题是,两个相同谐振频率的线圈通过近场耦合传递能量时存在一个临界耦合系数,当线圈间的耦合系数小于临界耦合系数时,系统处于“欠耦合区”,没有发生频率分裂现象,负载功率增大但传输效率很低;当线圈间的耦合系数大于临界耦合系数时,系统处于“过耦合区”,传输效率很高但负载功率很小,还伴随有频率分裂现象。为了解决上述问题,本文以传统的两线圈磁耦合共振系统为例,提出了辅助线圈加载技术,即在发射线圈与接收线圈之间增加一个辅助线圈,辅助线圈的自谐振频率与其他线圈的自谐振频率不一样。
  首先,本文介绍了无线能量传输的研究背景以及国内外的研究现状。
  其次,本文分别应用耦合模理论,集中参数的等效电路法以及散射参量分析法对无线传输系统进行建模分析,推导出各个模型下系统的负载功率和传输效率的表达式。通过对上述方法的分析了解,为本文后续的深入研究打下了理论基础。
  再次,本文主要研究了辅助线圈加载技术对于系统电压增益的影响。通过对加载辅助线圈系统等效电路的分析,推导出系统的电压增益的表达式以及如何设置辅助线圈与收发线圈之间的互感才能有效地提高系统电压增益。仿真分析与实测结果表明,辅助线圈能够有效改善频率分裂现象并且在“过耦合区”通过电压增益极大值追踪法可以使电压增益稳定在0.45左右。
  最后,本文还研究了辅助线圈加载技术对系统传输效率的影响。与电压增益分析方法类似,理论推导出辅助线圈与收发线圈之间的最优互感MA_opt,仿真结果表明,加入辅助线圈后,整个系统传输效率能够达到80%以上。和传统的两线圈磁耦合共振系统相比,当收发线圈之间的传输距离为10cm和15cm时(即收发线圈相距比较远的时候),传输效率能够提高30%左右。
[博士论文] 尹名初
机械电子工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:面对日益复杂的电磁环境,电子电气产品的电磁兼容变得越来越重要。电磁屏蔽作为电磁兼容的重要手段,不可避免成为该领域的研究热点。为快速、准确计算腔体结构的电磁屏蔽特性,本文对开孔屏蔽腔屏蔽效能、开孔屏蔽腔内传输线负载电磁干扰以及开孔屏蔽腔内电磁谐振的计算与预测方法进行了系统研究,以为腔体结构的电磁屏蔽设计提供理论依据。具体研究内容包括以下四个部分:
  (1)Robinson解析算法的修正与扩展研究
  由于Robinson算法在电小孔和较大孔情况下存在较大误差,基于传输线矩阵(transmission line matrix, TLM)法,修正了孔腔耦合因子,推导出一种在电小孔和较大孔情况下具有较高精度的Robinson修正算法。针对Robinson算法只能处理中心孔和中线上 TE10模传播的不足,基于导行波理论,引入电压响应的分量形式以及包含高次模影响的开孔位置系数,推导出一种能够准确预测任意位置开孔屏蔽腔内任意点屏蔽效能和高阶谐振的 Robinson扩展算法。最后利用实验数据与TLM法对两种新的解析算法进行了验证。
  (2)开孔非连续屏蔽腔屏蔽效能的解析算法研究
  为分析具有阶梯、开孔金属隔板以及带金属外壳设备等非连续结构的开孔屏蔽腔的屏蔽效能,首先基于波导理论和等效电路原理,建立屏蔽腔的等效电路,然后基于微波电路理论,推导开孔以及腔内非连续结构对应的等效电路的散射矩阵,最后基于传输线网络 BLT(Baum-Liu-Tesche)矩阵方程,推导出一种能够快速预测开孔非连续屏蔽腔屏蔽效能的解析计算方法,并基于该算法和TLM法分析了非连续结构对腔体屏蔽效能以及电磁谐振的影响。
  (3)开孔屏蔽腔内传输线负载电磁干扰的解析算法研究
  外界电磁场通过开孔与腔内线缆的耦合问题比较复杂,分析难度大。针对这一问题,基于电磁拓扑(electromagnetic topology, EMT)理论,将耦合问题分解为两个独立的子问题:孔腔耦合问题和场线耦合问题,然后利用等效电路法求解孔腔耦合问题中的耦合电场,再利用求得的耦合电场与Agrawal形式的场线耦合BLT方程求解传输线负载所受的电磁干扰,最终推导出一种能快速计算开孔屏蔽腔内传输线负载所受电磁干扰的解析算法。
  (4)开孔屏蔽腔电磁谐振模式的预测方法研究
  开孔屏蔽腔的电磁谐振特性受孔缝参数和孔腔耦合作用的影响。首先利用TLM法和等效电路法分析开孔尺寸对屏蔽腔电磁谐振的影响规律;然后针对电小孔,基于波导激励原理,推导屏蔽腔内被激励谐振模式与开孔位置的对应关系,并进一步扩展到孔阵情况;最后,基于前两点研究的结论,提出一种基于孔位置与分布的屏蔽腔谐振模式快速预测方法。在TLM仿真与实验数据的验证基础上,给出了一些可用于指导开孔屏蔽腔设计的结论。
  本文的创新点主要体现在以下三个方面:
  (1)预测开孔屏蔽腔屏蔽效能的解析计算方法的提出
  提出的Robinson修正算法修正了Robinson原算法中的孔腔耦合因子,极大地提高了原算法对电小孔和较大孔情况的计算精度。提出的Robinson扩展算法能够准确预测任意位置开孔屏蔽腔内,任意点的屏蔽效能以及包括 TMmn0在内的高阶谐振,极大地扩展了Robinson原算法的应用范围。提出的快速预测具有阶梯、内部金属隔板或带金属外壳设备等非连续结构开孔屏蔽腔屏蔽效能的解析算法,扩展了解析算法的分析范围,比传统的等效电路模型更易于计算机的建模和求解。
  (2)屏蔽腔内传输线负载所受电磁干扰的解析算法的提出
  该解析算法利用等效电路法计算外界平面波通过开孔耦合进屏蔽腔内的电场分布,具有不错的计算精度,相比于其他数值法或者半解析法,该算法具有更高的计算效率。此外,该算法还可用于任意入射与极化平面波辐照下,任意位置开孔屏蔽腔内任意点处的屏蔽效能计算。
  (3)基于孔位置与分布的屏蔽腔谐振模式快速预测方法的提出
  该预测方法给出了电小孔的位置或分布与屏蔽腔内被激励谐振模式的对应关系,只需根据二者的对应关系就可以快速获得腔内被激励的谐振模式,因此,通过对电小孔位置或分布的设计可以轻易地避开某些谐振模式,提高屏蔽效能,这对开孔屏蔽腔的设计具有重要的应用价值。
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