电磁辐射传播途径

电磁辐射传播途径（精选11篇）

电磁辐射传播途径 第1篇

对于规则金属波导,如矩形和圆形波导[1]可以运用分离变量法给出解析解。隧道可看作波导[1],隧道通常是半圆拱形、梯形等形状。由于边界条件的匹配困难,不易采用分离变量法直接求解。迄今为止,有限元理论及技术在电磁应用方面已愈加成熟并取得许多研究成果。例如,在包含或不包含激励源的磁场分析中[2],可以采用有限元的方法来研究复杂截面波导中的电磁波一些传播特性,同时直观形象地给出场分布图。

1 求波动方程及特征方程

一般的二阶微分方程所定义的边值问题如下:

undefined

边界条件:

undefined

以及:

undefined

可以证明与上述边值问题等价的变分问题为:

undefined

式中:

undefined

对于密封均匀波导问题,可以用轴向场分量列出其有限元解的公式。已知在均匀填充波导中,存在着两套不同的模式。一套模式在选定的纵方向上,磁场只有横向分量,没有纵向分量,称为TM模。而另一套模式在纵方向上,电场只有横向分量,称为TE模。设波导内的区域为Ω(Ω内是空气),波导的边界为Γ。波导场的定解问题[3,4]可表示为:

undefined

式中:kundefined=ω2με-kundefined;Γ表示波导壁的导电边界,n是其单位法向量。

该问题的等价变分问题的公式,其泛函F可以由式(3)给出,对于这种情形,泛函[5,6]可以有简单形式:

undefined

采用三角形单元实现区域离散,通过Ritz变分法求解。将式(5)化为式(6)所示的广义代数特征值问题,可求得特征值kc和特征向量Φ,并由此求出波导的截止频率undefined,而对应于k2c的本征向量则是波导横截面内的纵向场的分布:

undefined

2 矩形波导中TE10电磁波传播特性分析

2.1 TE10波截止波长与边长的关系分析

从程序直接算出并和理论值进行了比较[7],误差小于0.5%。边长的关系,设a,b分别是矩形波导的长宽,如表1所示。

根据计算结果对TE10波有如下结论:波导的截止波长与其横截面周长成线性关系;当周长相等时,截止波长随横截面面积的减小而增加。对于给定的波模,当a或b增加时,截止波长增加;对于TE10模,截止波长与长边a成正比,在周长相等的情况下,当a=b时,矩形波导横截面面积最大,此时截止波长最小。如图1,图2所示。

2.2 矩形波导的色散特征分析

以TE10波为例,纵坐标ω用ω0进行归一化,ω0为TE10模的截至角频率,横坐标kz用k0归一化,k0为自由空间波数。经过归一化后,色散曲线上任意一点与原点连线的斜率表示相速与光速之比,切线斜率表示群速和光速之比。图3表明越接近截止频率色散越严重。

2.3 矩形波导横截面上纵向场分布特征

矩形波导横截面上纵向场分布仿真如图4所示[8],由图可知HZ振幅沿长边x方向按余弦分布,与宽边y方向无关。从图4中看出,对于TE10模,除了边缘部分的结果不太好之外,其他区域用有限元方法解出来的结果是很好的。

3 结 语

常用的波导横截面为矩形和圆形[9],在此采用有限元方法对TE10波在矩形波导中传播特性进行研究。这里发现矩形波导中波导的截止波长与其横截面周长成线性关系;当周长相等时,截止波长随横截面面积的减小而增加。对于TE10模,截止波长与长边a成正比,在周长相等的情况下,当a= b 时,矩形波导横截面面积最大,此时截止波长最小。在同一截止波长下,传输TE10波所要求的a边尺寸最小。同时,因为TE10波的截止波长与b边无关,所以可尽量缩小b的尺寸以节约材料,但也不能把b减得太小,因为还要考虑到波导被击穿和衰减增大等问题。同时给出了电磁波在波导中的色散特征和波导横截面上的纵向场分布图。对研究其他任意截面波导中电磁波传输特性,具有理论指导意义。

摘要：采用有限元法对矩形波导中主模电磁波传输特性进行仿真分析,得出矩形波导中截止波长随波导横截面长边的增加而线性增加的结论。同时给出波导中色散曲线和场分布图。证明有限元方法简单可行,计算精度较高。对分析任意截面波导中电磁波的截止波长及场分布提供方法。其结果对隧道等有限空间的无线通信研究有重要的参考价值。

关键词：波导,电磁波,截止波长,有限元

参考文献

[1]王国伟,杨能彪,刘浩.基于Mathematic的圆形波导电磁场的可视化[J].微电子学与计算机,2006,23(11):51-53.

[2]UDPA S.EM methods for evaluation of prosthetic heartvalves[J].J 0fApp Phys,2002,10(91):7 769-7 773.

[3]林为干,符果行,邬琳若,等.电磁场理论[M].北京:人民邮电出版社,1996.

[4]戈鲁,赫兹若格鲁.电磁场与电磁波[M].周克定,译.北京:人民教育出版社,1979.

[5][美]金建铭.电磁场有限元方法[M].王建国,译.西安:西安电子科技大学出版社,1998.

[6]盛新庆.计算电磁学要论[M].北京:科学出版社,2004.

[7]金本喜,周平.波导本征值的有限元分析[J].淮阴师范学院学报:自然科学版,2004,3(2):109-112.

[8]彭芳麟.数学物理方程的Matlab解法与可视化[M].北京:清华大学出版社,2005.

电磁波能在真空中的传播吗 第2篇

电磁波在真空中的传播速度

电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等同于光速，也就是说电磁波在真空中传播的速度是310的8次幂m/s，这是电磁波传播的.最快速度。在不同介质中，电磁波的传播速度也不同，且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播，若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等现象，在这样的介质中是沿曲线传播的。不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小。

电磁辐射疑云 第3篇

穿过居民区的高压线会带来致病的电磁辐射吗?电磁辐射与健康的关系仍是疑云,当信息部分缺失时,公众只能凭“疑罪从有”解读。

看上去,沈琪手里握的“HI-3604低频电磁场综合测量仪”就像某种球类运动的拍子,实际上,它是一台专为工程师、职业卫生学者设计的高级仪器。

每次北京电力公司的“公众开放日”,科技信息部工程师沈琪都要举着它。从一座变电设施走向另一座,沈琪身后跟了一票住户和记者,他高声念着电场、磁场读数。

但围观者望向他的目光却不友好。在他们眼里,沈琪是代表电力部门来给电磁辐射“洗白”的。

家园保卫战

可以理解,没人愿意呆在高压线下当白鼠。直到2009年7月,云南大理州宾川县尾村的86名村民都还在极力想要摆脱这种不舒服的感觉。

萂尾村农田之上的第一条高压电线,在1997年架起来。村里人抬头看看挺开心,“感觉被重视了”。2006年,当大理供电局的高压塔和高压线再一次准备通过尾村时,村民们却手握农具,将锋利的一端对准施工人员。

2006年以前,“电磁辐射”的说法已被一个外出打工的村民从城市带回,在这个闭塞的小村落快速传播。人们回想起近些年出现的怪病:杨财胡的大脑神经系统痴呆症、董先角的心脑血管硬化⋯⋯

一纸诉状,云南省环保厅被推上被告席,要求撤销《220KV大理—剑川送电线路工程环境影响报告表》的行政许可。

质疑点在人与高压线的间距上:只有22米,够安全吗?法律的回答是—在2008、2009年将两次上诉驳回。云南省环保厅一份监测数据显示,高压线距尾村20米处,工频磁场为0.120μT~0.131μT(1μT=10-6T),相当于手机的磁场强度;工频电场为0.179~0.017kV/m,相当于普通家用电热水器的电场强度。其中工频指工业上用的交流电频率。

2004年8月,在中国首例电磁辐射环保听证会上,沈琪也作为电力部门的代表在场。记忆里,小区拉着标语横幅—“高压线不入地,休想进入百旺施工”、“抵制电磁污染,还我美好家园”。沈琪心有余悸,“那是场控诉会”、“人们眼睛狠狠瞪着,像要把你吃了”。

但最后,北京市环保局还是允许高压线架在了百旺家苑小区上空。因为工程符合《500KV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》,辐射小于工频限值100μT。

当时有媒体报道:“北京电力公司所架设的是220KV高压输电线路,根据电学常识,高压输电线导线周围的工频电场会产生强大的电磁辐射,并会对人体造成严重危害。”但《新知客》记者发现,这个所谓的“电学常识”在相关专业书籍中找不出支持的证据。

“电子雾”恐慌

稍微查阅一下初、高中物理课本,就能帮着找回关于电磁辐射的一些记忆。

作为物理概念,电磁辐射是指能量以电磁波形式由辐射源发射到空间的现象,它还有一个略带美学意味的别称“电子烟雾”。要是一切电磁波可见,而且太阳、雷电、通讯基站、高压线、手机、微波炉以及人体自身这些场源统统释放能量,一时间,这个世界可能变成雾气氤氲的桑拿房。

这间桑拿房里频率错杂:X射线—1017Hz到1020Hz,雷达—108Hz到1011Hz,手机—上千Hz。而高压线使用的工频只有50Hz或60Hz,这意味着,一个晴朗夜晚满月的地面辐射能量都比它大2000倍!

在20世纪70年代,一张吓人的照片发表在美国一家杂志上,照片里,一支没有电源的荧光灯在高压输电线下闪烁青白色的光。住在高压线边上的人看了照片,直觉反应是“完了,有辐射!”

其实这幅暗示电磁辐射的画面没有任何意义。充气氖管在高压场作用下发光是一种简单的物理现象,电气工人都十分熟悉,它能反映出的事实不过是:这里存在电场。

“工频电磁辐射被过度炒作了!”沈琪抱怨。他推崇华东电力试验研究院工程师杨新村的一种观点,认为“工频场不形成有效的电磁辐射,应该与高频辐射区别考虑。应拒绝采用诸如‘电磁辐射’、‘电磁波’一类不适宜的笼统术语。”

祛除了神秘感,高压电磁辐射还有多可怕?致癌只是传说吗?世界卫生组织(WHO)已经基本认可了国际癌症研究机构(IARC)对工频磁场致癌性的分类:2B(该物剂怀疑对人类是致癌性的),排在“对人类致癌的”、“可能对人类致癌的”两类之后,证据最弱。

在2B这一类物质和现象里,还并列有汽车尾气、盐渍蔬菜和咖啡。

现在市面上能买到的以WHO为名头讲解电磁辐射的书,多半是由杨新村牵头译介的,如《WHO推荐的电磁场防护法律范本》等。

标准VS标准

“符合标准但不一定安全!”在公共场合,曹兆进凭这一句话就足以亮明身份了。

他是中国疾病预防控制中心的研究员,由于意见相左,同电力部门多有龃龉。又因为力推“电磁辐射有害论”,在有些人眼里像个不可知论者。

在中国,能用在工频场上的电磁辐射防护国家标准一直空缺。如果按现行的行业标准评判,《500KV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》所要求的限值是100μT,与WHO认可的国际非电离防护委员会(ICNIRP)的标准一致。

但曹兆进认为标准还不够严,理由是:瑞士政府规定的这个限值是1μT,澳大利亚昆士兰地区的规定是0.4μT,意大利三个地区甚至规定小于0.2μT。“虽然欧美有些比我国要宽松,但因为人口较多、居住集中等原因,我国公众实际接受的电磁辐射暴露水平比欧美高。”

他援引了多个惊悚的流行病学案例,比如,IARC发现,居所50Hz/60Hz电力频率超过0.4μT的儿童白血病研究中,风险增加了一倍。但流行病学上的个案不能作为确定“因果关系”的证据,WHO曾根据收集到的数据表示,不支持这种关系。

“科学具有不确定性。”沈琪说,他的工作也因无解而无奈,但北京人口和发展的速度明白摆着,“厌恶工程”不能停。

“电力部门、科研单位、老百姓⋯⋯争执背后代表的是各自的利益。”张世友发现这里水很深。他是北京一家民间机构的负责人,这家机构会应市民之邀,对高压电磁辐射入户测试,可能是国内小区电磁辐射社会调查最早的行动者。

是电磁学的问题吗?

国内发达的互联网似乎没给电磁辐射的科普帮上什么忙。公众发现自己步入了一个怪圈:疑虑逼着人上网找路,结果真假信息鱼龙混杂,反被误导,加重了“电磁焦虑症”。

一个典型的例子是,在网络上,所谓“电磁辐射对人体五大影响”的一段话被大肆报道,并胡乱摘引。原文如下:

“1.电磁辐射是心血管疾病、糖尿病、癌突变的主要诱因;2.电磁辐射对人体生殖系统、神经系统和免疫系统造成直接伤害;3.电磁辐射是造成流产、不育、畸胎等病变的诱发因素;4.过量的电磁辐射直接影响大脑组织发育、骨髓发育、视力下降、肝病、造血功能下降,严重者可导致视网膜脱落;5.电磁辐射可使男性性功能下降,女性内分泌紊乱,月经失调。”

没有任何前提,这段文字孤立地出现。事实上,从几Hz到几百GHz,不同频率的磁场,对人体作用机制和影响大相径庭,但这一关键事实被模糊掉了。以第3条为例,要真正对胎儿发育、男性生育能力产生影响,只有在1MHz~10GHz的波段中,人体感应产热达到2~3℃时才会发生。

当信息部分缺失,公众只能凭“疑罪从有” 解读, 因此, 这段文字被许多人等同于“高压电磁辐射对人体五大影响”。

相比分散于各个小区BBS上的讨论热情,专业论坛显得冷清。《新知客》记者几次登陆由中国疾病预防控制中心环境所、中国生物医学工程学会生物电磁学专业委员组建的网站“电磁辐射与健康”,页面所显示的在线人数都在个位。

电磁辐射传播途径 第4篇

一、教学体系、管理模式, 提升理念辐射。

教育的根本不仅是传授知识, 而在于激发学生的学习动机, 这就要求拥有先进的教学理念作为指导, 构建适合人才培养目标的教学体系, 打造适合实验室发展的管理模式。示范中心的实验教学体系和实验室管理运行机制模式作为先导, 通过教学体系、管理模式的先进性、创新性辐射相关院校, 从而提升其他院校教学理念。

1. 教学体系建设。

《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》中指出要“健全创新创业教育课程体系”, 为探索、构建创新创业型人才培养的实验教学体系, 实验教学示范中心加强引入学科前沿课程、学科前沿实验项目, 如开设生物信息学实验等课程, 设置细胞凋亡过程中DNA及蛋白检测实验、利用RT-PCR技术检测细胞中β-actin的表达等实验项目, 加强开放创新实验的设计, 始终保持实验内容的先进性, 不断加强实践教学内容体系建设。根据学生认知规律不断完善实践教学方法, 改革实践教学过程, 建立了互动式、启发式、探究式、开放式、讨论式和教育信息技术手段相结合的教学方法, 调动了学生积极性、创造性, 激发了学生的兴趣和潜能。

2. 管理运营模式。

实验教学示范中心创建时期抓机会, 发展时期抓管理。实验中心集约化管理, 设备资源统筹安排, 通过管理的制度化、规范化、科学化, 建立全新的、符合创新人才培养的“精、细、实”、人性化管理运营模式[2]。最大限度的活化教学资源, 提高教学质量, 保证实践教学各项工作的高效运行。

二、建设经验推广, 加强辐射内涵

以队伍建设和平台建设为辐射示范核心, 加强辐射内涵。

1. 队伍建设。

高校实验教学队伍的建设, 关系到实验室的建设与发展, 关系到实践教学改革进程。通过采取引进与培养相结合、固定与流动相结合的队伍建设机制, 组建一支业务素质过硬、梯队结构合理、富有实践经验的专兼职结合的实践教学团队, 优化了队伍结构, 提高了队伍的整体育人能力与水平[3]。这支队伍具有较高的学术水平, 较强的社会服务能力和经验, 不仅保证实践育人质量的不断提高, 而且能够为企业解决实际问题, 得到社会广泛认同。

2. 平台建设。

发挥高校基础理论研究相对强的优势, 加强应用基础研究, 强化技术开发, 加强研究型大学技术开发和成果转化薄弱问题。整合学校教学和科研资源, 建立了6条产学研结合的中试实训工艺路线, 为学生在校内进行产学研结合训练[4]。在加强校内中试实训平台建设的同时, 搭建校内外科研训练、创新创业训练和实习实践平台, 先后与吉林省工信厅、长春市工信局建立生物医药公共技术平台, 每年支持运行费用30余万元。与中科院长春应化所、长春生物制品研究所、中国医药工业研究总院东北分院和吉林农业科学研究院建立了“科研训练基地”, 为学生参与项目研发创造更多的机会。校内实训基地24小时开放运行, 校外实践教学基地节假日对学生开放, 为实践育人创造优越环境条件和空间。例如:大型仪器训练平台的训练, 我们将大型仪器训练列入教学计划, 列有学时和学分, 下达教学任务。

三、纵横辐射示范, 实现共同进步

辐射示范有其在本专业内的深度辐射, 即为纵向辐射, 也有在其他专业、行业的广度辐射, 即为横向辐射。实验教学示范中心应通过纵横辐射, 带动本专业和其他专业、行业的共同进步。

1. 纵向辐射。

自2005开始在教育部质量工程支撑下建设国家级精品课程、教育部本科教学工程资助下建设国家级资源共享课、省教育厅支持下建设省级精品课程等, 实现校内、省内、国内相关专业通过网络平台利用实验课程设置、实验技术方法等进行共享教学;实验中心集约化管理, 设备资源统筹安排, 在现有平台的基础上进一步开放共享, 使校内、省内相关专业利用教学场地、仪器设备、师资力量等共享实现业内纵向辐射。先后承担我校基础医学、口腔医学、医学留学生、食品工程、食品安全等相关专业本科生实验教学, 近五年覆盖校内本科生9000余人, 校外7所院校2000余人, 行业培训4000多人, 高校教师培训200多人, 中学生冬夏令营2000多人。

2. 横向辐射。

出版《高等学校实践教学改革的研究与实践》《高校教学实验室管理》等专著6部, 发表教育教学改革相关研究论文120多篇 (其中被CSSCI索引12篇) , 国内外媒体专访、报道20余次, 并发简报介绍经验, 接待全国高校文理工科专业参观5000余人次。加强了对国内外高校各专业的开放, 实现了横向辐射。

四、搭建交流平台, 促进协调发展

交流是相互沟通、协调发展的纽带。在省教育厅和省科协的委托下, 承办吉林省创新、创业、技能三个赛事, 汇集全省22所相关专业师生参加竞技, 搭建了交流互通平台。创办《大学生创新》期刊杂志为学生进行创新实验交流搭建舞台;每年举办青年科学家论坛、专家讲授、技术培训等论坛讲座多次受益师生达3000多人次;应邀在国内相关会议介绍经验50余次, 促进了实验教学中心的协调发展。

辐射示范不仅是静态的展示, 更应是全方位、多角度、有规划、可持续的常态操作。通过经验介绍可以为其他高校、社会相关领域提供学习和借鉴的机会, 使其在今后的发展过程中避免盲目、少走弯路, 共同探索、构建适合社会发展的创新创业型人才培养教学体系和培训方法。

参考文献

[1]熊宏齐, 戴玉蓉, 郑家茂.实验教学改革与实验室建设规划的研究与实践[J].实验技术与管理, 2008, 25 (10) :1-4, 8.

[2]孟庆繁, 李帅, 周毓麟, 等.实验教学示范中心辐射示范途径的探索与实践[J].实验技术与管理, 2015, 32 (8) :1-2, 26.

[3]刘艳, 孟威, 邵妍, 等.高校实验技术队伍探究[J].实验室研究与探索, 2012, (12) :181-183.

电磁辐射到底多可怕？ 第5篇

在该项实验中，实验人员以“高斯计”为测试设备，先测量了环境的电磁辐射值，为0.3毫高斯。随后，又测量了某款手机的电磁辐射值。结果显示，在待机状态下，手机的电磁辐射值是2.3毫高斯，而接通后增加到3.4毫高斯。另外，实验人员在距离手机5厘米、10厘米、15厘米处分别测量了手机的电磁辐射值，结果分别为1、0.5和0.3毫高斯，如果减去环境电磁辐射值，可以粗略估计，在距离手机15厘米以上时，其电磁辐射值基本为0。由此可见，手机在待机和接通两种不同情况下辐射值不一样，并且距离手机越远，电磁辐射值越小。

家电辐射确实存在一定安全距离吗？专家表示，央视实验具有一定科学性，测量数据可供百姓参考，但严谨性和准确性还不够，因为测量家用电器的电磁辐射值时，不同位置、角度、环境测得结果都不一样，需要具体情况具体分析，不能一概而论。虽然实验结果有待考证，但家电辐射的确没那么可怕。很多人会将生活中的辐射与X光、核电站等联系在一起，唯恐避之不及。但在专家看来，这是一个老百姓普遍存在的误区。以X光、核辐射为代表的电离辐射由于波长短、频率高、能量大，会对人体产生危害，长期处于电离辐射环境可能破坏遗传系统或致癌。而我们身边的家用电器只会产生电磁辐射，不会产生电离辐射。自然界中的一切物体，只要温度在绝对零摄氏度以上，就有电磁辐射，是无法避免的。只要家电是合格产品，其电磁辐射值就在安全范围之内，老百姓无需视之为“洪水猛兽”。摘自《生命时报》

电磁脉冲在电离层中传播特性的分析 第6篇

目前,高功率电磁脉冲在电离层中的传播越来越备受关注。电离层位于地球表面上层大气的导电区域,对于无线通信与信号传播起着重要作用[1,2]。文献[3]中通过对强电磁脉冲向上传播穿过电离层后的幅值和频谱进行研究,为低轨卫星和其他飞行器的电磁脉冲防护设计提供参考。文献[4]中对核电磁脉冲穿过电离层后传播到卫星轨道的波形进行了数值计算。

电离层是一种具有等离子体性质的色散媒质。目前,时域有限差分法(FDTD)广泛应用于处理电磁波与色散介质的相互作用问题。通常有四种方法:循环卷积方法、辅助微分方程法(ADE)、高阶方法((FD)2TD)和Z变换方法。电离层中由于存在电子碰撞,可以看作是有耗的色散介质。而在有耗介质中电磁波衰减很快,常规FDTD中Yee的差分格式已不再适用[5],文献[6]中也已证明指数差分的FDTD方法相比辅助方程法(ADE)和高阶方法((FD)2TD)具有更高的精确性和稳定性。因此,本文采用指数差分的FDTD方法,分析了电磁波在电离层D层、F1层以及F2层中的传播。研究表明,脉冲在D层中衰减较小,在F1层和F2层中衰减比较严重。由计算所得的D层、F1层以及F2层的反射系数可以看出,D层对脉冲整个频段反射很小,而F1层和F2层对脉冲低频段的反射很大。

1 电离层传播中的指数差分FDTD方法

脉冲在电离层中的传播可以用描述有耗冷等离子体的Maxwell方程组表示:

其中:ε0为真空中的介电常数;μ0为真空中的磁导率;vc为等离子体碰撞频率;ωp为等离子体角频率;J珒为感应电流密度。

本文讨论1维情况下电磁波在等离子体中的传播,即电磁波只含有Ex和Hy分量。由此,上述Maxwell方程组在直角坐标系下表示为

对式(4)和式(5)采用常规的FDTD差分离散格式,对式(6)根据微分方程理论,求出辅助方程的解,然后将解表示成FDTD差分离散格式。由此得指数差分FDTD的迭代公式为

2 微分高斯脉冲在电离层中的传播

电离层距离地面高度约为602 000 km。整个电离层呈分层结构,通常分为D层(高度约为6090km)、E层(高度约为90160 km)、F1层(高度约为160220 km)及F2层(220 km1 000 km以上)[7]。

下面应用指数差分FDTD方法分析微分高斯脉冲在电离层D层、F1层以及F2层中的传播特性。

为了计算时域脉冲在电离层中的传播,选取国家军用标准《中国参考电离层》作为数据来源。电离层剖面的最大等离子体频率为10.8 MHz。为了使电磁脉冲能够传播到电离层的足够深度,最大电波频率应大于10 MHz。采用文献[8]中的思想将该电离层剖面进行压缩,将等离子体频率和高度同时缩小为原来的五分之一。压缩后,等离子体频率随高度的变化规律保持不变,电离层剖面的最大等离子体频率变为2.1 MHz。此时,为了使电磁脉冲能够传播到电离层的足够深度,最大电波频率只需大于2 MHz,而且大大减少了计算时间。

入射波选用微分高斯脉冲

其中τ为脉冲宽度,这里取为100 ns,t0=0.8τ。E0为脉冲的幅值,取为1 MV/m。计算空间步长为0.25 m,时间步长为4.1710-10s。

用分段线性来模拟电离层各分层的等离子体频率随高度的变化[9],电离层D层的碰撞频率为vc=107次/秒,电离层F层的碰撞频率为vc=104次/秒[10]。

模拟微分高斯脉冲在D层电离层中的传播,传播距离为60 km到90 km(见图1)。

图1(a)给出了脉冲刚刚传出电离层D层时的空间波形,可以看出脉冲在D层中传播时,衰减很小。图1(b)给出了局部放大的脉冲波形,可以看出脉冲传出电离层D层时,波形基本保持不变。图1(c)和图1(d)分别给出了脉冲对电离层D层的反射系数与透射系数,可以看出D层对脉冲的整个频段反射都很小,脉冲几乎可以无反射的穿过D层。

模拟脉冲在电离层F1层中的传播,传播距离为160 km到220 km,(见图2)。

图2(a)给出了脉冲刚刚传出电离层F1层时空间波形,可以看出脉冲在电离层F1层中传播时衰减严重。图2(b)和图2(c)分别给出了脉冲对电离层F1层的反射系数与透射系数,可以看出脉冲的低频段反射很大,而高频段几乎可以完全通过,而且脉冲0～1 MHz频段发生了全反射。

模拟脉冲在电离层F2层中的传播,传播距离为220 km到400 km,(见图3)。

脉冲在电离层F2层中的传播与F1层类似。图3(a)给出了脉冲刚刚传出电离层F2层时的空间波形可以看出脉冲在电离层F2层中传播时衰减更严重了。图3(b)和图3(c)分别给出了脉冲对F2层的反射系数与透射系数,可以看出脉冲的低频段反射很大,而高频段几乎可以完全通过,而且脉冲0～2 MHz频段发生了全反射。

3 结论

本文应用指数差分FDTD方法研究了微分高斯脉冲在电离层D层、F1层以及F2层中的传播特性。微分高斯脉冲在电离层中传播时,因为电离层是有耗介质,信号会发生衰减,而且在F1层和F2层中衰减比较严重。通过计算脉冲对D层、F1层和F2层的反射系数以及透射系数可知,D层对脉冲的整个频段反射都很小,脉冲几乎可以无反射地穿过D层。当脉冲进入F1层以及F2层时,脉冲的低频段反射很大,而高频段几乎可以完全通过。而且对于F1层,脉冲0～1 MHz频段发生全反射,对于F2层,脉冲0～2MHz频段发生全反射。指数差分FDTD方法也适用于其他有耗的色散介质,而且可以推广到二维、三维电离层以及其他色散介质中波的传播及散射分析。

摘要：脉冲在电离层中的传播可用脉冲在有耗冷等离子体中的传播方程来描述。采用指数差分FDTD方法对脉冲在电离层中的传播进行了数值模拟。研究了脉冲在电离层D层、F1层以及F2层中传播时的衰减特性以及反射特性。研究表明,脉冲在D层中衰减较小,在F1层和F2层中衰减比较严重。由计算所得的D层、F1层以及F2层的反射系数以及透射系数可以看出,D层对脉冲整个频段反射很小,而F1层和F2层对脉冲低频段的反射很大。

关键词：指数差分,时域有限差分法(FDTD),电离层,传播特性

参考文献

[1] Dhar A,Das B N.Propagation of lightning electromagnetic pulse(LEMP)through ionosphere.Electromagnetic Interference and Com-patibility.Proceedings of the 9th International Conference,2006:370—373

[2] Steven A.Modeling electromagnetic propagation in the earth-iono-sphere waveguide.IEEE Transactions and antennas and propaga-tions,2000;48(9):1420—1429

[3]李宏杰,刘得成.强电磁脉冲在空间中的传播.第十届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集;2009:405—410

[4]梁睿,郑毅.核电磁脉冲信号向卫星轨道传播数值计算.核电子学与探测技术,2009;29(6):1393—1396

[5]葛德彪,闫玉波.电磁波时域有限差分方法(第二版).西安:西安电子科技大学出版社,2005:70—78

[6] Yang H.Exponential FDTD for plasma dispersive medium.Electro-magnetic Waves and Appl,2008;22:1165—1172

[7]戴开良,林为干.电离层时域散射与逆散射的数值分析.电波科学学报,1999;14(2):153—159

[8]杨丹.高功率微波脉冲耦合与传播的研究.成都:西南交通大学,2005:104—123

[9]杨丹,廖成.高功率电磁波脉冲在电离层中的传播.强激光与粒子束,2009;21(8):1221—1224

电磁辐射传播途径 第7篇

由中国电子学会主办, 中国电子学会电波传播分会、天线分会和中国电波传播研究所承办、西安电子科技大学和复旦大学协办的第九届国际天线、传播和电磁理论学术讨论会议 (ISAPE2010) 于近日在广州召开。大会得到了美国电气与电子工程师学会 (IEEE) 和国际无线电科学联盟 (URSI) 的支持并受到国家自然科学基金委员会的资助。

会议期间, 大会共同主席电子传播学会主任委员、中国电波传播研究所所长董庆生研究员和电气电子工程师学会天线与传播分会 (IEEE, AP-S) 杂志主编W.Ross Stone博士分别致欢迎词, 国家自然科学基金委员会熊小芸处长到会致祝辞, 中国电子学会副秘书长王玉生、河南科协杨光处长出席了大会开幕式并对会议的成功举办表示祝贺。大会邀请了国际著名学者IEEE AP分会主席Robert D.Nevels教授、国际电信联盟ITU-R SG3副主席Marlene Pontes教授、中国工程院张明高院士、新加坡国立大学Le-Wei Li教授、欧洲非相干散射科学联合会资深科学家Ingemar Haggstrom博士、复旦大学金亚秋教授和东南大学洪伟教授做了精彩的大会特邀报告, 他们的报告引起了与会代表极大的兴趣, 他们的就学科前沿和发展动态的学术报告给予青年学者以很大的启迪。

此次会议内容丰富, 参会人员交流充分。大会共录用论文407篇 (境外70篇, 境内337篇) , 来自27个国家和地区的250余位 (境外32位) 学者、教授、工程师和研究生代表出席了会议, 报告了最新研究成果 (其中口头报告336个, 张贴报告73个) , 内容涉及天线、电波传播、电磁理论、计算电磁学、电磁兼容和微波电路等6大领域的理论及工程技术的问题, 具有重要的学术意义和应用价值, 会议也为今后研究工作的开展和年轻人才的培养创造了良好的学术环境。

电磁辐射传播途径 第8篇

大气波导是电磁波在大气传播中的一种异常现象,电磁波在其中传播时会改变原来的传播路径,被陷获在一定高度和范围内以很小的损耗进行超视距传播,进而影响到雷达系统的使用。一方面雷达波改变传播路径到达原本不能到达的区域,探测到更远的距离,另一方面形成新的雷达探测盲区,出现电磁空白,影响定位误差。近年来对海洋资源的探索不断深入,全面掌握海洋大气信息尤为紧迫。获得实时大气波导信息对于舰船通信导航、雷达侦察探测、电磁干扰和对抗和武器精确制导具有重要军事意义。

在对大气波导进行预测的过程中,对电磁波的传播损耗计算是十分重要的一环。在利用雷达海杂波的实际测量数据与正向传播过程中的数据进行对比的过程中,调整环境参数使二者达到符合程度最好,这时的环境参数就是描述实际大气波导的折射率参数[1]。但在实际的工程应用中,往往需要多个环境参数来实现大气波导的反演,海面复杂多变的环境导致折射率的不均匀分布,使得计算海面电磁波的过程尤为复杂,进而影响到后续的反演过程。在此问题的基础上,对传统的支持向量机进行优化,将超平面的阈值平方项加入到非线性最小二乘支持向量机的目标函数中,同时对核函数的选择进行动态调整,对正向传播数据与训练样本的反演数据进行仿真对比,结果能够很好地符合,为大气波导环境中雷达探测和盲区预测提供了一定的应用基础。

1 大气波导模型选择

构建合适的折射率剖面模型的准确与否关系到能否精确有效地反映真实的电波传播环境。环境模型中描述折射率剖面的参数越多,反演的剖面与实际大气折射率剖面就越接近。实际传播中折射率剖面随距离而变化,但通常认为在水平方向上的变化是缓慢的,因此可以假定在水平距离的某特定间隔内其剖面是不变的[2,3,4]。

在电磁波的大气传播中,大气折射率可以由大气温度、相对湿度和压强3个影响参数表示如下:

式中,P为大气压强( h Pa) ,T为大气温度( K) ,e为水汽分压( h Pa) 。

在实际计算分析中,通常将地球曲面近似为平面处理,用修正折射率M来表示:

式中,z表示距离地表的高度( m) ,re表示地球半径( m) 。

当修正折射率M和折射率N满足如式( 3) 条件下会出现大气波导现象:

选择海面发生概率最大的蒸发波导模型[5]作为计算电磁波传播损耗的实验模型:

式中,M0为底层修正折射率指数,取330 units/m;c0为中性层结折射率剖面有关的经验值,取0. 13;c1为波导底层斜率,取值区间为[- 1,0. 4]; z0为粗糙因子,取1. 5×10- 4; zb为蒸发波导顶层高度,取值范围为[0,500],单位m; d为蒸发波导高度,当d= 0 m时,对应的是标准大气情况下的折射率剖面:。

2 抛物方程模型

抛物方程是在求解波动方程时得到的一种近似形式,相比于射线追踪和波导模理论,抛物方程方法能够考虑不均匀分布的海面和不规则地形对电磁波传播的影响,对远距离的电磁波传播提供更加可靠、稳定的计算。

在直角坐标系中,二维标量波动方程在折射率为n(x,z) 的各向同性介质中的场量ψ满足下面的亥姆霍兹方程[6]:

式中,k0= w / c是真空中的波数,n = n (x,z) 是介质的折射指数。x和z分别表示地表面的水平距离和距离地表的高度。引入x轴向衰减函数u(x,z) =ψ(x,z) e- ik0x,得到关于u的标量方程:

通常传播仰角很小,只考虑前向传播的电磁波,因此所对应的抛物方程的解:

上式方程的求解是一个步进的过程。只要给定一个初始值u (x0,z) ,就可以递推得到其他区域(x0+ Δx,z) 内的场分布。在求解抛物方程时,采用二阶差分的前后向DMFT方法,此解法对收敛区间进行重新组合,消除盲点,从而使数值震荡减弱,具有良好的稳定性。

接收到的杂 波功率可 以用雷达 方程计算得到[7]:

式中,L为传播损耗,是大气波导参数M与雷达到海面的距离r的函数,L可以由抛物方程来求解,表达式为L = Lf- 20lg F ,F为传播因子,Lf为自由空间传播损耗; σ0是海面散射系数,处理时假设它是区域独立性的,当成常数; C为与雷达发射功率和天线增益等系统参数有关的常数。

3 改进的支持向量机

支持向量机( Support Vector Machine,SVM) 以结构风险最小化原则和VC维理论为基础,取代传统学习算法中的经验风险最小化原则。SVM基本思想是: 通过非线性映像把输入向量映像到高维特征空间,通过引入核函数,从而巧妙地将非线性估计问题转化为高维特征空间的线性估计问题[8,9]。由于SVM建立在严格的统计学习理论基础之上,不会陷入局部寻优,有更强的泛化能力,较好地解决了非线性、高维数和过学习等实际问题。

传统支持向量机( SVM) 针对有限样本,能够克服局部寻优、泛化能力差和多维数问题,但存在训练速度慢、算法复杂以及检测阶段运算量大等缺点,最小二乘法引入到SVM中,简化了计算复杂性,一定程度上提高了反演效率,线性方程组的系数矩阵对称但不正定,影响一些快速算法的使用; 对支持向量机算法进行优化,将超平面的阈值平方项加入到非线性最小二乘支持向量机的目标函数中,求解算法更简单,训练速度快,泛化能力也没有明显减弱,同时调整核函数,使计算更为快速。

问题的求解规划[10]:

式中,w为权向量,b为阈值,ξi∈RN×1为误差向量,C > 0为正则化因子。

引入Lagrange乘子αi,αi∈RN×1,定义其Lagrange函数为:

根据KKT( Karush-Kuhn-Tucker) 优化条件:

带入消去w、ξi,得到方程

使用核函数K = K(A,A) = φ( A)φ ( A)T,有方程:

得到回归函数为:

4 对电磁传播损耗的训练仿真分析

给定一组维数为m的蒸发波导高度z ,就可以相应得到m个折射率剖面。利用抛物方程法和雷达方程得到m×N的正向功率矩阵。

蒸发波导的高度一般不超过40 m,选取波导顶层高度d =25 m,发射天线高度10 m; 选取电磁波频率区间[1,2]GHz,采样频率0. 1 GHz,共11个采样频率; 接收高度区间[10,28]m,采样频率2 m,共10个采样高度; 在每个接收高度处检测的传播距离从10~ 60 km以200 m为间隔,取251个点的传播功率损耗作为训练数据,共2 510个训练样本。输出矩阵对应不同频率和传播距离处的传播损耗组成。并以此输入矩阵和输出矩阵作为训练数据来训练样本。

为了验证预测结果的准确性,给出抛物方程( PE) 的计算结果与训练模型的传播损耗值的对比图。选取频率为1. 5 GHz,接收高度分别为10 mh和20 m时本文算法预测损耗值与LSSVM、抛物方程计算值的对比如图1和图2所示。从训练模型的速度上看,LSSVM用时183 s,本文算法用时179 s,二者所用时间相当。从对比图中看出,本文算法训练结果曲线与抛物方程方法计算值吻合结果更精确一些,预测更趋近于抛物方程计算值。据此仿真结果表明本文算法在传播损耗的精度训练方面有更好的表现。

5 结束语

电磁辐射传播途径 第9篇

电磁波在巷道中的传播特性受波导效应和巷道壁表面粗糙度等因素的影响,然而目前对于这种影响的讨论,从不同角度研究得出的结论差异很大[1,2,3,4]。参考文献[1]运用波导理论分析基次波模因巷道壁粗糙度产生的散射损耗,得出巷道壁粗糙度造成的散射损耗随频率升高而降低的结论。参考文献[2]运用平面导波模型进行分析和仿真,得出相反的结论。但总的来看,频率越高,电磁波传播损耗呈下降趋势。然而,上述研究都只是针对一种模式的电磁波进行分析。实际上,电磁波在巷道中的传播特性不仅受巷道壁粗糙度的影响,还受多波模综合作用的影响[5]。参考文献[3,4]运用几何光学模型,考虑多波模的综合作用,对2种不同频率下电磁波的相对时延进行仿真分析,得出粗糙度对高频信号的衰减大于对低频信号的衰减的结论,但是缺少进一步的理论证明。

因为电磁波中的散射分量会转化成其他模式继续传播,且频率越高,各波模的掠射角越小,能实现远距离传输的波模越多,所以在分析巷道壁粗糙度对电磁波传播特性的影响时,要考虑高次模的影响[5]。本文以波导波模理论为基础,推导出多模式下因巷道壁粗糙度引起的电磁波衰减计算公式,并采用多波模模型仿真分析粗糙度对电磁波衰减特性的影响。

1 煤矿井巷波导理论

当电磁波波长比煤矿巷道尺寸小很多时,井巷可被视作有损耗的介质波导[1]。以巷道中心为原点建立直角坐标系,x轴沿水平方向,y轴沿垂直方向,z轴沿巷道方向。z的取值表示电磁波传播距离。在不考虑巷道表面粗糙度的情况下,根据麦克斯韦方程和边界条件,可推导出(m,n)模式下电磁波场强随距离z的变化因子exp(-ikzmnz)[1],其中ikzmn可称为(m,n)波模的传播常数。若电磁波为水平极化,则

$k{}_{zmn}\cong \frac{2\text{π}}{\lambda }-\frac{i\lambda {}^2}{2}\left[\frac{m{}^2{\rm K}{}_1}{w{}^3\sqrt{{\rm K}{}_1-1}}+\frac{n{}^2}{h{}^3\sqrt{{\rm K}{}_2-1}}\right](1)$

式中:λ表示电磁波波长;m、n分别为波模在水平方向和垂直方向的半波数,是从0开始变化的正整数;w、h分别为矩形巷道的宽度和高度;K1为两侧壁的电参数;K2为顶底两面的电参数。

对exp(-ikzmnz)取dB值,可得光滑壁面巷道内水平极化(m,n)波模的传播损耗。垂直极化波与水平极化波的场结构对称,此处不再赘述。

2 粗糙巷道壁造成的散射损耗

2.1 单波模作用下的散射损耗

假设巷道壁粗糙度服从均值为0、方差为σ2的高斯分布。(m,n)波模入射到两侧壁和上下两壁的掠射角ϕ1mn和ϕ2mn分别为

$\begin{array}{l}\text{ϕ}{}_{1mn}\cong \arcsin \left(\frac{m\lambda }{2w}\right)(2)\\ \text{ϕ}{}_{2mn}\cong \arcsin \left(\frac{n\lambda }{2h}\right)(3)\end{array}$

若(m,n)波模传播距离z后,在两侧壁上共反射了N1mn次,在顶底壁上共反射了N2mn次,则

$\begin{array}{l}{\rm N}{}_{1mn}\cong \frac{z\text{s}\text{i}\text{n}\text{ϕ}{}_{1mn}}{w}(4)\\ {\rm N}{}_{2mn}\cong \frac{z\text{s}\text{i}\text{n}\text{ϕ}{}_{2mn}}{h}(5)\end{array}$

如果电磁波以掠射角ϕ入射到巷道壁,则因巷道壁粗糙度引起的散射损耗系数为[1]

$\rho =\exp [-2(\frac{2\text{π}}{\lambda }\sigma \sin \text{ϕ}){}^2](6)$

将式(2)、式(3)分别代入式(6),可得电磁波在粗糙巷道侧壁或顶底壁反射一次所得的散射损耗系数ρ1mn、ρ2mn为

$\begin{array}{l}\rho {}_{1mn}=\exp [-2(\frac{2\text{π}}{\lambda }\sigma \sin \text{ϕ}{}_{1mn}){}^2](7)\\ \rho {}_{2mn}=\exp [-2(\frac{2\text{π}}{\lambda }\sigma \sin \text{ϕ}{}_{2mn}){}^2](8)\end{array}$

综合式(2)～(8)可知,(m,n)波模传播距离z后,在侧壁和顶底壁上共经历的散射损耗为

$\rho {}_{mn}=\rho {}_{1mn}{}^{{\rm N}{}_{1mn}}\rho {}_{2mn}{}^{{\rm N}{}_{2mn}}\approx \exp \left[-\text{π}{}^2\sigma {}^2\lambda z(\frac{m{}^3}{w{}^4}+\frac{n{}^3}{h{}^4})\right](9)$

将式(9)用dB表示,可得(m,n)波模因粗糙巷道壁产生的散射损耗:

$L{}_{\text{r}\text{o}\text{u}\text{g}\text{h}\text{n}\text{e}\text{s}\text{s}}(m,n)=4.343\text{π}{}^2\sigma {}^2\lambda z(\frac{m{}^3}{w{}^4}+\frac{n{}^3}{h{}^4})(10)$

根据式(10),如果仅考虑给定的单一模式,很容易认为粗糙度对电磁波衰减的影响随频率的升高而减小,损耗值与频率成反比。

2.2 多波模作用下的传播损耗

根据多波模理论,巷道中无线电的传播是多个波模共同作用的结果[5]。(m,n) 波模入射到巷道壁的掠射角ϕ1mn和ϕ2mn的范围均为[0,π/2],由式(2)及式(3)可推导出巷道中可能传输波模的最高阶数为mmax≅2w/λ,nmax≅2h/λ。巷道中所有可能传输的波模总数为

$\begin{array}{l}{\rm M}=(2m{}_{\max }+1)(2n{}_{\max }+1)-1\\ =16wh/\lambda {}^2+4(w+h)/\lambda (11)\end{array}$

由式(11)可知, 巷道中所有可能传输的波模总数与频率的平方成正比。由式(10)可知,粗糙度散射损耗与模式阶数的三次方成正比;对于固定阶数的波模,粗糙度散射损耗与频率的一次方成反比。因此,在多波模的综合作用下,电磁波散射损耗随频率增长的趋势很可能大于单波模损耗下降的趋势。

假设发射机发射功率恒定,将发射功率归一化并平均分配给各次波模,则经过传输距离z后,各波模因粗糙度产生的散射损耗因子为

$L{}_{\text{r}\text{o}\text{u}\text{g}\text{h}\text{n}\text{e}\text{s}\text{s}}=10\ln \left(\frac{1}{{\rm M}}{\displaystyle \sum _m{\displaystyle \sum _n\rho }}{}_{mn}\right)(12)$

若考虑波导效应和巷道壁粗糙度的共同作用,则总传播损耗为

$L{}_{\text{o}\text{v}\text{e}\text{r}\text{a}\text{l}\text{l}}=10\ln \left[\frac{1}{{\rm M}}\left({\displaystyle \sum _m{\displaystyle \sum _n\text{e}}}\text{x}\text{p}\left(-ik{}_{zmn}z\right)\sqrt{\rho {}_{mn}}\right){}^2\right](13)$

3 仿真分析

运用Matlab软件仿真分析巷道壁粗糙度对电波传播特性的影响。设矩形巷道高度为3 m,宽度为4 m,巷道壁的电参数为10,传输距离为100 m,表面粗糙度标准方差σ=0.074 9。因为粗糙度对水平极化波和垂直极化波的影响一样,所以本文只仿真水平极化波的情况。

图1给出了(0,1)、(3,3)波模及多波模因巷道壁粗糙度引起的散射损耗随频率变化特性。可见,单波模和多波模共同作用下的电磁波传播特性存在显著差异。在高频处,巷道壁粗糙度对传播特性的影响不是减小,而是增大,与理论推断结果吻合。这一结果可由判断巷道壁粗糙程度的Rayleigh判据来佐证。根据Rayleigh判据,当入射波以一定掠射角φ掠入射导巷道壁时,入射波与反射波的相位差Δφ=2kσsin ϕ,其中k为电磁波在2π空间距离内的波长数,k=2π/λ。如果Δφ>π/2,即σ>λ/(8sin ϕ),则巷道表面是粗糙的。由判据可证,电磁波频率越高,巷道壁粗糙度的作用越明显。

图2给出了多波模综合作用下粗糙巷道壁内电磁波传播损耗随频率的变化曲线。可见,在不考虑巷道壁粗糙度时,电磁波传播损耗随频率的增大而减小;而在考虑巷道壁粗糙度时,电磁波总体传播特性发生改变,传播损耗随频率的增大而增大。该结论和参考文献[1,2]中根据单波模分析所得的结果不同,可见不能利用单波模的特性替代多波模综合作用的特性。由图2还可看出,大约在0.4～2 GHz之间存在一个低衰减的频段,该结论与参考文献[6,7,8]中根据实测数据得出的分析结果相一致,证明了理论分析的正确性。

4 结论

根据多波模传输理论,推导出多波模综合作用下因巷道壁粗糙度引起的电磁波衰减计算公式,并得出结论: ① 分析巷道电磁波传输特性时,不能利用单波模的特性替代多波模综合作用的特性。② 由于巷道中多模式电磁波的共同作用,频率越高,因巷道壁粗糙度造成的衰减越大,对电波传播衰减特性的影响也越大。③ 在巷道无线电通信中,0.4～2 GHz是较理想的低衰减频段,该结论对巷道等受限空间通信频率的选择具有一定的参考价值。

参考文献

[1]EMSLIE A,LAGACE R,STRONG P.Theory of thepropagation of UHF radio waves in coal mine tunnels[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1975,23(2):192-205.

[2]MAHMOUD S F,WAIT J R.Geometrical opticalapproach for electromagnetic wave propagation inrectangular mine tunnels[J].RADIO SCI-RadioScience,1974,9(12):1147-1158.

[3]ZHANG S,LI B Y.The influence of scattering onmultipath channel characteristic of tunnel[C]//6thInternational Symposium on Antennas,Propagation andEM Theory,2003.

[4]张申.帐篷定律与隧道无线数字通信信道建模[J].通信学报,2002,23(11):41-50.

[5]霍羽,徐钊,郑红党.矩形隧道中的多波模传播特性[J].电波科学学报,2010,12(6):1225-1230.

[6]赵红,孙继平.矿井移动通信频率的选择[J].煤矿自动化,1997,20(4):20-22.

[7]曹育红.矿井无线通信系统的频率选择[J].工矿自动化,2005,31(4):38-40.

电磁辐射,你知道多少 第10篇

什么是电磁辐射?简单地说,就是任何带电体周围都存在电场,周期变化的电场就会产生周期变化的磁场,电磁波由此而生。电磁波向空中发射或泄漏的现象叫电磁辐射。过量的电磁辐射就造成了电磁污染。研究证实,磁场会增加儿童患癌的风险,而且从2mG(毫高斯)起,风险开始加倍。事实上,长期处在磁场超过1mG的地方,您就已经受到辐射威胁了。

电视:磁场对儿童的干扰大

如果发现儿童在电视机前玩耍,或靠得太近观看,大人应及时引导孩子远离电视机。因为,发育中的孩子比成人更容易受磁场干扰。

卧室:电器勿放床铺附近

床铺大概要算是测量家中电磁场的重头戏。可想而知,如果长期睡在高磁场的地方,对健康的影响有多大。经常出差的人总抱怨睡眠质量不好,其实很可能是宾馆的床铺附近放置的空调、电暖器、空气清新器等电器在作怪。要知道,一个小型电暖器的磁场就高达200mG以上。所以,任何电器都应该远离您的床铺。

微波炉:只插电不使用也辐射

与其他电器不同的是,微波炉插着电不使用,也照样有辐射。有些机型按键板附近的磁场可高达30mG~60mG,使用时则超过200mG。据研究,泄漏的微波对男性生殖系统的伤害很大,因此,小男孩更应避开。

冰箱:把散热管上的灰尘除掉

冰箱是厨房中高磁场的所在。据测算,当冰箱制冷系统正在运作,发出嗡嗡声时,冰箱后侧或下方的散热管线释放的磁场高出前方几十倍甚至几百倍(冰箱前方测得的磁场强度是1mG~9mG,后方正中央可高达300mG)。冰箱散热管线上附着的灰尘会影响冰箱的使用效率,把灰尘除掉,不仅能提高冰箱的使用效率,也能减低磁场强度。

电脑:主机辐射不能忽视

电磁辐射传播途径 第11篇

超高频检测法是目前国内外研究气体绝缘开关 (GIS) 局部放电的热点方法之一, 该方法通过检测局部放电辐射出的超高频电磁波评估绝缘状态, 这些电磁波包括TEM、TE和TM等模波[1]。有限时域差分法 (FDTD) 用于计算各种复杂电磁问题, 是求解麦克斯韦微分方程的直接时域方法[2,3,4]。

本文使用FDTD研究电磁波在GIS腔体典型结构 (直线型和L型结构) 传播时的特性。仿真时设置的缺陷为高压导杆上的金属尖刺, 该缺陷类型易产生TE模波 (Hz≠0, Ez=0) 而较难产生TM模波 (Ez≠0, Hz=0) [5,6], 故本文主要在0～1.5GHz频段范围内探讨TEM和TE模波的传播特性。

1仿真模型设计

参照一段220kV单相GIS母线的尺寸, 内导杆半径、腔体内半径分别为5.3cm、16cm, 设计了直线、L型结构的仿真模型, 如图1所示。

对于同轴结构中电磁波的传播, TEM可在任何频率下传播, 但TE波在低于截止频率以下是不能传播的。TEm1模波的截止频率可以用式 (1) 进行估算[7,8]:

$f{}_{\text{c}}=\frac{cm}{\pi (a+b)},m=1‚2‚3‚\Lambda ,n=1(1)$

式中a为导杆半径, b为腔体半径, c为光速。针对本文的仿真模型, TEm1 (m=1, 2, 3) 模波的截止频率依次为448、896和1344MHz。

在距离模型端口10cm处、导杆径向方向设置一段2cm的金属尖刺作为激励源, 而L型结构则分别设置在0°和90°两个方向, 以此仿真电磁波不同激发方向产生的影响。该激励源采用幅值为1A, 负载为50欧姆的高斯电流脉冲, 能辐射出带宽为3GHz的高频电磁波信号, 其时域波形和频谱如图2所示。

在相对激励源0°、90°、180°三个方向每隔10cm分别设置一个信号测量点, 接收方向沿导杆径向指向筒壁, 每个方向共16个, 如图1中a～p点所示。

仿真中计算的激励源信号最高频率为3GHz, 模型最大剖分胞元尺寸为

$L{}_{\max }=\frac{c}{10f}(2)$

式 (2) 中c为光速, f为激励最高频率, 因此剖分单元为1cm1cm1cm, 每一个接收点占据一个剖分单元, 则接收到的电压为$V=0.01\stackrel{}{E}‚\stackrel{}{E}$为接收点所处胞元的电场强度。直线型和L型模型剖分后尺寸分别为200cells74cells74cells、137cells74cells137cells, 剖分所需内存大小分别为39.65MB、47.46MB。仿真时间步长为19.5ps, 总仿真时间长度为97.5ns。仿真模型端口均采用PML (perfect matched layer) 匹配层, 该层是一种特殊的介质层, 其波阻抗与相邻介质的波阻抗完全匹配, 电磁波在PML层上会被完全吸收而不存在折反射现象。

2仿真结果分析

2.1直线型结构

(1) 时域结果

仿真结果表明, 0°方向上距离放电源较近时信号峰峰值和能量较大, 但从d点开始出现较大衰减, 而从f点以后则保持相对平稳;而90°和180°两方向上信号峰峰值和能量的变化不大, 整体呈微弱下降趋势, 如图3所示。

图3中的Vpp0、Vpp90、Vpp180、N0、N90、N180分别为相对于激励源0°、90°、180°方向信号峰峰值和能量。

直线型结构0°方向点a、p两点处信号时域波形存在很明显的区别。a点处信号能量主要集中在时域波形前端部分, 而p点处信号能量则较分散, 如图4所示。

由于不同截止频率的模波具有不同的传播速度, 截止频率越低的模波反而具有更高的传播速度[9], 所以随着传播距离的增加, 高次模波逐渐滞后低次模波, 各模波发生分离, 形成了速度色散效应。因此, 距离激励源较远的测量点先记录到TEM波和低次模波, 其次是高次模波, 表现出信号峰峰值减小的特征。对p点A、B两部分信号进行频谱分析可得, A部分主要是0～500MHz的信号分量, 而B部分则主要是0.5～1.5GHz的信号分量, 可见TE21、TE31模波已明显滞后于TEM波和TE11模波。

(2) 频域结果

直线型结构相对于激励源0°、180°方向上的信号均存在TE11、TE21、TE31等模波分量, 而90°方向上仅存在TE21模波分量, b点信号频谱特征如图5所示。

因此0°方向信号受模波速度色散效应影响, 信号峰峰值及能量变化较大;而90°方向信号仅包含TE21模波, 所以受速度色散效应影响较小, 表现出信号幅值和能量变化不大的特点;电磁波经过GIS筒壁和导杆的一系列折反射到达180°方向的信号测量点, 由于原始信号和筒壁、导杆的反射波叠加, 因此该方向上的电磁波信号峰峰值和能量变化不大。

2.2L型结构

(1) 时域结果

激励源位于0°时, 相对激励源0°、90°、180°方向各测量点的信号峰峰值和能量均表现出相同特征, 即f点以前信号特征和直线型结构的结果相同, 而随着传播的继续进行, 信号峰峰值和能量从f点开始先升高, 然后在k点附近下降, 如图6所示, 虚线表示L型结构转折处。

在L型结构前, 前行波与L型结构产生的反射波叠加, 信号峰峰值和能量均增大;L型结构的存在, 电磁波信号一部分在此处发生反射折回, 一部分进入下一部分, 导致整个能量的分散, 因此经过L结构后信号峰峰值和能量大幅衰减;远离L型结构后, 电磁波传播特性与直线型的结果相同。

而当激励源位于90°时, 相对激励源0°、90°、180°的信号峰峰值特征与直线型结构结果相同, 如图7所示, 虚线表示L型结构转折处。

此时L型结构处于相对于激励源的90°方向, 而该方向上只有TE21模波, 反射波对前行波影响较小, 因此没有出现如图6所示特征。

(2) 频域结果分析

仿真结果表明, 在L型结构中, 激励源无论是处于0°还是90°方向, 其频域结果相似, 本文仅以激励源处于0°方向为例进行分析。

相对于激励源0°、180°两个方向的信号频谱特征基本上与直线型结果相同, 而在90°方向上则出现了TE11、TE21模波分量, 如图8所示。

90°方向信号频谱特征与直线型结果不符, 表明L型结构反射电磁波时存在模波模式转变现象, 即模波模式发生转变, 产生了新的模波分量。另外, 与直线型结果相比较, 图8所示谱图在各个模波截止频率周围出现了振荡, 存在谐振现象。

通过分析相对于激励源0°、180°、90°处o点信号频谱特征可得, 相对于激励源0°、180°两个方向上信号表现出来的特征与直线型结构结果相同, 且震荡较小。但90°方向上的信号则出现TE11、TE21、TE31等模波分量 (TE11含量较小) , 如图9所示。

由于此时信号没有反射波, 据此判断电磁波通过L型结构时会产生模式转变现象。同时, o点处0～0.456GHz频段范围内信号与b点处信号含量相当, 该频段范围内为TEM波, 表明L型结构对TEM波的传播影响较小。

2.3反射波结果分析

仿真结果表明, 激励源处于0°时产生的反射波峰峰值较其处于90°方向时的大, 但两方向的反射波频谱特征相同, 故本文仅选择激励源处于0°方向、远离L型结构的b点处信号为例进行分析。

(1) 相对于激励源0°方向

相对于激励源0°方向的直线型和L型结构b点处信号时域信号波形前端部分几乎一样, 但随着传播时间的延续, 大约在5ns附近, L型b点处信号开始与反射波叠加, 如图10所示。

反射波的峰峰值大约为前行波的20%, 由于高次模波速度色散效应, 峰值未出现在波头附近。对反射波进行频谱分析可得, 该方向上的反射波存在TE11、TE21、TE31等模波, 与前行波所不同的是TEM波含量较少。

(2) 相对于激励源90°方向

相对于激励源90°方向的直线型和L型结构b点处信号及反射波时域特征与图10所示结果相同。对该方向反射波进行频谱分析可得该方向反射波存在TE11、TE21、TE31等模波, 如图11所示。

L型结构产生的反射波中存在TE11、TE31等模波, 表明L型结构也可通过反射产生模式转变。

图11中显示的TE11、TE31模波含量均小于图10中的结果, 表明相对于激励源方向不同, L型结构对模式转变的影响程度不同, 相对于激励源0°方向所产生的模式转变效应较强。

3结论

(1) 电磁波在直线型结构传播时, 0°和180°方向的信号含有TE11、TE21及TE31等模波分量;而90°方向只有TE21模波, 其信号峰峰值和能量小于其它方向。由于模波速度色散效应, 相对于激励源0°信号峰峰值和能量衰减较快, 90°方向受其影响较小;

(2) 电磁波在L型结构中传播时:

a、 激励源处于0°方向时, 由于反射波影响, 信号峰峰值和能量均从L型结构前开始先升高, 然后在经过结构后再迅速下降。而当激励源处于90°方向时, 信号特征与直线型结构结果相同;

b、 无论激励源处于哪个角度, 相对于激励源0°、180°方向的信号频谱特征相同, 即两方向均存在TEm1各模波, 且含量无明显变化;相对于激励源90°方向的信号变化较大, L型结构前后, 该方向信号均出现TE11和TE31模波, 表明L型结构可产生模波模式转变效应, 会产生新的模波分量, 且L型结构对模式转变的影响因激励源方向不同而不同。

摘要：本文使用有限时域差分法 (FDTD) 对由局部放电产生的电磁波在GIS典型结构 (直线型和L型结构) 中的传播特性进行了仿真研究。通过设置不同的电磁波激发方向、对比不同测量角度的信号时域和频域特征、以及比较两种结构的仿真结果, 获得了TEM波和TE模波在直线型和L型结构中的传播特性, 以及L型结构产生的反射波特征。仿真结果表明, 影响电磁波传播的因素主要包括电磁波激发方向、模波速度色散和模波模式转变等。

关键词：局部放电,电磁波,有限时域差分,GIS

参考文献

[1]王建生, 邱毓昌, 赵有斌, 等 (Wang Jiansheng, QiuYuchang, Zhao Youbin) .气体绝缘开关中电磁波的传播特性 (Propagation characteristics of electromagnetic waves inGIS) [J].电网技术 (Power System Tech.) , 1999, 23 (9) :150-155.

[2]李信, 李成榕, 李亚莎, 等 (Li Xin, Li Chengrong, LiYasha) .有限时域差分法对GIS局部放电传播的分析 (Analysis on partial discharge in GIS by FDTD method) [J].电机工程学报 (Proc.CSEE) , 2005, 25 (17) :1-3.

[3]李军浩, 司文荣, 毕海涛, 等 (Li Junhao, Si Wenrong, BiHaitao, et al.) .基于负极性下局部放电测量的变压器油中气泡发展过程实验研究 (Study of bubbledevelopment in transformer oils based on PD measurement innegative point-plane gaps) [J].电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.&Energy) , 2008, 27 (2) :63-67.

[4]司文荣, 李军浩, 郭弘, 等 (Si Wenrong, Li Junhao, GuoHong, et al.) .直流下局部放电重复率的数学物理模型 (Study on mathematical physics model of DC PD repetitionrate) [J].电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.&Energy) , 2008, 27 (4) :27-31.

[5]Manabu Yoshimura, Hirotaka Muto, Chieke Nishida, et al.Propagation properties of electromagnetic wave through T-branch in GIS[J].IEEE Trans.on Dielectrics and Elec.Insulation, 2007, 14 (2) :328-332.

[6]司文荣, 李军浩, 黎大健, 等 (Si Wenrong, Li Junhao, LiDajian, et al.) .基于宽带检测的局放脉冲波形快速特征提取技术 (Fast feature extraction technique for PD pulseshape based on wideband detection) [J].电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.&Energy) , 2008, 27 (2) :21-25.

[7]Shigemitsu Okabe, Sadayuki Yuasa, Shuhei Kaneko.Simulation of propagation characteristics of higher order modeelectromagnetic waves in GIS[J].IEEE Trans.onDielectrics and Elec.Insulation, 2008, 13 (4) :855-861.

[8]汲胜昌, 门阳, 刘昱雯, 等 (Ji Shengchang, Men Yang, LiuYuwen, et al.) .运行中电力变压器油箱表面振动特性的研究 (Study on oil tank surface vibration characteristics forrunning power transformer) [J].电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.&Energy) , 2007, 26 (2) :24-28.