脉冲电压电流沿偶极天线传播过程的等效电路法分析

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------脉冲电压电流沿偶极天线传播过程的等效电路法分析第49卷第9期2000年9月1000-3290/2000/49(09)/1696-06物　理　学　报ACTAPHYSICASINICAVol.49,No.9,September,2000c2000Chin.Phys.Soc.脉冲电压电流沿偶极天线传播过程的等效电路法分析王均

2、宏(北方交通大学光波研究所,北京　100044)(1998年10月29日收到;2000年5月6日收到修改稿)　　首先用差分方法求解了偶极天线上的静态电容分布,并分析了分布电容与天线结构参数之间的关系.然后用分布电容构造了可用于分析时域特性的偶极天线的等效电路,给出了该电路的时域求解方法.通过这一方法,可以求解任何脉冲源馈入偶极天线输入端时,天线上任意点、任意时刻的电压、电流值,从而可以分析脉冲电压、电流沿天线的传播特性,解释脉冲电压、电流传播过程中的各种现象.关键词:脉冲电流,脉冲电压,偶极天线,等效电路,

3、传播PACC:4110D,4110H,4110F要求的是天线两臂间的分布电容.方法是先给定天线上的电压V0,再确定电位分布,由电位梯度的法向分量得到天线上的电荷密度分布——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------ρ,再由Cu=2πr0ρ/V0得到分布电容.r0为天线半径.电位的求解从自由

4、空间中的拉普拉斯方程Δ2φ=0出发.在柱坐标系下,由偶极天线的旋转对称性得φ+φ+φ=0.rrrz22[1—11]1　引言,对脉冲电磁波通从应用角度研究脉冲天线,重点一般放在脉冲电磁波离开天线后的特性上过天线过程中所出现物理现象的机理则很少关心,这正是我们对脉冲电磁波辐射机理的认识不够深入的原因.事实上,如果能深入了解脉冲电磁波的辐射机理,认清影响天线辐射特性的根本原因,即使不进行复杂的计算也可能设计出性能优良的脉冲天线.文献[12]从电磁场与电荷相互作用的角度出发,借助于数值模拟方法研究了脉冲电磁波通过天

5、线的过程,指出了脉冲电磁波的辐射是电荷动能与电磁场能量在天线上不连续处相互转化的结果.重点在脉冲辐射源于何处的问题上,以场方法为主.本文则从等效电路的角度研究天线上脉冲电压、电流的传播过程,并对电流传播过程中出现的“回流”现象进行讨论.偶极天线的等效电路已有报导[13,14],但主要用于分析正弦波.这——————————————————————————————————————-------------------------------------------------------------------

6、-----------------------------类等效电路一般不能用于分析时域问题.本文从求解天线上的分布电容着手,构造可在时域求解的等效电路,同时给出求解方法.(1)上式仅涉及到r和z两个坐标.将r-z面划分成一系列边长为Δr=Δz=Δs的正方形小块,如图2所示.用中心差分代替微分得到(i,j)点电位2i-1)φ(2i+1)φφi-1,j+i+1,ji,j[(8i+2i(φ].i,j-1+φi,j+1)(2)在计算上式时要注意两个问题:一是i=0,即计算(天线导体之外的)轴线上的电位时,上式不能

7、使用,可由电位沿径向的连续性令φ(φ/0,j=-1,j+φ1,j)2=φ1,j求得.二是利用(2)式进行差分迭代时必须有确定的边界条件.除了天线导体之外,本文将远处的边界值一律设为零.这种假设所带来的误差在边界设置得足够远时可以忽略.天线导体上电位则为给定的任意值,一正一负.得到电位分布后,由E=-Δφ和D=ε=(D·n)(天线表面)得到0E以及ρ天线表面的电荷密度分布.利用以上方法我们计算了一些天线的分布电2　求解偶极天线上电容的分布静态偶极天线如图1所示.天线两臂上的电荷分布唯一确定了天线周围的静态场分

8、布规律.我们(69601008).——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------图3　零电位边界对天线上单位长度分布电容的影响图1　天线及其周围的静态场分布图图4　天线粗细对单位长度分布电容的影