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基于FDTD算法的微带线辐射特性研究

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作者:原作原创  来源:网络转载  发布时间:2016-04-20 15:14:00

   摘 要:用时域有限差分(FDTD)分析方法,吸收边界为单轴各向异性介质完全匹配层(UPML),信号源用峰值为1V,带宽0~10 GHz的高斯脉冲。微带线特性阻抗50 、激励信号源内阻及负载均与微带线相匹配。先求得微带线辐射近场,再用近场到远场的转换方法研究微带线在半径为3 m原点为球心的球面上辐射场分布特征。结果有助于PCB布局、布线及电磁兼容性设计。 
  关键词:时域有限差分法 微带线 特性阻抗 辐射场
  中图分类号:O441.4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)11(c)-0018-03 
  随着科学技术和工艺技术的发展,电子设备呈现出高速、宽带、高灵敏度、布线及元器件密度大、体积小等特点,由电磁辐射引发的问题更加突出。电磁辐射不仅对设备内部的其它电路和周围空间设备形成电磁干扰,影响其正常工作,甚至引发重大事故,而且造成环境污染,对人身健康造成伤害。发达国家均制定了强制性标准来限制电子设备的辐射发射。电磁辐射是当前的研究热点和重要的研究课题。PCB上的微带线是承载信号的主要载体之一,因此研究其辐射特性具有重要的意义。 
  由于FDTD方法是以Maxwell方程为基础,其结果是三维的“完备”的矢量场,同时FDTD方法经过长期发展完善,使其成功地在时域内应用于分析微带线和其它电磁问题[1]。因此,该文选用FDTD方法研究50微带线的辐射场分布特征。 
  用FDTD方法对微带电路进行研究时,吸收边界选用单轴各向异性介质完全匹配层(UPML)[1],层数为10;激励信号源采用峰值为1V、带宽为0~10 GHz高斯脉冲,用平面激励网络的方式对微带线进行激励[2]。在微带线的特性阻抗、激励信号源及负载均为50 的条件下,在用FDTD方法得到微带线辐射近区场的基础上,用近场到远场转换方法[2]研究微带线在图1所示的坐标原点为球心,半径为3 m的球面上辐射场特征。 
  文献[1]及该文作者在文献[2]中均介绍了UPML吸收边界、有集总元件的FDTD迭代公式、微带线的激励方式、FDTD法的近场到远场转换方法。该文重点介绍所研究微带线结构参数及高斯脉冲信号源,对结果进行分析。 
  1 时域仿真分析 
  1.1 微带线结构模型 
  PCB结构如图1所示,(a)为俯视图,(b)为正视图,微带线(PCB)的长度为l1,PCB的宽度为l2,微带线宽度为w,微带线及返回路径为铜(εr=1、μr=1、σ=5.8×107S/m),厚度t=0.1mm,微带线在PCB上对称分布,h、μr、εr分别为PCB介质基板厚度、相对磁导率和相对介电常数为,μr=1,tanδ=0.02。port 1和port 2分别接与微带线特性阻抗匹配的激励信号源和负载。 
  1.2 激励信号源 
  1.3 微带线参数及数值分析 
  1.3.1 微带线参数 
  50微带线的参数如表1所示。表1中l1、l2、w、t和h的单位为mm,特性阻抗Z的单位为。 
  取△x=0.125 mm,△y=0.5 mm,△z=0.1 mm,△t=0.2ps;选取UPML为吸收边界,层数取10;采用平面网络激励方式[2]激励微带线;数据输出边界面距PCB的边缘均为10个网格单元。 
  1.3.2数值结果分析 
  结果表明,在激励端口1(port1),信号峰值为500 mV,表明激励源与微带线阻抗匹配;在端口2(port2),信号峰值为482.4 mV,说明微带线对信号有衰减。 
  由于PCB结构、信号源与负载端信号幅度在图1所示坐标系中存在x和y方向的对称性,选取xoz和yoz平面内的五个点,,,,研究微带线辐射场在x方向及y方向的分布特征。 
  图3、图4和图5分别为、和总场E的幅值在xoz平面内的变化规律。在xoz平面内,随θ的增加,Eθ的峰值增加,EΦ的峰值减小;在同一点,EΦ的峰值大于Eθ的峰值,且二者之差随θ的增加而减小;在点,即PCB的正上方,,,且远大于,故电场主要在y方向,总场最大,且总场随θ的增加而减小。 
  图6、图7和图8分别为、和总场E的幅值在yoz平面内的变化规律。在yoz平面内,随θ的增加Eθ减小,但在点处的Eθ峰值远小于其余两个方向;随θ的增加EΦ减小,且在点处EΦ峰值远大于其余两个方向;在点处,因,,且远大于,故电场主要在y方向,且总场随θ的增加而减小。 
  2 结语 
  50微带线所产生辐射场在其正上方最大,正上方EΦ峰值远大于Eθ峰值,辐射场沿微带线长度方向为主并随θ的增加而减小;在xoz平面,随θ的增加,Eθ增加而EΦ减小,且EΦ峰值大于Eθ峰值;在yoz平面,Eθ在点处很小,在其它两个方向,随θ的增加,Eθ减小,随θ增加,EΦ减小。 
  参考文献 
  [1] 葛德彪,闫玉波.电磁波时域有限差分方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005. 
  [2] 陈建华,周立鹏,李瑛.差分对非对称性对信号完整性及噪声的影响[J].河南科技大学学报,2013,34(4):45-50.


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