1、1电子科技大学物理电子学院标 准 实 验 报 告（实验）课程名称 电磁仿真综合实践 电子科技大学教务处制表电 子 科 技 大 学实 验 报 告2学生姓名：陈国维 学 号：2904204016 指导教师： 王秉中、梁锋实验地点：211 大楼 206 机房 实验时间：2012 年 5 月6 月一、实验室名称：物理电子学院仿真实验室 二、实验项目名称：电磁仿真综合实践 I 级三、实验学时：36 学时四、实验原理：电磁仿真的时域有限差分法五、实验目的：加强学生的计算机综合应用能力、尤其是运用计算机分析和解决专业问题的能力培养，使学生对独立进行科学研究有初步实践；初步掌握一种纯数值电磁仿真方法时域有限差
2、分法；初步学会综合应用一种程序设计语言进行科学与工程计算；增强科技报告写作能力，学会相关软件使用。六、实验内容：1. 均匀平板传输线传输特性仿真2. 带挡板的平板传输线传输特性仿真七、实验器材（设备、元器件）： 电子计算机八、实验步骤：1电磁仿真的时域有限差分法。（1）数值差分原理：3数值差分是对连续函数导数的数值计算，通过对函数进行离散取值近似求解其导数，其中一阶差分公式为：* MERGEFORMAT ()()2fxhff(1)（2）时域有限差分法时域有限差分法（FDTD ）是一种直接对 Maxwell 方程（微分或积分方程）进行数值离散化的方法，其离散单元巧妙地直接反映出电场与磁场的旋度关
3、系。时域有限差分法的三大要素是：差分格式、吸收边界条件和解的稳定性。1）Yee 网格场分量取样节点在空间和时间上采取交替排布，利用电生HE,磁，磁生电的原理ttED ttHBE如图 1 所示，Yee 单元有以下特点：图 1 Yee 元胞的各场分量空间编号示意图4a) 与 分量在空间交叉放置，相互垂直；每一坐标平面上的 分EH E量四周由 分量环绕， 分量的四周由 分量环绕；场分量均HE与坐标轴方向一致。b) 每一个 Yee 元胞有 8 个节点，12 条棱边，6 个面。棱边上电场分量近似相等，用棱边的中心节点表示，平面上的磁场分量近似相等，用面的中心节点表示。c) 每一场分量自身相距一个空间步长
4、， 和 相距半个空间步长EHd) 每一场分量自身相距一个时间步长， 和 相距半个时间步长，电场取 时刻的值，磁场取 时刻的值；即：电场 n 时刻的值n12n由 时刻的值得到，磁场 时刻的值由 时刻的值得到；1 12电场 时刻的旋度对应 时刻的磁场值，磁场 时刻的旋度对应 时刻的电场值，逐步外推。()2ne) 3 个空间方向上的时间步长相等，以保证均匀介质中场量的空间变量与时间变量完全对称。应用这种离散方式，将含时间变量的Maxwell 方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场。由电磁问题的初值和边界条件，就可以逐步推进地求解以后各时刻空间电磁场分布。2）差分格式每个磁场分量
5、被四个电场分量环绕，每个电场分量被四个磁场分量环绕， 和 的空间取样位置相差半个空间步长， 和 的时EHEH间取样位置相差半个时间步长。3）蛙跳格式5图 2 FDTD 在时间步进上的蛙跳计算示意图4）稳定性条件解的稳定条件为* 22211,t vvxyzMERGEFORMAT (2)5）数值色散在 网格中，数值波模的传播速度将随频率改变，即色散，FDT这种色散由数值网格引起，而非物理上客观存在。为减小色散，使用中通常取空间步长 满足* MERGEFORMAT (3)minin2012均匀平行板传输线传输特性（一维 FDTD）的仿真。（1）一维 的差分网格FDT* 1122()1)nnnnxxy
6、yEktHkkzMERGEFORMAT (4)* 11221()nnyynnxxHkktEkzMERGEFORMAT (5)6（2）网格划分将传输线均匀分为 份，电场和磁场取样点分别为 和Nz (1)ExNz()HyNz（3）边界条件对终端短路的情况，边界条件为 ；(1)0nxENz对终端匹配的情况，边界条件为* 1 1()(1)()()nnnnctzUNzUNz MERGEFORMAT (6)* 1 10()()0nnnnctz MERGEFORMAT (7)3. 带挡板的平行板传输线传输特性（二维 FDTD）的仿真.（1）二维 的差分格式FDT122, ,11(,)(,)(,)(,)22n
7、ny ynnnnzxxxHikHikEEikikEikt z 11221 , ,1,22nny ynnxxHikHiktEikEikz 11221 , ,nny ynnzz ikiktikikx 九、实验数据及结果分析：71. 均匀平行板传输线（一维 FDTD）的仿真（终端短路和匹配）(1) 流程图已知条件激励源技术边界条件（终端短路和匹配）观侧面电压波形(2) 仿真结果及分析 0 50 100 150 200 250 300 350 400-1-0.500.510 50 100 150 200 250 300 350 400-202x 10-3图 3 一维 FDTD（终端短路）仿真图80 5
8、0 100 150 200 250 300 350 400-1-0.500.510 50 100 150 200 250 300 350 400-202x 10-3图 4 一维 FDTD（终端短路）仿真图0 50 100 150 200 250 300 350 400-1-0.500.510 50 100 150 200 250 300 350 400-202x 10-3图 5 一维 FDTD（终端匹配）仿真图90 50 100 150 200 250 300 350 400-1-0.500.510 50 100 150 200 250 300 350 400-202x 10-3图 6 一维
9、FDTD（终端匹配）仿真图由图 3 和图 4 知当终端为短路条件时，Ex 传送到终端后会反相后被反射而 Hy 传送到终端后直接被反射。由图 5 和图 6 知，当终端条件为匹配条件时，Ex 和 Hy 全都被吸收2. 带挡板的平行板传输线（二维 FDTD）的仿真（终端匹配） 。(1) 流程图已知条件二维 FDTD 方程吸收边界条件（终端匹配）在挡板前后区中取两个观测面，记录电压波形分析入射电压，反射电压，投射电压傅立叶变换求二端口网络的S 参数(2) 仿真结果及分析100 100 200 300 400 50001020-1010 50 100 150 200 250 300 350 40001020-505x 10-830 50 100 150 200 250 300 350 40001020-505x 10-3图 7 带挡板的平行板传输线（二维 FDTD 终端匹配）仿真图0 100 200 300 400 50001020-1010 50 100 150 200 250 300 350 40001020-0.0200.020 50 100 150 200 250 300 350 40001020-505x 10-3图 8 带挡板的平行板传输线（二维 FDTD 终端匹配）仿真图
