1． 引言

　　強(qiáng)瞬態(tài)電磁脈沖輻射場(chǎng)能對(duì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾及破壞，近年來(lái)愈來(lái)愈受到重視。對(duì)電磁脈沖能量的準(zhǔn)確測(cè)量是研究瞬態(tài)電磁脈沖能量對(duì)電子設(shè)備的毀傷及其防護(hù)機(jī)理的基礎(chǔ)工作。

　　瞬態(tài)電磁脈沖有以下特點(diǎn)：（1）脈沖的上升時(shí)間短（快的達(dá)亞納秒量級(jí)，慢的為微秒量級(jí)）； 寬度窄（窄的為納秒量級(jí)，寬的為毫秒量級(jí)）。從頻譜看，其能量分布在非常寬的頻帶上，可以從直流一直到幾百兆赫茲。（2）我們關(guān)心的電磁脈沖輻射場(chǎng)多為近 區(qū)場(chǎng)，其電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間不滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)波阻抗關(guān)系，電場(chǎng)、磁場(chǎng)都要同時(shí)給出才能準(zhǔn)確描述電磁脈沖場(chǎng)的特性。（3）電磁脈沖產(chǎn)生的隨機(jī)性很強(qiáng)，重復(fù)性差。如雷電 電磁脈沖、艦船、飛機(jī)等電力電子系統(tǒng)的電磁脈沖輻射噪聲時(shí)發(fā)生的時(shí)間、部位的隨機(jī)性等。（4）測(cè)量空間有限，測(cè)試設(shè)備體積太大還會(huì)干擾被測(cè)場(chǎng)，影響測(cè)量的 精度。因此瞬態(tài)電磁脈沖輻射場(chǎng)的測(cè)量設(shè)備要滿(mǎn)足以下幾個(gè)要求：測(cè)量系統(tǒng)帶寬滿(mǎn)足測(cè)試要求；一次測(cè)量能同時(shí)得到三個(gè)極化方向的電場(chǎng)或磁場(chǎng)；測(cè)試設(shè)備體積小。

　　目前國(guó)內(nèi)外普遍采用光纖傳輸系統(tǒng)來(lái)測(cè)量電磁脈沖輻射場(chǎng)。這些產(chǎn)品采用的傳感器大多數(shù)都是單極化的，只能測(cè)量某一方向的電場(chǎng)或磁場(chǎng)。當(dāng)需要了解同一場(chǎng)點(diǎn)的全部信息時(shí)，要分別沿不同極化方向?qū)﹄妶?chǎng)、磁場(chǎng)進(jìn)行多次測(cè)試或者一次測(cè)量采用多個(gè)測(cè)量傳感 器。這樣的測(cè)量存在以下問(wèn)題：（1）缺乏相位信息，不利于電場(chǎng)或磁場(chǎng)分量的合成；（2）而重復(fù)性較差的電磁脈沖采用多次測(cè)量的方法，不僅測(cè)量誤差大，而且 有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)；(3)一次測(cè)量采用多個(gè)測(cè)量傳感器會(huì)引起相互的干擾，需要占用較大的空間，而且測(cè)量位置不能保證在同一點(diǎn)。

　　基于以上原因考慮，本文提出了一種三維瞬態(tài)電場(chǎng)測(cè)量天線(xiàn)模型－平板型結(jié)構(gòu)，為了檢驗(yàn)其效果，使用FDTD法對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了一些重要結(jié)論，對(duì)天線(xiàn)的實(shí)物設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2． 三維寬帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)仿真

　　2.1 FDTD法

　　時(shí)域有限差分法（Finite Difference-Time Domain,簡(jiǎn)稱(chēng)FDTD是一種電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法。該方法直接對(duì)依賴(lài)時(shí)間變量的Maxwell旋度方程做二階精度的中心差分近似，把旋度方程 中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的微分算子轉(zhuǎn)換成差分形式，也就是說(shuō)，它把Maxwell方程時(shí)間和空間上的連續(xù)變量在時(shí)域和空域中離散化，并在每個(gè)離散點(diǎn)上用差分代替微分。由于FDTD法直接來(lái)源于Maxwell方程,所以從理論上講，它具有最廣泛的適用性。

　　在對(duì)Maxwell方程差分化的過(guò)程中，F(xiàn)DTD存在著數(shù)值穩(wěn)定性問(wèn)題和數(shù)值色散問(wèn)題。數(shù)值穩(wěn)定性問(wèn)題限制了時(shí)間步的大?。?/p>

數(shù)值色散限制了一定頻率下的網(wǎng)格尺寸，在計(jì)算時(shí)，通常要求 。其中，是被研究媒質(zhì)空間的最小波長(zhǎng)值（對(duì)應(yīng)最高頻率）。在模擬大結(jié)構(gòu)時(shí)，有時(shí)將要求放寬為

　　?。?）

　　計(jì)算域的劃分如圖1所示，整個(gè)計(jì)算域是由六個(gè)面包圍的立方體，四周設(shè)置10層的被修正的完 全匹配層 (MPML)吸收邊界條件,為了便于入射波的引入和參數(shù)的提取，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分成兩個(gè)區(qū)域：總場(chǎng)區(qū)和散射場(chǎng)區(qū)，它們的連接邊界如圖1 的虛線(xiàn)所示，入射波就從該邊界引入。

2.2 三維傳感器結(jié)構(gòu)

　　對(duì)于數(shù)值模擬中傳感器結(jié)構(gòu)，選用平板型三維電場(chǎng)傳感器，見(jiàn)圖2。體積應(yīng)盡可能的小以減少傳感器對(duì)被測(cè)電場(chǎng)的影響，結(jié)構(gòu)內(nèi)部是10×10×10cm的導(dǎo)電立方體，作為天線(xiàn)的接地極；在它的六個(gè)表向外等距離放置大小相等的6個(gè)正方形導(dǎo)電平板，作為天線(xiàn)的極板。

　圖2 平板型三維電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)