电子设备电磁防护设计中电磁效应仿真分析方法_尹文言,赵建尧,罗伟_9787118139587

电磁效应仿真分析方法是电子设备中器件到系统级电磁兼容与电磁防护设计的基础。尤其是在电磁空间博弈日益激烈、电磁脉冲武器发展日新月异的背景下，开展电子设备中电磁效应仿真分析方法研究十分迫切。本书详细介绍电子设备中电磁效应及响应时域计算电磁学方法，给出大型平台、多类型天线、设备外壳等复杂结构中强电磁脉冲响应算例，为电磁兼容与强电磁防护设计提供理论与方法指导。

本书适合电磁兼容、电磁防护及电磁安全研发领域的高年级研究生、工程

师和相关工程技术人员阅读使用。

前言

FOREWORD

本书针对电子设备强电磁防护设计需求，系统地阐述复杂电磁效应仿真分析理论与数值计算方法。特别地，基于时域计算电磁学理论框架，分别介绍自研 TDIE-MOT/MOD 方法、Calderón 预条件技术、TDIE-TDPO 混合算法、TD-AIM-MOD 快速算法和 TDIE 大规模并行计算技术。通过大型舰船平台、导弹壳体、多频段天线阵列、设备屏蔽壳体屏蔽效能等典型多尺度、跨尺度结构中强电磁脉冲响应仿真案例，揭示电磁脉冲辐射与传导耦合过程的规律与作用机理，为敏感电子设备分系统电路器件多层级强电磁防护设计提供指导。

本书具体内容概述如下：

第 1 章从敏感电子设备的电磁防护工程需求出发，阐述设备电磁效应仿真的重要性；分别介绍时域积分方程（TDIE）方法、时域有限差分（FDTD）方法、时域有限元（FETD）方法、时域高频近似（TDPO）方法、线缆等效网络方法和混合方法的原理与应用针对性，阐明不同时域计算电磁学方法在结构适应性、计算精度和计算效率方面的特点；并且介绍电磁效应仿真并行技术。

第 2 章介绍电磁效应仿真 TDIE-MOT 方法，详细说明 TDIE-MOT 方法特点；从时变电磁场基本理论与边界条件出发，严格推导理想导体结构的时域电场积分方程（TDEFIE）、时域磁场积分方程（TDMFIE）和时域混合场积分方程（TDCFIE）；进一步地，阐述时间步进（MOT）算法的数值实现过程，包括时间基函数选取、时域积分方程数值离散方法、阻抗矩阵元素计算和典型激励源建模技术，通过典型数值算例，验证 TDIE-MOT 方法的精度。

第 3 章介绍电磁效应仿真 TDIE-MOD 方法，分别建立 TDEFIE 和 TDMFIE 的 MOD 求解格式，并且介绍自适应阶数截断方法；针对介质目标，推导出 PMCHW 方程的 MOD 离散形式，以及实现时域远场计算功能，并通过典型数值算例，验证 TDIE-MOD 方法的稳定性。

第 4 章介绍金属与介质复合结构中电磁效应仿真方法，推导出金属 - 介质复合体的联合积分方程系统；详细介绍金属体外层涂覆介质、金属贴片 - 介质衬底等典型结构的仿真技术，包括 MOD 算法中的卷积加速技术；通过典型数值算例，展示自研算法在复合结构的瞬态电磁效应及响应预测效能。

第 5 章介绍电磁效应仿真 Calderón 预条件技术。首先，从 TDIE 的病态性问题入手，阐明时域 Calderón 预条件技术的必要性；进一步地，介绍 Calderón 恒等式的离散方法、BC 空间基函数构造技术和预条件系统方程建立过程；通过典型数值算例，验证采用 Calderón 预条件技术对矩阵性态的改善效果。

第 6 章介绍电磁效应仿真 TDIE-TDPO 混合算法，特别是基于区域分解方法（DDM）的电磁场方程系统构建方法；分别建立 TDIE 区与 TDPO 区的场耦合关系，推导出 MOD 离散格式与阶数递推过程，通过典型数值算例，验证 TDIE-TDPO 混合算法在多尺度、跨尺度问题的求解能力。

第 7 章介绍电磁效应仿真 TD-AIM-MOD 快速算法，特别是自适应积分方法（AIM）与 MOD 算法的融合过程；详细介绍辅助基函数建立、近场修正、稀疏矩阵存储和快速傅里叶变换（FFT）加速等关键技术，以及算法复杂度与内存需求；通过典型数值算例，展示 TD-AIM-MOD 快速算法针对大规模电磁效应仿真问题的效能。

第 8 章介绍电磁效应仿真 TDIE 大规模并行计算技术，特别是 TDIE 并行计算实现过程；重点阐明空间基函数投影矩阵生成、规则网格点上转移矩阵构建、时空四维快速傅里叶变换加速和近场修正矩阵并行化介绍，以及 MPI 多级并行架构；通过典型数值算例，验证 TDIE 大规模并行计算技术的效率。

本书是作者长期在信息化平台与敏感设备时域计算电磁计算方法与应用等方面的成果总结，书中介绍的电子设备电磁防护设计中电磁效应核心算法与专用求解器由上海交通大学、浙江大学联合研究团队共同完成，经多届博士研究生持续优化，相关时域计算电磁学软件具有自主知识产权。

衷心感谢国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金联合基金、装发预研共性技术项目、浙江省重点基金、中国舰船研究中心和中国工程物理研究院九所对书中电磁效应仿真方法研究的资助。

同时感谢浙江大学和上海交通大学计算电磁学及应用研究方面的多位合作教授、博士研究生在本书撰写过程中提供的帮助，特别感谢浙江大学博士研究生白容川对书中所有数学公式推导与数值算例的校验。

本书参考和引用的文献和研究成果已在文中列出或说明，对相关内容感兴趣的读者可直接查阅。

电子设备电磁防护设计中电磁效应仿真方法内容广泛，涉及诸多学科领域，由于作者水平有限，经验不足，书中不妥之处在所难免，敬请广大读者、同行与专家批评指正。

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