Advanced Modeling in Computational Electromagnetic Compatibility (Hardcover)
暫譯: 計算電磁相容性中的進階建模 (精裝版)

Dragan Poljak

Advanced Modeling in Computational Electromagnetic Compatibility (Hardcover)

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商品描述

Description

This book will enable readers to handle various EMC problems, to develop their own EMC computational models in applications in research and industry, and to better understand numerical methods developed and used by other researchers and engineers not only in EMC, but in other areas of engineering. For example, students and engineers can use the calculation methods for the radiation of base station antennas for planning the location of GSM and UMTS base stations and for the human exposure assessment based on material covered. The applied models can also be used to solve other research problems. This book will provide a crash course in fundamentals on electromagnetics and numerical modeling, and will cover a broad range of EMC problems of interest.
 

 

Table of Contents

PART I: FUNDAMENTAL CONCEPTS IN COMPUTATIONAL ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY.

1. Introduction to Computational Electromagnetics and Electromagnetic Compatibility.

1.1 Historical Note on Modeling in Electromagnetics.

1.2 Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Interference.

1.2.1 EMC Computational Models and Solution Methods.

1.2.2 Classification of EMC Models.

1.2.3 Summary Remarks on EMC Modeling.

1.3 References.

2. Fundamentals of Electromagnetic Theory.

2.1 Differential Form of Maxwell Equations.

2.2 Integral Form of Maxwell Equations.

2.3 Maxwell Equations for Moving Media.

2.4 The Continuity Equation.

2.5 Ohm’s Law.

2.6 Conservation Law in the Electromagnetic Field.

2.7 The Electromagnetic Wave Equations.

2.8 Boundary Relationships for Discontinuities in Material Properties.

2.9 The Electromagnetic Potentials.

2.10 Boundary Relationships for Potential Functions.

2.11 Potential Wave Equations.

2.11.1 Coulomb Gauge.

2.11.2 Diffusion Gauge.

2.11.3 Lorentz Gauge.

2.12 Retarded Potentials.

2.13 General Boundary Conditions and Uniqueness Theorem.

2.14 Electric and Magnetic Walls.

2.15 The Lagrangian Form of Electromagnetic Field Laws.

2.15.1 Lagrangian Formulation and Hamilton Variational Principle.

2.15.2 Lagrangian Formulation and Hamilton Variational Principle in Electromagnetics.

2.16 Complex Phasor Notation of Time-Harmonic Electromagnetic Fields.

2.16.1 Poyinting Theorem for Complex Phasors.

2.16.2 Complex Phasor Form of Electromagnetic Wave Equations.

2.16.3 The Retarded Potentials for the Time-Harmonic Fields.

2.17 Transmission Line Theory.

2.17.1 Field Coupling Using Transmission Line Models.

2.17.2 Derivation of Telegrapher’s Equation for the Two-Wire Transmission Line.

2.18 Plane Wave Propagation.

2.19 Radiation.

2.19.1 Radiation Mechanism.

2.19.2 Hertzian Dipole.

2.19.3 Fundamental Antenna Parameters.

2.19.4 Linear Antennas.

2.20 References.

3 Introduction to Numerical Methods in Electromagnetics.

3.1 Analytical Versus Numerical Methods.

3.1.1 Frequency and Time Domain Modeling.

3.2 Overview of Numerical Methods: Domain, Boundary, and Source Simulation.

3.2.1 Modeling of Problems via the Domain Methods: FDM and FEM.

3.2.2 Modeling of Problems via the BEM: Direct and Indirect Approach.

3.3 The Finite Difference Method.

3.3.1 One-Dimensional FDM.

3.3.2 Two-Dimensional FDM.

3.4 The Finite Element Method.

3.4.1 Basic Concepts of FEM.

3.4.2 One-Dimensional FEM.

3.4.3 Two-Dimensional FEM.

3.5 The Boundary Element Method.

3.5.1 Integral Equation Formulation.

3.5.2 Boundary Element Discretization.

3.5.3 Computational Example for 2D Static Problem.

3.6 References.

4 Static Field Analysis.

4.1 Electrostatic Fields.

4.2 Magnetostatic Fields.

4.3 Modeling of Static Field Problems.

4.3.1 Integral Equations in Electrostatics Using Sources.

4.3.2 Computational Example: Modeling of a Lightning Rod.

4.4 References.

5 Quasistatic Field Analysis.

5.1 Introduction.

5.2 Formulation of the Quasistatic Problem.

5.3 Integral Equation Representation of the Helmholtz Equation.

5.4 Computational Example.

5.4.1 Analytical Solution of the Eddy Current Problem.

5.4.2 Boundary Element Solution of the Eddy Current Problem.

5.5 References.

6 Electromagnetic Scattering Analysis.

6.1 The Electromagnetic Wave Equations.

6.2 Complex Phasor Form of the Wave Equations.

6.3 Two-Dimensional Scattering from a Perfectly Conducting Cylinder of Arbitrary Cross-Section.

6.4 Solution by the Indirect Boundary Element Method.

6.4.1 Constant Element Case.

6.4.2 Linear Elements Case.

6.5 Numerical Example.

6.6 References.

PART II: ANALYSIS OF THIN WIRE ANTENNAS AND SCATTERERS.

7 Wire Antennas and Scatterers: General Considerations.

7.1 Frequency Domain Thin Wire Integral Equations.

7.2 Time Domain Thin Wire Integral Equations.

7.3 Modeling in the Frequency and Time Domain: Computational Aspects.

7.4 References.

8 Wire Antennas and Scatterers: Frequency Domain Analysis.

8.1 Thin Wires in Free Space.

8.1.1 Single Straight Wire in Free Space.

8.1.2 Boundary Element Solution of Thin Wire Integral Equation.

8.1.3 Calculation of the Radiated Electric Field and the Input Impedance of the Wire.

8.1.4 Numerical Results for Thin Wire in Free Space.

8.1.5 Coated Thin Wire Antenna in Free Space.

8.1.6 The Near Field of a Coated Thin Wire Antenna.

8.1.7 Boundary Element Procedures for Coated Wires.

8.1.8 Numerical Results for Coated Wire.

8.1.9 Thin Wire Loop Antenna.

8.1.10 Boundary Element Solution of Loop Antenna Integral Equation.

8.1.11 Numerical Results for a Loop Antenna.

8.1.12 Thin Wire Array in Free Space: Horizontal Arrangement.

8.1.13 Boundary Element Analysis of Horizontal Antenna Array.

8.1.14 Radiated Electric Field of the Wire Array.

8.1.15 Numerical Results for Horizontal Wire Array.

8.1.16 Boundary Element Analysis of Vertical Antenna Array: Modeling of Radio Base Station Antennas.

8.1.17 Numerical Procedures for Vertical Array.

8.1.18 Numerical Results.

8.2 Thin Wires Above a Lossy Half-Space.

8.2.1 Single Straight Wire Above a Dissipative Half-Space.

8.2.2 Loaded Antenna Above a Dissipative Half-Space.

8.2.3 Electric Field and the Input Impedance of a Single Wire Above a Half-Space.

8.2.4 Boundary Element Analysis for Single Wire Above a Real Ground.

8.2.5 Treatment of Sommerfeld Integrals.

8.2.6 Calculation of Electric Field and Input Impedance.

8.2.7 Numerical Results for a Single Wire Above a Real Ground.

8.2.8 Multiple Straight Wire Antennas Over a Lossy Half-Space.

8.2.9 Electric Field of a Wire Array Above a Lossy Half-Space.

8.2.10 Boundary Element Analysis of Wire Array Above a Lossy Ground.

8.2.11 Near-Field Calculation for Wires Above Half-Space.

8.2.12 Computational Examples for Wires Above a Lossy Half-Space.

8.3 References.

9 Wire Antennas and Scatterers: Time Domain Analysis.

9.1 Thin Wires in Free Space.

9.1.1 Single Wire in Free Space.

9.1.2 Single Wire Far Field.

9.1.3 Loaded Straight Thin Wire in Free Space.

9.1.4 Two Coupled Identical Wires in Free Space.

9.1.5 Measures for Postprocessing of Transient Response.

9.1.6 Computational Procedures for Thin Wires in Free Space.

9.1.7 Numerical Results for Thin Wires in Free Space.

9.2 Thin Wires in a Presence of a Two-Media Configuration.

9.2.1 Single Straight Wire Above a Real Ground.

9.2.2 Far Field Equations.

9.2.3 Loaded Straight Thin Wire Above a Lossy Half-Space.

9.2.4 Two Coupled Horizontal Wires in a Two Media Configuration.

9.2.5 Thin Wire Array Above a Real Ground.

9.2.6 Computational Procedures for Horizontal Wires Above a Dielectric Half-Space.

9.2.7 Computational Examples.

9.3 References.

PART III: COMPUTATIONAL MODELS IN ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY.

10 Transmission Lines of Finite Length: General Considerations.

10.1 Transmission Line Theory Method.

10.2 Antenna Models of the Transmission Lines.

10.2.1 Above-Ground Transmission Lines.

10.2.2 Below-Ground Transmission Lines.

10.3 References.

11 Electromagnetic Field Coupling to Overhead Lines: Frequency Domain and Time Domain Analysis.

11.1 Frequency Domain Analysis: Derivation of Generalized Telegrapher’s Equations 345

11.2 Frequency Domain Computational Results.

11.2.1 Single Wire Above an Imperfect Ground.

11.2.2 Multiple Wire Transmission Line Above an Imperfect Ground.

11.3 Time Domain Analysis.

11.4 Time Domain Computational Examples.

11.4.1 Single Wire Transmission Line.

11.4.2 Two Wire Transmission Line.

11.4.3 Three Wire Transmission Line.

11.5 References.

12 The Electromagnetic Field Coupling to Buried Cables: Frequency- and Time-Domain Analysis.

12.1 The Frequency-Domain Approach.

12.1.1 Formulation in the Frequency Domain.

12.1.2 Numerical Solution of the Integral Equation.

12.1.3 The Calculation of Transient Response.

12.1.4 Numerical Results.

12.2 Time-Domain Approach.

12.2.1 Formulation in the Time Domain.

12.2.2 Time-Domain Energy Measures.

12.2.3 Time-Domain Numerical Solution Procedures.

12.2.4 Computational Examples.

12.3 References.

13 Simple Grounding Systems.

13.1 Vertical Grounding Electrode.

13.1.1 Integral Equation Formulation for the Vertical Grounding Electrode.

13.1.2 The Evaluation of the Input Impedance Spectrum.

13.1.3 Numerical Procedures for Vertical Grounding Electrode.

13.1.4 Calculation of the Transient Impedance.

13.1.5 Numerical Results.

13.2 Horizontal Grounding Electrode.

13.2.1 Integral Equation Formulation for the Horizontal Electrode.

13.2.2 The Evaluation of the Input Impedance Spectrum.

13.2.3 Numerical Procedures for Horizontal Electrode.

13.2.4 The Transient Impedance Calculation.

13.2.5 Numerical Results.

13.3 Transmission Line Method Versus Antenna Theory Approach.

13.3.1 Transmission Line Method (TLM) Approach to Modeling of Horizontal Grounding Electrode.

13.3.2 Computational Examples.

13.4 Measures for Quantifying the Transient Response of Grounding Electrodes.

13.4.1 Transient Response Assessment.

13.4.2 Measures for Quantifying the Transient Response.

13.4.3 Computational Examples.

13.5 References.

14 Human Exposure to Electromagnetic Fields.

14.1 Environmental Risk of Electromagnetic Fields: General Considerations.

14.1.1 Nonionizing and Ionizing Radiation.

14.1.2 Electrosmog or Radiation Pollution at Low and High Frequencies.

14.1.3 The Effects of Low Frequency Fields.

14.1.4 The Effects of High Frequency Fields.

14.1.5 Remarks on Electromagnetic Fields and Related Possible Hazard to Humans.

14.2 Assessment of Human Exposure to Electromagnetic Fields: Frequency and Time Domain Approach.

14.2.1 Frequency Domain Cylindrical Antenna Model.

14.2.2 Realistic Models of the Human Body for ELF Exposures.

14.2.3 Human Exposure to Transient Electromagnetic Fields.

14.3 Human Exposure to Extremely Low Frequency (ELF) Electromagnetic Fields.

14.3.1 Parasitic Antenna Representation of the Human Body.

14.3.2 Realistic Modeling of the Human Body.

14.4 Exposure of Humans to Transient Radiation: Cylindrical Model of the Human Body.

14.4.1 Time Domain Model of the Human Body.

14.4.2 Measures of the Transient Response.

14.5 References.

Index.

商品描述(中文翻譯)

**描述**

本書將使讀者能夠處理各種電磁相容性（EMC）問題，開發自己在研究和工業應用中的 EMC 計算模型，並更好地理解其他研究人員和工程師在 EMC 及其他工程領域所開發和使用的數值方法。例如，學生和工程師可以使用基站天線的輻射計算方法來規劃 GSM 和 UMTS 基站的位置，並根據所涵蓋的材料進行人類暴露評估。所應用的模型也可以用來解決其他研究問題。本書將提供電磁學和數值建模基礎的速成課程，並涵蓋一系列廣泛的 EMC 問題。

**目錄**

第一部分：計算電磁相容性的基本概念。

1. 計算電磁學和電磁相容性簡介。
1.1 電磁學建模的歷史說明。
1.2 電磁相容性與電磁干擾。
1.2.1 EMC 計算模型和解決方法。
1.2.2 EMC 模型的分類。
1.2.3 EMC 建模的總結說明。
1.3 參考文獻。

2. 電磁理論的基本原理。
2.1 馬克士威方程的微分形式。
2.2 馬克士威方程的積分形式。
2.3 移動介質的馬克士威方程。
2.4 連續性方程。
2.5 歐姆定律。
2.6 電磁場中的守恆定律。
2.7 電磁波方程。
2.8 材料性質不連續的邊界關係。
2.9 電磁勢。
2.10 潛在函數的邊界關係。
2.11 潛在波方程。
2.11.1 庫倫規。
2.11.2 擴散規。
2.11.3 洛倫茲規。
2.12 延遲勢。
2.13 一般邊界條件和唯一性定理。
2.14 電牆和磁牆。
2.15 電磁場法則的拉格朗日形式。
2.15.1 拉格朗日公式和哈密頓變分原理。
2.15.2 電磁學中的拉格朗日公式和哈密頓變分原理。
2.16 時間諧波電磁場的複相量表示法。
2.16.1 複相量的波因廷定理。
2.16.2 電磁波方程的複相量形式。
2.16.3 時間諧波場的延遲勢。
2.17 傳輸線理論。
2.17.1 使用傳輸線模型的場耦合。
2.17.2 對於雙線傳輸線的電報方程推導。
2.18 平面波傳播。
2.19 輻射。
2.19.1 輻射機制。
2.19.2 赫茲偶極子。
2.19.3 基本天線參數。
2.19.4 線性天線。
2.20 參考文獻。

3. 電磁學中的數值方法簡介。
3.1 分析方法與數值方法。
3.1.1 頻域與時域建模。
3.2 數值方法概述：領域、邊界和源模擬。
3.2.1 通過領域方法建模問題：有限差分法（FDM）和有限元素法（FEM）。
3.2.2 通過邊界元素法（BEM）建模問題：直接和間接方法。
3.3 有限差分法。
3.3.1 一維 FDM。
3.3.2 二維 FDM。
3.4 有限元素法。
3.4.1 FEM 的基本概念。
3.4.2 一維 FEM。
3.4.3 二維 FEM。
3.5 邊界元素法。
3.5.1 積分方程公式。
3.5.2 邊界元素離散化。
3.5.3 二維靜態問題的計算範例。
3.6 參考文獻。

4. 靜態場分析。
4.1 靜電場。
4.2 磁靜場。
4.3 靜態場問題的建模。
4.3.1 使用源的靜電學中的積分方程。
4.3.2 計算範例：避雷針的建模。
4.4 參考文獻。

5. 准靜態場分析。
5.1 簡介。
5.2 准靜態問題的公式化。
5.3 亥姆霍茲方程的積分方程表示。
5.4 計算範例。
5.4.1 渦流問題的解析解。
5.4.2 渦流問題的邊界元素解。
5.5 參考文獻。

6. 電磁散射分析。
6.1 電磁波方程。
6.2 波方程的複相量形式。
6.3 從任意橫截面的完美導體圓柱的二維散射。
6.4 通過間接邊界元素法的解。
6.4.1 常數元素情況。
6.4.2 線性元素情況。
6.5 數值範例。
6.6 參考文獻。

第二部分：細線天線和散射體的分析。

7. 線天線和散射體：一般考量。
7.1 頻域細線積分方程。
7.2 時域細線積分方程。
7.3 頻域和時域的建模：計算方面。
7.4 參考文獻。

8. 線天線和散射體：頻域分析。
8.1 自由空間中的細線。
8.1.1 自由空間中的單直線。
8.1.2 細線積分方程的邊界元素解。
8.1.3 計算輻射電場和線的輸入阻抗。
8.1.4 自由空間中細線的數值結果。
8.1.5 自由空間中的塗層細線天線。
8.1.6 塗層細線天線的近場。
8.1.7 塗層線的邊界元素程序。
8.1.8 塗層線的數值結果。
8.1.9 細線環形天線。
8.1.10 環形天線積分方程的邊界元素解。
8.1.11 環形天線的數值結果。
8.1.12 自由空間中的細線陣列：水平排列。
8.1.13 水平天線陣列的邊界元素分析。
8.1.14 線陣列的輻射電場。
8.1.15 水平線陣列的數值結果。
8.1.16 垂直天線陣列的邊界元素分析：無線基站天線的建模。
8.1.17 垂直陣列的數值程序。
8.1.18 數值結果。

8.2 位於損耗半空間上的細線。
8.2.1 位於耗散半空間上的單直線。
8.2.2 位於耗散半空間上的負載天線。
8.2.3 位於半空間上方的單線的電場和輸入阻抗。
8.2.4 位於實地面上方的單線的邊界元素分析。
8.2.5 索默菲爾德積分的處理。
8.2.6 電場和輸入阻抗的計算。
8.2.7 位於實地面上方的單線的數值結果。
8.2.8 位於損耗半空間上的多條直線天線。
8.2.9 位於損耗半空間上方的線陣列的電場。
8.2.10 位於損耗地面上方的線陣列的邊界元素分析。
8.2.11 位於半空間上方的線的近場計算。
8.2.12 位於損耗半空間上方的線的計算範例。
8.3 參考文獻。

9. 線天線和散射體：時域分析。
9.1 自由空間中的細線。
9.1.1 自由空間中的單線。
9.1.2 單線的遠場。
9.1.3 自由空間中的負載直細線。
9.1.4 自由空間中的兩條耦合相同線。
9.1.5 瞬態響應的後處理措施。
9.1.6 自由空間中細線的計算程序。
9.1.7 自由空間中細線的數值結果。
9.2 在雙介質配置中存在的細線。
9.2.1 位於實地面上方的單直線。
9.2.2 遠場方程。
9.2.3 位於損耗半空間上方的負載直細線。
9.2.4 在雙介質配置中的兩條耦合水平線。
9.2.5 位於實地面上方的細線陣列。
9.2.6 位於介電半空間上方的水平線的計算程序。
9.2.7 計算範例。
9.3 參考文獻。

第三部分：電磁相容性的計算模型。

10. 有限長傳輸線：一般考量。
10.1 傳輸線理論方法。
10.2 傳輸線的天線模型。
10.2.1 地面以上的傳輸線。
10.2.2 地面以下的傳輸線。
10.3 參考文獻。

11. 電磁場耦合到架空線：頻域和時域分析。
11.1 頻域分析：廣義電報方程的推導。
11.2 頻域計算結果。
11.2.1 位於不完美地面上的單線。
11.2.2 位於不完美地面上的多條線傳輸線。
11.3 時域分析。
11.4 時域計算範例。
11.4.1 單線傳輸線。
11.4.2 兩條線傳輸線。
11.4.3 三條線傳輸線。
11.5 參考文獻。

12. 電磁場耦合到埋地電纜：頻域和時域分析。
12.1 頻域方法。
12.1.1 頻域中的公式化。
12.1.2 積分方程的數值解。
12.1.3 瞬態響應的計算。
12.1.4 數值結果。
12.2 時域方法。
12.2.1 時域中的公式化。
12.2.2 時域能量測量。
12.2.3 時域數值解程序。
12.2.4 計算範例。
12.3 參考文獻。

13. 簡單接地系統。
13.1 垂直接地電極。
13.1.1 垂直接地電極的積分方程公式化。
13.1.2 輸入阻抗頻譜的評估。
13.1.3 垂直接地電極的數值程序。
13.1.4 瞬態阻抗的計算。
13.1.5 數值結果。
13.2 水平接地電極。
13.2.1 水平電極的積分方程公式化。
13.2.2 輸入阻抗頻譜的評估。
13.2.3 水平電極的數值程序。
13.2.4 瞬態阻抗計算。
13.2.5 數值結果。
13.3 傳輸線方法與天線理論方法的比較。
13.3.1 水平接地電極建模的傳輸線方法（TLM）。

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