微波谐振腔点火装置快速时域有限差分法仿真

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2024.06.019

现代防御技术 ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (6): 147-152.DOI: 10.3969/j.issn.1009-086x.2024.06.019

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微波谐振腔点火装置快速时域有限差分法仿真

余建华¹, 白志刚², 李有文¹

^1.山西机电职业技术学院，山西长治 046000
^2.山西航天清华装备有限责任公司，山西长治 046000

收稿日期:2023-08-02 修回日期:2024-01-02 出版日期:2024-12-28 发布日期:2024-12-26
作者简介:余建华(1980-)，女，江苏张家港人。讲师，硕士，研究方向为飞行器设计与制造、汽车智能技术、机械电子工程。
基金资助:
2022年山西省“十四五“规划课题(GH-221002);山西省教育科学规划课题(ZC-20049)

Simulation of Microwave Resonator Ignition Using the Fast Finite Difference Time Domain Method

Jianhua YU¹, Zhigang BAI², Youwen LI¹

^1.Shanxi Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Changzhi 046000，China
^2.Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co. ，Ltd. ，Changzhi 046000，China

Received:2023-08-02 Revised:2024-01-02 Online:2024-12-28 Published:2024-12-26

摘要/Abstract

摘要：

在火炮点火或汽车发动机点火中，微波点火装置已成为热门研究方向之一，其中微波谐振腔点火装置是最基本的点火装置。基于谐振腔这一简单电子器件结构，在传统时域有限差分法（finite difference time domain,FDTD）基础上提出一种快速时域有限差分法用来对谐振腔进行电磁仿真。新方法将麦克斯韦旋度方程的差分形式写作矩阵形式，将谐振腔的结构、入射波的频率等信息包含在矩阵中。该方法可以通过求解矩阵幂快速求解从而得到目标时间的瞬时电场值，相较传统FDTD，新方法在长时间仿真谐振腔电场分布具有巨大时间优势。仿真实验表明，对于相同的谐振腔，在仿真时间长度大于100 000个时间步长时，该方法的时间效率可提高数倍甚至百倍，仿真结果仍然保持与传统方法的一致性。

关键词: 微波谐振腔, 微波点火装置, 时域有限差分法（FDTD）, 快速FDTD, 电磁仿真, 点火装置

Abstract:

In the field of artillery and automobile engine ignition， microwave ignition devices have emerged as a prominent area of research. Among these， microwave resonator ignition devices are considered fundamental ignition devices. We propose a fast time-domain finite difference method for simulating the resonant cavity， building upon the traditional finite difference time domain （FDTD） method. The new method writes the differential form of Maxwell's curl equation into matrix form containing the information on the resonant cavity structures and the incident wave frequencies. The instantaneous value of the electric field can be quickly calculated by solving for the power of the matrix. Compared with traditional FDTD， the new method has great time advantages in simulating the resonant cavity’s electric field distribution for a long time. The simulation experiments demonstrate that， for the same resonator cavity， when the simulation time exceeds 100 000-time steps， the proposed method achieves a significant improvement in time efficiency， sometimes even several times or up to 100 times faster. Moreover， the simulation results remain consistent with those obtained from the traditional method.

Key words: microwave resonator cavity, microwave ignition, finite difference time domain （FDTD）, fast FDTD, electromagnetic simulation, ignition

中图分类号:

TJ306

余建华, 白志刚, 李有文. 微波谐振腔点火装置快速时域有限差分法仿真[J]. 现代防御技术, 2024, 52(6): 147-152.

Jianhua YU, Zhigang BAI, Youwen LI. Simulation of Microwave Resonator Ignition Using the Fast Finite Difference Time Domain Method[J]. Modern Defense Technology, 2024, 52(6): 147-152.

图/表 8

图1 传统FDTD仿真235 ms后谐振腔电场分布

Fig. 1 Traditional FDTD simulates the electric field distribution of the resonator after 235 ms

图2 基于谐振腔快速FDTD仿真235 ms后谐振腔电场分布

Fig. 2 Fast FDTD simulates the electric field distribution of the resonator after 235 ms

图3 2种方法仿真方法235 ms后谐振腔电场值对比

Fig. 3 Comparison of the two methods simulate resonator electric field values after 235 ms

图4 谐振器结构

Fig. 4 Resonator structure

图5 传统FDTD仿真18.8 ms后谐振腔电场分布

Fig. 5 Traditional FDTD simulates the electric field distribution of the resonator after 18.8 ms

图6 基于谐振腔快速FDTD仿真18.8 ms后谐振腔电场分布

Fig.6 Fast FDTD simulates the electric field distribution of the resonator after 18.8 ms

图7 2种方法仿真方法18.8 ms后谐振腔电场分布

Fig. 7 Comparison of the two methods simulate resonator electric field values after 18.8 ms

表1 2种方法仿真使用时间 (s)

Table 1 Comparison of the consumption time using two methods

时间步数（ $Δ t$ ）	10²	10³	10⁴	10⁶	10⁵	10⁷
本文方法	30.5	53.1	65.1	91.8	97.3	115.4
传统方法	0.04	0.12	0.65	07.06	459	58 824

表1 2种方法仿真使用时间 (s)

Table 1 Comparison of the consumption time using two methods

时间步数（ $Δ t$ ）	10²	10³	10⁴	10⁶	10⁵	10⁷
本文方法	30.5	53.1	65.1	91.8	97.3	115.4
传统方法	0.04	0.12	0.65	07.06	459	58 824

参考文献 15

1	BONAZZA T J， VAN VOORHIES K L， SMITH J E. RF Plasma Ignition System Concept for Lean Burn Internal Combustion Engines［C］∥27th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference （1992）. Warrendale： SAE International， 1992： 929416.
2	VAN VOORHIES K L， BONAZZA T J， SMITH J E. Analysis of RF Corona Discharge Plasma Ignition［C］∥27th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference （1992）. Warrendale： SAE International， 1992： 929502.
3	张贵新，侯凌云，王强，等. 横磁振荡模式（TM₀₁₀）微波谐振腔的多点点火方法［J］. 汽车安全与节能学报， 2015， 6（2）： 179-183.
	ZHANG Guixin， HOU Lingyun， WANG Qiang， et al. Method to Realize Multi-point Ignition Based on the Microwave Resonant of Transverse Magnetic Resonant Mode（TM₀₁₀）［J］. Journal of Automotive Safety and Energy， 2015， 6（2）： 179-183.
4	金娇荣. 微波点火技术及其在汽油机上的应用［J］. 汽车维护与修理， 2019（15）： 64-69.
	JIN Jiaorong. Microwave Ignition Technology and Its Application on Gasoline Engines［J］. Auto Maintenance & Repair， 2019（15）： 64-69.
5	郑良岑. 微波多点点火研究［D］. 成都：电子科技大学， 2022.
	ZHENG Liangcen. Research on Multipoint Ignition by Microwave［D］. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2022.
6	刘永喜，张贵新，侯凌云，等. 基于圆柱形谐振腔的高气压微波等离子体发生装置的电磁特性［J］. 高电压技术， 2013， 39（7）： 1757-1762.
	LIU Yongxi， ZHANG Guixin， HOU Lingyun， et al. Electromagnetic Characteristics of High Pressure Microwave Plasma Generator Based on a Cylindrical Resonant Cavity［J］. High Voltage Engineering， 2013， 39（7）： 1757-1762.
7	彭志伟，曾葆青，蔡文博，等. 一种汽车发动机微波点火器的仿真研究［J］. 真空电子技术， 2013（5）： 4-6.
	PENG Zhiwei， ZENG Baoqing， CAI Wenbo， et al. Simulation Study on an Automobile Engine Microwave Ignition［J］. Vacuum Electronics， 2013（5）： 4-6.
8	TAFLOVE A， HAGNESS S C， PIKET-MAY M. Computational Electromagnetics： The Finite-Difference Time-Domain Method［M］∥CHEN Waikai. The Electrical Engineering Handbook. Burlington： Academic Press， 2005： 629-670.
9	GAFFAR M， JIAO Dan. Alternative Method for Making Explicit FDTD Unconditionally Stable［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2015， 63（12）： 4215-4224.
10	YAN Jin， JIAO Dan. Fast Explicit and Unconditionally Stable FDTD Method for Electromagnetic Analysis［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2017， 65（8）： 2698-2710.
11	赵斯晗，魏兵，何欣波. 显式无条件稳定FDTD方法中周期边界的引入附视频［C］∥中国电子学会2021年全国天线年会论文集. 宁波：中国电子学会天线分会， 2021： 2377-2380.
	ZHAO Sihan， WEI Bing， HE Xinbo. Introduction of Periodic Boundary for Explicit Unconditionally Stable FDTD Method［C］∥Proceedings of the 2021 National Antenna Annual Conference of the Chinese Institute of Electronics. Ningbo： Antenna Branch of the Chinese Institute of Electronics， 2021： 2377-2380.
12	蒋昊林. 时域有限差分法中高效算法的实现［D］. 南京：东南大学， 2020.
	JIANG Haolin. Implementation of Efficient Algorithms in Finite-Difference Time-Domain Method［D］. Nanjing： Southeast University， 2020.
13	王心楷. 无条件稳定时域有限差分法在探地雷达系统的应用［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2021.
	WANG Xinkai. Application of Unconditionally Stable Finite Difference Time Domain Method in Ground Penetrating Radar System［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2021.
14	高林. 色散媒质的无条件稳定ADI-FDTD算法的研究［D］. 合肥：安徽大学， 2020.
	GAO Lin. Research on Unconditionally Stable ADI-EDTD Algorithm for Dispersive Media［D］. Hefei： Anhui University， 2020.
15	张铭. 无条件稳定FDTD在微波传输线中的应用研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2019.
	ZHANG Ming. Research on Unconditional Stable Finite-Difference Time-Domain in Numerical Calculation of Microwave Transmission Lines［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2019.

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Simulation of Microwave Resonator Ignition Using the Fast Finite Difference Time Domain Method

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