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雷电回击传输线模型
Baba,Y.和 V.A.Krakow
摘要：垂直通道中雷电回击广泛使用的传输线（TL）模型最明显的通过电流源的垂直相控阵列体现，它在回击速度v等于光速c的情况下产生球形横向电磁波（TEM）。如果雷电通道的半径等于零，那么可以在通道底部应用一个假想的无限小纯源球形TEM波来进行等效表示。 非零半径的垂直导线在地面上由其底部的实用源所激发，无法支持不衰减的电流波，而相关联的电磁场结构是非tem波。
介绍
闪电回击的传输线（TL）模型已广泛用于雷电电磁脉冲（LEMP）计算，这些研究包括电源和通信线路的雷电电磁耦合，根据测量的电场和磁场（以及触发闪电情况下的通道基电流）估算雷电特性，以及在较低电离层产生短暂光学发射（精灵） 这种模式经常被看作在通道基座中包含集总电流源，其将指定电流注入到通道中。 假定注入的电流波沿通道向上传播而没有衰减或失真。 根据推导出的TL模型预测出的电场和磁场的简单表达式，将它用在平坦导电地面上方的垂直导电通道以及光速c等于回击速度v的情况。 导出的表达式显示所有点处的电场和磁场波形在空间上与通道底部的波形相同。 此外，电场仅具有theta;方向分量，磁场仅具有方位角分量，并且场幅度随着与通道基底的相反距离而变化。 因此，在这种特殊情况下（v = c），电磁场结构是一个球形横电磁（TEM）波。该结果适用于零球半径线，其底端由纯粹的球形TEM波的无穷小来源激发。 在本文中，我们考虑实用的非零半径导体和实际电流源。
本文的结构如下。 我们首先使用有限差分时域方法求解麦克斯韦方程组，证明在v = c的TL模型下，垂直相控阵电流源在完全导电的地上，产生一个球形TEM波，与Thottappillil等人为TL模型分析得到的相同。 然后，我们将相同的方法应用于导电接地上方的垂直完美导线的底部的集总电流源，并显示由各种其他电磁模型预测的合成场结构为非TEM。 最后，我们将相同的时域有限差分方法应用于垂直导电导线底部的垂直相控阵电流源（TEM场激励），表明完全导电的地面上方的电磁场结构激发区域是非TEM。 我们的结论是TL模型需要在整个闪电通道上施加电流分布，这是一个电流源的分阶段阵列和实际的集总电源在其底端激励的实际垂直导体不能支持未衰减的电流波。 这些结论也适用于具有v lt;c的TL模型（通过使用较高介电常数介质实现）的更现实的情况。
- 案例1：垂直相控电流源阵列
在TL模型中，在任意高度zrsquo;和时间t处的垂直和垂直闪电通道中的纵向电流I（zrsquo;，t）表示如下：
I(zrsquo;,t)=I(0,t-zrsquo;/v) (1)
其中v是回击速度，I（0，t）是通道基电流。 等式（1）描述了沿通道施加的电流分布，因此它是严格的.
图1.在一个完全导电平面上的空气中的垂直相电流源阵列。
只有通过向上移动的回击前沿逐渐激活的垂直相控阵电流源才能满足。 请注意，这种通道表示对于任何v都是有效的，并且不需要在通道半径或源大小上进行任何不切实际的假设。v的典型值是c的三分之一到二分之一。 在本文中，我们将假设v = c。
图1表示在完全导电平面上的285个电流源的垂直相控阵，其电磁场结构使用FDTD方法进行分析。 图1所示的整体矩形体积被分成1 m3的立方单元。 匹配的层（PML）（吸收边界）被设置在体积的顶部和侧面，以避免那里的反射。 在底部，体积由完全导电的平面限制，该平面通过迫使边界处的电场的切向分量为零来模拟。 后一种方法也用于模拟案例2和3中的导线。
每个电流源产生一个幅值为1kA的高斯脉冲，
图2.在FDTD过程中Z= 0时电流源的规格。
移动的返程达到其高度。 在FDTD分析中，例如在Z= 0处的电流源通过指定四个磁场元件Hx1（t），Hx2（t），Hy1（t）和Hy2（t），如图2所示：Zrsquo;= 0处的高斯电流波形表示为
I（0，t）=exp[-()2(t-)2] (2)
常量b和t0控制脉冲的宽度。 在本分析中，b设为2.5，t0设为100 ns。 得到的脉冲的半峰宽为67ns。 这个电流波形比实际的雷电流波形更方便，可以证明这里研究的效果，这主要是因为它具有明确定义且易于追踪的峰值。
电流和磁场的计算时间为1ms，时间增量为1.25ns。 这个时间增量在时间步长稳定极限内。
图3a显示了在理想导电平面以上0,20,50,100和200m高度处的电流波形。 图3b示出了点A1，B1和C1处的垂直和水平电场以及点A2，B2和C2在这些点消失），全部使用FDTD方法计算。 点A1，B1和C1以及垂直相控电流源阵列底座所在的直线与45度角的底部完美导电平面交叉（请参阅图1）。 通道底座与点A1，B1和C1之间的倾斜距离分别为35.3,70.7,106m，
图3.不同高度和电流下的（a）电流波形
（b）使用用于所示垂直相控电流源阵列的FDTD方法计算的点A1，B1，C1，A2，B2和C2在图1中。
图4.使用由Thottappillil等人分析得到的简单表达式计算的电场波形。 从通道底部到点A2，B2和C2的距离分别为50,100和150m。
图4显示了在相同的六个观测点处的电场，使用由Thottappillil等人分析导出的简单表达式计算。在图3b和4中，将指向远离垂直阵列的电场和向下电场分别定义为正水平场和正垂直电场。
图3b波形（1 mtimes; 1 m截面辐射结构，数值结果）与图4中的相应波形（零半径辐射结构，分析结果）基本相同，这证实了此处使用的FDTD方法的有效性。 在这两种情况下，电磁场结构都是球形TEM波。
3.情况2：由集总电流源激励的地面以上的垂直导体
图5显示了一个由集总电流源（高度为1 m）激励的垂直导线，其基极采用FDTD方法分析其电磁场结构。 这种配置（图5）与案例1（图1）的主要区别在于情况1中电流沿整个通道长度施加，而情况2中电流仅施加在通道底部，其他通道部分的电流由麦克斯韦方程的解决方案确定。 导线底部的电流波形由等式（2）给出，具有与情况1中相同的b和t值0。
图5.在集中电流源的底部激励的完美导电平面上的空气中完美导电的垂直导线。 其他条件与图1相同。
图6a与图3a相比较，显示了在不同高度观察到的垂直导体上的电流波形。 图6b与图3b相比较，显示了点A1，B1和C1处的垂直和水平电场的波形以及点A2，B2和C2。
从图6a中可以清楚地看出，电流脉冲振幅在底部20m左右明显衰减，并在该高度以上逐渐减小（对于较短的电流脉冲，较大的横截面和较短的电流源，衰减更强）。 这种趋势与图3a（如预期的）形成对比，并与使用细圆柱形导线和力矩方法（MOM）的类似问题获得的结果非常吻合。 电流脉冲振幅的衰减伴随着其尾部的延长，使得电荷转移与高度无关。 底部20m内的平均传播速度为0.94c，在较高的高度时平均传播速度为C.
此外，与图3b相反，图6b中的点A1，B1或C1的垂直电场大小不等于同一点上水平电场的大小。 这表明在垂直导体周围存在电场的非零径向分量（以及坡印廷矢量的非径向分量），除了theta;方向分量（在情况1中观察到的唯一电场分量）之外。请注意，这里讨论的径向和theta;分量适用于球坐标系。
图6.不同高度和电流下的（a）电流波形
（b）使用FDTD方法计算的在空气中导电垂直导线的点A1，B1，C1，A2，B2和C2的电场在一个完全导电的平面上由集总电流源在其底部激发。
图7.使用FDTD方法计算的不同高度下的电流波形，用于由50个电流源的垂直相控阵（图3）在其底部激励的完美导电的垂直导线。
与观察到反比例的情况1相反，完美导电平面上的垂直电场比反相距离稍微更快地变化。 因此，情况2的电磁场结构是非TEM。
- 情况3：由相控电流源阵列激励的地面以上的垂直导体
图7显示了对于由50个电流源的垂直相控阵列在其底部激励的导电垂直导线计算的不同高度的电流波形。 电流源的波形与情况1中的最低50个源的波形相同（图1）。 在一个半径为50m的半球形中心位于通道底部的半球形壳体内，电磁场结构在最初的300ns内是一个TEM波，如下从案例1的分析可以看出。从图7可以看出，电流脉冲确实在TEM激励区域上方衰减。 因此，未衰减的电流分布通常要求沿着整个闪电通道长度保持TEM波激发。
- 结束语
垂直通道中雷电回击的传输线模型通过电流源的垂直相控阵来体现，其在回击速度v等于光速c的情况下产生球形TEM波。 在其底端由实际源激励的完全导电的非零半径垂直导线不能支持未衰减的电流波，并且相关的电磁场结构是非TEM。 垂直相控电流源阵列的电磁场结构不同于集总电流源激励的垂直导线的电磁场结构，对于v lt;c的更实际情况也是如此。 由实际源激励的沿地面垂直非零半径导线传播的电流脉冲不能保持其幅度，因为这样的导线通常不能被视为均匀的传输线。 地面以上的垂直圆柱体的特性阻抗与地面以上的倒圆锥体相反，随高度而变化，特别是在地面附近，即在地面产生时主要感兴趣的区域早期被认为是。 在研究闪电物理过程时，强电流分布的回闪行程模型是一种有用的工程工具，但应谨慎使用。
参考??
[1]Baba, Y., and M. Ishii, Characteristics of electromagnetic return-stroke models, IEEE Trans. Electromagn. Compat., EMC-45(1), 129 – 135, 2003.
[2]Berenger, J. P., A perfectly matched layer for the absorption of electromag- netic waves, J. Comput. Phys., 114, 185 – 200, 1994.
[3]Gomes, C., and V. Cooray, Concepts of lightning return stroke models,
IEEE Trans. Electromagn. Compat., EMC-42(1), 82 – 96, 2000.
[4]Grcev, L., F. Rachidi, and V. A. Rakov, Comparison of electromagnetic models of lightning return strokes using current and voltage sources, in Proc. of 12th Int. Conf. on Atmospheric Electricity, 593 – 596, Versailles, France, 2003.
[5]Kordi, B., R. Moini, and V. A. Rakov, Comment on lsquo;Return stroke trans- mission line model for stroke speed near and equal that of lightrsquo; by
R. Thottappillil, J. Schoene, and M. A. Uman, Geophys. Res. Lett., 29(10), 1369, doi:10.1029/2001GL014602, 2002.
[6]Kordi, B., R. Moini, and V. A. Rakov, Comparison of lightning return stroke electric fields predicted by the transmission line and antenna the- ory models, in Proc. of 15th Int. Zurich Symp. on Electromagn. Compat., 102P2, 551 – 556, Zurich, 2003.
[7]Krider, E. P., On the peak electromagnetic fields radiated by lightning return strokes toward the middle-atmosphere, J
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