用FDTD法建模波导器件时数值色散的仿真研究

时域有限差分法(FDTD)在电磁场数值计算中占有重要的地位。但是,由于时域有限差分法只是原Maxwell旋度方程的一种近似,当在计算机的存储空间对电磁波的传播进行模拟时,即使是在非均匀介质中也会出现色散现象,且电磁波的相速度随波长、传播方向及变量离散化的情况而发生变化。受计算机存储空间和计算速度的限制及色散机理的多样性和复杂性,少有文献对此进行精确定量的数值分析。本文通过对平面光波导在不同时间步长和空间步长时光场分布的仿真,探讨了减小FDTD法数值色散的具体措施,对改进FDTD法固有缺陷和提高FDTD法计算精度具有直观的理论指导,为复杂波导器件的设计和制造提供了预测手段。     

纳米金属缝透射的FDTD边界问题研究

时域有限差分法(FDTD)可准确的模拟电磁波经任意介质的衍射与散射.本文依据时域有限差分法并引入Lorentz色散模型理论推导了适用于实际金属的时域有限差分法的迭代公式,利用积分的Maxwell方程组对实际金属边界上的电磁场进行了平均处理,保证了金属缝边界电磁场的连续性,纳米金属缝透射光强分布的数值计算结果验证了边界处理的正确性.     

基于Z变换法对双负媒质传播散射的FDTD分析

文章研究了分析双负媒质电磁散射规律的一种方法,双负媒质是介电系数和磁导系数均为负值的介质材料.引入色散Drude模型后,本构关系在时域成为卷积关系,因此将Z变换理论应用到双负媒质中的时域有限差分(FDTD)中,使FDTD可计算双负媒质中电磁波的散射和传播.该文对麦克斯韦方程做了修改,并给出双负媒质中介电系数和磁导系数均为频率函数的FDTD表达式.最后,数值仿真了电磁波与双负媒质平板的相互作用;计算了覆盖了双负媒质金属柱的电磁散射,探讨了双负媒质在隐身技术方面的应用前景.     

Z变换应用于色散媒质FDTD计算的研究

时域有限差分（FDTD）方法是计算时域电磁散射和辐射的一种简单有效的方法,仅通过一次运算就可得到系统的宽频带信息,因此被广泛应用于求解电磁场问题．但在使用FDTD计算和仿真电磁波在色散媒质中传播特性的时候,由于介电参数的复杂性,往往给计算带来一些困难,因此将Z变换理论应用到色散媒质中的FDTD计算当中,对麦克斯韦方程做了修改,使得FDTD计算式独立于色散媒质函数,并给出色散媒质中与频率有关的FDTD表达式,仿真了二维情况下电磁波在自由空间和色散媒质中的传播．此方法具有计算量小、实现简单等优点．     

基于Z变换在平板透镜成像中的FDTD分析

文章研究了分析双负媒质平板成像规律的一种方法,双负介质的介电系数和磁导系数均为频率的函数,使本构关系在时域成为卷积关系,这就给应用时域有限差分(FDTD)方法计算双负媒质平板中波的散射和传播带来困难;因此将Z变换理论应用到双负媒质中的FDTD计算当中,对麦克斯韦方程做了修改,使得FDTD计算式独立于双负媒质函数,并给出双负媒质中与频率有关的FDTD表达式;数值仿真了电磁波与双负媒质平板的相互作用,详细讨论了双负媒质平板透镜成像理论,并提出了一种球差更小的平板透镜系统.     

FDTD方法建模均匀非磁化等离子体计算效率的改进

介绍了色散介质的移位算子时域有限差分方法(SO-FDTD).通过将色散介质的介电常数写成有理分式函数形式,推导出时域中电位移矢量D和电场强度E之间的关系,将此方法应用于计算电磁波在均匀非磁化等离子体中的传播.与ZT-FDTD方法计算的结果相比, SO-FDTD方法的计算精度得到了证实,数值结果进一步显示出这一算法计算效率高,消耗的计算机资源少.     

非对称共面波导色散特性的时域多分辨分析

为分析非对称共面波导(ACPW)的色散特性,应用时域多分辨分析(MRTD)方法,采用完全匹配层(PML)吸收边界条件,对ACPW的特性阻抗进行计算,分析介质基片介电常数以及介质基片厚度对ACPW特性阻抗的影响,描绘ACPW特性阻抗随频率变化曲线.结果表明,该算法与传统的时域有限差分法(FDTD)具有良好的一致性,而计算时间缩短了近1/2.应用MRTD算法分析ACPW是有效的.     

二维大气等离子体层对雷达波的反射特性

利用时域有限差分法(FDTD)对雷达波在二维大气等离子体中传播的反射率进行了数值计算.计算结果表明,在其他条件相同的情况下,大气平板型分布的等离子体层对雷达波的反射率分别取决于入射波参数:电磁波的入射角θ;电磁波入射波频率f;电磁波传播模式(TM波,TE波)以及等离子体参数;等离子体的电子密度剖面;电子与中性粒子碰撞频率νe0;等离子体厚度d.该研究结果为提高组合介质的雷达波衰减性能研究提供理论依据.     

回音壁模圆盘谐振腔的光能分布

 回音壁模(WGM)圆盘谐振腔作为一种新的光电探测器在生物病原体的检测方面获得了应用.光在亚微米尺寸波导耦合的WGM中的传播行为是一个迫切需要了解的问题.采用时域有限差分法(FDTD)可以获得WGM的光能分布.计算结果表明:存在于WGM圆盘微腔中的微粒的吸收性会引起WGM微腔场强的明显变化.该结果对实际制作性能优良的光学生物探测器具有指导意义.     

理想介质中电磁导波特性的FDTD分析

采用时域有限差分方法（FDTD）模拟了电磁波入射一维无限大均匀介质平板时的情形,分析了介质介电系数、电导率以及介质厚度对电磁波传播的影响．结果表明：介质的介电系数影响电磁波的反射系数,介电系数越大,反射系数也越大;介质的电导率影响电磁波在介质中的衰减指数,电导率越大,则电磁波衰减得越快．     

电磁带隙结构滤波特性

电磁带隙(EBG)结构是一种周期性结构,存在明显的禁带效应.为了解其特性,研究了二维平面电磁带隙结构,该装置采用在接地金属板上光刻出阵列小孔的方法制作.在对EBG结构进行仿真和计算时,利用了完全匹配层(PML)吸收边界条件的时域有限差分法(FDTD).设计的程序采用C 和Matlab语言混合编制,既简化了程序又保持了C语言速度快的特点.最后通过大量实验和研究,提出了一种新型EBG结构,在此基础上设计出宽阻带并具有双频段带隙特性的滤波电路.     

一种截断Cole-Cole色散媒质CPML的FDTD方案

近年来,基于帕德(Padé)近似法,一种面向一般Cole-Cole色散媒质的时域有限差分(FDTD)方案被提出.为了应用该方案处理实际的电磁问题,发展了一种对应的卷积完全匹配层(CPML)吸收边界.该吸收边界具有复杂度低的优势,便于问题空间和吸收边界的统一处理.通过一维、三维2个算例,初步证实了该边界的良好吸收效果.     

基于CUDA平台的时域有限差分算法研究

文章针对传统时域有限差分(FDTD)算法的不足,以图形加速卡为核心,通过理论分析和数值模拟,研究并实现了基于CUDA平台的FDTD并行算法。CUDA是最新的可编程多线程的通用计算GPU模型,由于FDTD算法在空间上具有天然的并行性,因此非常适合在GPU上实现并行算。文章描述了在CUDA编程模型上的FDTD算法的设计以及优化过程,并通过数值仿真实验结果证明了基于GPU的并行FDTD算法可以大大减少计算时间,基于GPU加速已成为电磁场数值计算的研究热点之一。     

矩形坑道中金属门屏蔽效能分析

为了研究地下防护工程坑道中金属门对电磁波的屏蔽作用,建立了简化的计算模型,以矩形波导中TE10模和TM11模作为激励模式,运用时域有限差分法计算了金属门的屏蔽效能,分析了门框嵌入岩土介质深度、门缝大小以及贯穿导线对屏蔽效能的影响.结果表明,门框嵌入岩土介质一定的深度,可有效提高屏蔽效能;门缝的存在对屏蔽效能有较大影响,门缝大小变化时对屏蔽效能影响不大;门框外侧的贯穿导线对金属门的屏蔽效能影响非常小,贯穿导线越靠近坑道中央,对屏蔽效能的影响越大.     

使用Z变换FDTD法计算仿真色散媒质中电磁场

在使用FDTD法计算仿真电磁波在复杂色散媒质中的传播时，由于介电参数的复杂性往往给实现带来很大的困难，因此有必要对常规的Maxwell方程做出修改，使得FDTD迭代式能更独立于媒质函数，有利于程序通用化；基于此使用Z变换法把FDTD法应用到复杂色散媒质电磁场计算中；最后给出了一维情况下的仿真图．使用上述z变换法可以简便对于色散媒质FDTD法计算和编程．     

基于GPU的高阶辛FDTD算法的并行仿真研究

高阶辛时域有限差分算法(SFDTD)与传统的时域有限差分算法(FDTD)相比具有更优的稳定性和计算精度,但在进行电磁仿真时则更为耗时。为解决这一问题,文章应用SFDTD的空间并行性,研究并实现了基于计算统一设备架构(CUDA)的SFDTD的并行算法仿真;基于费米架构,分析了各种尺度网格下速度的提升,与传统的CPU实现该算法进行比较,验证了该方法的正确性和高速性。     

N阶色散媒质的瞬态传播特性

本文结合Ｚ－变换对常规的时域有限差分法（ＦＤＴＤ）进行了修正，建立了一种新的Ｎ阶色散媒质瞬态特性的时域分析方法，使ＦＤＴＤ能分析和处理与频率有关的电磁场问题，具有方法简洁、易实现等优点，为验证此方法的有效性和可靠性，对Ｎ阶色散媒质的反射系数进行了分析与计算，并与解析结果进行了比较，证明了方法的正确性，同时，采用此时域方法对瞬变电磁波在Ｎ阶色散媒质中的诚传播特性进行了分析和讨论。     

探地雷达探测岩溶灾害的研究

为了寻求解决煤矿水害事故的办法,以电磁场和电磁波传播理论为基础,首先研究了电磁场的时域有限差分法计算方法,推导出了二维的时域有限差分方程和网格空间步长、时间步长所满足的关系式,得出了在完全匹配层吸收层的网格差分格式。然后建立了探地雷达二维正演模型,数值求解合成了雷达记录剖面。在雷达剖面图中可以清晰看到异常体的反射曲线,直观地了解岩溶雷达反射剖面特征,有利于在实际探测中提高解释精度。     

应用于微波电磁场FDTD数值模拟的吸收边界条件

在应用FDTD方法模拟复杂空间中微波电磁场分布时,不仅要考虑入射电磁波的贡献,还要考虑反射电磁波的影响。对于后者,一般常采用吸收边界条件的方法予以处理。针对TEM电磁波的传播特点,推导出了一种新的吸收边界条件的表达式,并利用其对微波法金刚石膜沉积系统沉积室中电磁场的分布进行了数值模拟。     

ADI-MRTD算法在新型非对称共面波导滤波器中的应用

通过给出交替隐式时域多分辨分析算法(ADI-MRTD)公式,用完全匹配层(PML)作为ADI-MRTD算法的吸收边界条件,将其应用到非对称共面波导(ACPW)及超宽带ACPW滤波器.计算及实验结果表明,ADI-MRTD算法与传统FDTD算法相比,所需计算的网格数量减少,节省了计算内存,计算效率更高,与FDTD计算结果及...