并行FDTD算法初步研究

1966年Yee首次提出时域有限差分（FDTD）法,在时域中对麦克斯韦方程组进行求解．目前,FDTD法已在天线分析、雷达截面计算、电磁兼容分析等众多领域得到了广泛应用．FDTD法的稳定性要求空间步长应小于波长的十分之一,而计算时间和计算所需的内存总是与网格总数成正比．由于受到计算机存储空间和计算时间的限制,许多复杂电磁问题无法用FDTD法进行模拟．为了适应日益复杂的实际应用问题,构造并行计算机采用并行算法来满足计算需求成为必然趋势,     

二维FDTD算法的网络并行运算实现

提出了在由微机互连构成的机群（COW）并行计算系统上应用基于消息传递（Message Passing）的方式实现二维FDTD并行算法。通过区域分割，各个子区域在边界处与其相邻的子区域进行场值的数据传递，从而实现FDTD并行计算。文中还仔细分析了与FDTD相关的外围边界的并行化处理。我们采用MPI并行编程工具来实现并行FDTD算法。文中以二维金属方柱算例验证了算法的正确性和有效性，为运用FDTD方法进行电大尺寸复杂电磁问题数值模拟计算提供了一务有效途径。     

FDTD后时间步信号的外推与实现

根据一小段FDTD计算的时域信号,利用GPOF方法提取出组成该信号的各个复指数函数,通过将这些复指数函数相加构造出时域的信号函数,并利用它进行外推计算,以求得信号在后时间步的响应,这样比完全采用FDTD方法计算节省了大量的处理问题的时间。采用Visual Basic与MATLAB的MatrixVB联合编程的方法,编写了外推计算的程序,并将该程序应用到U形双频天线进一步优化设计中,使天线的模拟效率提高了3~6倍。     

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。     

基于并行FDTD方法的示波器机箱电磁脉冲耦合模拟

电磁脉冲可以通过示波器上的孔缝和裸露的电缆线耦合进机箱内部,使检测到的信号波形发生畸变,甚至可能毁坏内部器件。本文基于并行自适应结构网格应用支撑软件框架,采用大规模并行时域有限差分方法（FDTD）模拟不同极化方向高斯脉冲正入射示波器机箱的耦合。计算结果表明,在线极化的电磁脉冲照射下,示波器内部主极化和其他方向都存在电场分量,不同极化波耦合进入的能量衰减速度不同。     

二维FDTD算法的网络并行运算实现

提出了在由微机互连构成的机群(COW)并行计算系统上应用基于消息传递(Message Passing)的方式实现二维FDTD并行算法.通过区域分割,各个子区域在边界处与其相邻的子区域进行场值的数据传递,从而实现FDTD并行计算.文中还仔细分析了与FDTD相关的外围边界的并行化处理.我们采用MPI并行编程工具来实现并行FDTD算法.文中以二维金属方柱算例验证了算法的正确性和有效性,为运用FDTD方法进行电大尺寸复杂电磁问题数值模拟计算提供了一条有效途径.     

基于双模开环谐振器的电调带通滤波器

提出一种新型的电容可调的微带带通滤波器, 由两个双模开环谐振器组成. 由于该谐振器的两种模式(奇模和偶模)之间不存在耦合的特性, 因此可使用一个简单的直流偏置电路来分别调节谐振器的奇模和偶模频率, 最终实现通带频率可调. 通过对谐振器模型的耦合矩阵分析, 在通带的边缘会产生传输零点, 从而大大提高了滤波器的频率选择性. 该滤波器在0.871.03 GHz(GSM 900)范围内可调, 通带内回波损耗大于20 dB, 且仿真曲线形状基本不变. 滤波器的测试结果与仿真结果基本吻合.     

小型化微带双模带通滤波器研究

提出了一种非对称开槽贴片结构的双模谐振器,并在此基础上研究设计出了一种结构紧凑的微带双模带通滤波器,这种具有非对称开槽贴片的双模谐振器不仅具有双模谐振的特性,还能够有效减小电路的尺寸,便于实现双模带通滤波器的小型化.利用ADS仿真软件对设计出的双模带通滤波器进行仿真表明,该滤波器具有良好的通带特性,且整体尺寸为0.2λg×0.2λg,有效实现了双模带通滤波器的小型化.     

一种基于FDTD的互连线串扰耦合噪声算法

针对现有仿真互连线串扰耦合噪声的算法大多只适应于特定类型的问题,运用偏微分方程的数值解理论,得到一种基于Lax格式的全新差分计算格式,根据不同的电路模型,利用传输线集中参数的等效模型确定相应的边界条件,可以准确地分析串扰耦合噪声。通过将仿真结果与ABCD矩阵模型分析结果对比,验证了该算法的准确性。同时该算法原理简单,计算量小,更接近于实际。     

基于FDTD的振幅频谱法定位精度评估

为提高单站雷电定位系统的探测范围及定位精度,利用时域有限差分法对数百千米内雷电辐射电磁场的传播特征进行分析,分别计算了传输线模型(TL)、电流线性衰减的传输线模型(MTLL)、电流指数衰减的传输线模型(MTLE)3种回击模型在有限导电情况时,不同距离处雷电通道的垂直电场与磁场的分布。利用数值计算得到雷电电磁场波形,定量评估了振幅频谱法适用的探测范围及定位精度。结果表明:对于TL、MTLL和MTLE 3种模型,振幅频谱法定位相对误差小于10%的范围应分别为19~43km,17~46km和9~38km;对于距离测站小于9km或大于46km的雷电辐射源,3种回击模型得到的振幅频谱法定位相对误差均大于10%。因此,雷电源距离测站太近或太远,振幅频谱法均不适用。     

一种新的FDTD差分网格

提出了一种新的时域有限差分法(FDTD)差分网格,使电场各分量位于网格的顶点,磁场各分量位于网格的中心.导出了基于新网格的FDTD迭代公式,讨论了新网格对FDTD基本理论的影响.新网格的优点在于:更新某一分量时,用到了其周围更多的信息,使计算精度得到提高.数值实验证明新网格对提高计算精度是有效的.     

基于FDTD的CSRR微带线特性分析

借助时域有限差分法(FDTD)并结合完全匹配层(PML)对互补金属开口谐振环(CSRR)微带线进行电磁仿真,并通过所得到的CSRR微带线的S参数曲线,分析其慢波特性.仿真结果与HFSS结果吻合良好,从而验证了该分析方法的有效性和计算的准确性.最后,详细讨论CSRR结构参数改变对微带线带阻特性的影响,分析结果在工程设计上具有一定的借鉴和指导意义.     

高效分裂平面波FDTD方法研究

文章针对二维TMz模提出了一种新的基于分裂场思想的FDTD平面波源高效引入方法:分裂平面波FDTD法(SP-FDTD),该方法从根本上消除了插值及相速不匹配带来的误差;通过对不同入射角度的正弦平面波源及高斯脉冲波源的泄漏测试,结果表明SP-FDTD可以实现完美的总场/散射场分离,使得泄露降至-340dB的水平;另外,SP-FDTD方法可以推广至三维及高阶FDTD情形,这也是本文所提方法的优势。     

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。     

有耗色散地质介质中电磁波传播特性的FDTD计算分析

介绍一种基于三维时域有限差分法(FDTD)的有耗色散地质介质中电磁波传播特性数值分析方法。通过将色散介质本构关系和场量关系直接变换为时域微分方程的方法,导出了适用于一般色散介质中电磁场分析的时域有限差分法计算公式,并将完全匹配层(PML)吸收边界融入了FDTD计算格式。通过计算分析了介质色散对电磁波场传播的影响,观测到介质色散会导致电磁脉冲在传播中波形展宽、位相滞后、幅度减小。因此,电磁探测数据的处理解释应将介质的色散影响纳入考虑。     

条形波导的三维标量FDTD法分析

发展了一种实用的对条形结构波导中光的传输特性进行模拟计算的三维标量时域有限差分(FDTD)数值计算方法,并对在电吸收调制器条形波导中的光场分布进行数值模拟计算,得到了在条形波导中光传输方向上不同横截面上的光场分布形式,这些光场分布是由波导中不同模式场叠加形成的,反映了波导中多模干涉的现象.数值模拟计算的结果与实验测试结果相一致,证明了这种三维标量FDTD法应用于条形光波导结构分析的有效性.此方法具有掌握容易,计算分析简便等优点,适用于条形结构波导的设计、模拟和特性分析.     

Woodpile结构中锯齿波导的研究

采用时域有限差分方法（FDTD）,详细设计、模拟和分析了woodpile结构中锯齿波导的传输特性。模拟结果表明：通过改变波导中相邻锯齿的长度,可以有效控制波导的导带范围;且利用锯齿波导设计灵活的特性,可以设计沿任意方向传输的波导结构。利用导带范围受相邻锯齿长度调控这一特点,设计、模拟并分析了由锯齿型波导形成的Y型波分复用器,两输出通道中锯齿长度分别取0.3a-0.5a和0.3a-0.8a,模拟结果表明两输出通道导带范围完全不同,充分说明在器件设计中可以引入锯齿型波导,通过调节锯齿长度实现频率选择的特性。     

GTEM小室交叉极化特性及三维场均匀性FDTD分析

采用时域有限差分法评价了1 GHz以内吉赫兹横电磁波(GTEM)小室的交叉极化特性和三维场均匀性.根据IEC 61000-4-20标准,采用9点网格法分别对测试区的1/3和1/2内导体高度区的场分布特性进行了宽频带分析,并以测试区中心截面的名义场强为参考评估了沿纵向的场均匀性.计算结果表明:在1/3内导体高度区,三维场均匀性满足6 dB限制,但工作频率超过一定频带后,交叉极化分量满足小于主分量6 dB要求较为困难;随频率和测试区的增大,交叉极化特性和场均匀性下降,但较易满足放松要求.经实验证实计算结果准确可靠.     

一种介质加载型表面等离激元透镜的研究

提出一种由金属圆盘和圆锥形介质薄膜组成的表面等离激元透镜结构, 该结构能将正入射的电磁波汇聚成束缚于介质表面的圆弧形聚焦斑。这些聚焦斑的尺寸随着介质薄膜中心厚度的减小而减小, 并在薄膜厚度等于某个值时汇聚成一个焦点。该结构还能实现较好的局域场增强。