一种基于数字信号处理技术的改进通用色散介质移位算子时域有限差分方法

借鉴数字信号处理技术中的无限脉冲响应滤波器实现的思想,提出一种适用于通用色散介质的改进移位算子时域有限差分（shift operator finite-difference time-domain,SO-FDTD）方法.与原SO-FDTD方法相比,改进的SO-FDTD方法内存占用减少33%以上,同时计算时间也有所减少.最后通过一阶、二阶色散介质雷达散射截面计算验证了方法的通用性和有效性. 关键词： 时域有限差分 色散介质 移位算子     

一种处理色散介质问题的通用时域有限差分方法

色散介质的介电系数是频率的函数,使本构关系在时域成为卷积关系.这就给用时域有限差分方法计算色散介质中波的散射和传播带来了困难.现有算法往往要针对不同色散介质模型推导相应的递推公式,算法的通用性较差.本文完善和发展了移位算子-时域有限差分方法,使之成为一种处理色散介质电磁问题的通用方法.首先,证明了常见的三种色散介质模型(德拜模型、洛伦兹模型和德鲁模型)的介电系数均可以写成适于移位算子法计算的有理分式函数形式.然后,用/t代替jω,过渡到时域,再引入时域移位算子z_t代替时间微分算子来处理有理分式函数形式的介电系数,给出离散时域本构关系的表示式,进而导出时域有限差分方法当中电位移矢量和电场强度之间的关系.最后,计算了几种色散介质的电磁散射,数值结果表明了本文方法和程序的通用性和正确有效性. 关键词： 时域有限差分方法 色散介质 移位算子     

各向异性磁化等离子体的SO-FDTD算法

给出了一种新的计算各向异性磁化色散介质的有限差分(FDTD)算法，称为移位算子FDTD(SO-FDTD)算法，它利用算子之间的移位递推关系，将一类色散介质的包含介电常数的表达式写成有理分式函数形式，进而导出FDTD中一系列相关量之间的关系.通过计算各向异性等离子体平板对电磁波的反射系数和透射系数，验证了该算法的高效性和高精度，与JEC算法相比，可使计算效率提高数倍. 关键词： 磁化等离子体 电磁波 FDTD方法 各向异性     

等离子体的SO-FDTD算法和对电磁波反射系数的计算分析

将一类色散介质的介电常数写成有理分式函数形式，进而导出FDTD中电位移矢量D和电场强度E之间的关系，形成SO-FDTD方法. 应用该方法计算了冷等离子体平板对电磁波的反射系数，通过与解析结果的比较，验证了该算法的高效性和高精度，同时，应用SO-FDTD方法，计算了等离子体层对垂直入射电磁波的反射系数，结果表明：等离子体厚度、电子密度、电子密度的分布形式和入射波频率是影响反射系数的重要因素. 关键词： 等离子体 电磁波 FDTD方法     

一种色散介质FDTD通用吸收边界

由单轴各向异性介质所满足的场方程出发,并根据相位匹配原理以得到介质中的色散关系和无反射条件.结合频域到时域的转换关系（即用/t代替jω）和移位算子时域有限差分（SO-FDTD）方法提出了一种适用于各向同性常见色散介质模型,包括德拜模型、洛伦兹模型、德鲁德模型等的通用UPML吸收边界.数值结果表明了该算法的通用性和高效性. 关键词： 时域有限差分 吸收边界 移位算子 色散介质     

等离子体涂覆目标散射特性SARC FDTD方法分析

基于数字信号处理中的半解析递归卷积(SARC)算法,提出一种用于色散介质电磁特性分析的通用递归卷积时域有限差分方法(SARC FDTD),不仅具有绝对稳定性和高精度、低内存、高效率等优点,而且对于常见色散介质模型,具有统一的形式,计算时只需给出色散介质模型的极点和对应系数,使用方便,通用性好.通过算例验证了方法的有效性,并对有等离子体存在的目标电磁散射截面(RCS)进行了计算和分析.     

基于移位算子时域有限差分的色散薄层节点修正算法

提出了一种时域有限差分（FDTD）计算中色散介质薄层问题处理的新算法.对于厚度小于一个元胞尺度的电小尺寸色散介质薄层问题,采用将元胞内电位移矢量和磁感应强度加权平均的方法,求得薄层所在元胞内修正点处的等效介质参数.然后根据常见色散介质模型,包括Debye模型、Lorenz模型、Drude模型等,介电常数和磁导率可以表示为jω分式多项式的特点,结合频域到时域的转换关系（即用/t代替jω）和移位算子方法得到了修正点处的时域本构关系,进而获得时域递推计算式.数值结果表明,该方法具有通用、节省计算时间、节省内存和计算精度良好等优点. 关键词： 色散介质薄层 节点修正 移位算子 时域有限差分     

色散介质电磁特性时域有限差分分析的Newmark方法

根据Debye模型、Drude模型和Lorentz模型3种常见色散介质模型频域极化率的特点,利用频域到时域的转换关系jω→?/?t,将极化矢量P与电场强度E的频域关系转换成时域内关于P的二阶微分方程,其对3种色散介质模型皆适用,具有统一的形式.然后采用相比于中心差分具有更高精度的Newmark两步算法(Newmark-β-γ法)求解该方程,进而得到E→P的递推公式,再结合本构关系得到D→E的时域递推式.实现了色散介质电磁场量的时域有限差分迭代计算.数值计算结果表明该方法是适用于3种色散介质模型的通用算法,并且相比于移位算子时域有限差分方法等以中心差分为基础的离散方案具有更高的计算精度.     

基于移位算子时域有限差分的色散薄层节点修正算法

提出了一种时域有限差分（FDTD）计算中色散介质薄层问题处理的新算法.对于厚度小于一个元胞尺度的电小尺寸色散介质薄层问题,采用将元胞内电位移矢量和磁感应强度加权平均的方法,求得薄层所在元胞内修正点处的等效介质参数.然后根据常见色散介质模型,包括Debye模型、Lorenz模型、Drude模型等,介电常数和磁导率可以表示为jω分式多项式的特点,结合频域到时域的转换关系（即用/t代替jω）和移位算子方法得到了修正点处的时域本构关系,进而获得时域递推计算式.数值结果表明,该方法具有通用、节省计算时间、节省内存和计算精度良好等优点.     

基于时域有限差分法的各向异性铁氧体圆柱电磁散射分析

采用时域有限差分法(FDTD)求解了各向异性铁氧体材料覆盖金属圆柱的雷达散射截面(RCS).提出一种新的磁各向异性材料的离散方法,推导了磁化铁氧体的FDTD公式,并将其应用于分析二维铁氧体覆盖金属圆柱的散射.通过与移位算子法(SO-FDTD)对比证明了此方法的有效性.应用此方法求解了不同铁氧体参数影响下金属圆柱的RCS.数值结果表明,该方法正确可行,具有较高的计算效率.     

New FDTD-based method for computing the Lorentz dispersive media

We apply the shift-operator finite-difference time-domain (SO-FDTD) method to the calculation of the Lorentz dispersive media. The Lorentz-medium permittivity is written as a rational fractional function, and the relation between D and E is derived in a time domain. The high efficiency and accuracy of the method is demonstrated by calculating the reflection and transmission of the electromagnetic plane wave impinging on a Lorentz-dispersive-medium slab. The results obtained with the help of the SOFDTD method are compared with analytical results. The SO-FDTD method is proved to have high efficiency and accuracy in computing the Lorentz dispersive media.     

Analysis of the temperature influence on the plasma reflectance by a new FDTD method

We apply the shift-operator FDTD (SO-FDTD) method for calculating dispersive media plasmas. We write the dielectric constant of a dispersive medium as a rational fractional function and derive the relation between D and E in the time domain. For a uniform, approximately isothermic, isotropic, warm-collision-plasma slab, the reflection coefficient of electromagnetic waves can be calculated using the SO-FDTD method. We study the influence of temperature on the collisions and absorption of electromagnetic waves in the plasma and discuss the regularity of the relationships obtained.     

A general finite difference time domain method for hybrid dispersive media model

The shift operator finite difference time domain (SO-FDTD) method is developed to deal with a hybrid dispersive media model. First, we prove that the complex permittivity of the hybrid dispersive media model can be described by a rational polynomial fraction with respect to jω. Then, the relation between electric displacement D and electric field strength E is derived in the time domain by introducing z_t as a shift operator. The constitutive relation in the discretized time domain and the recursive formulation of D and E available for FDTD computation are obtained. Finally, the reflection of the hybrid dispersive slab is computed. The computed results are in good agreement with that obtained by analytic method. This illustrates the generalization and the feasibility of the presented scheme.     

A FDTD formulation for high order dispersive media of muscle-equivalent

In this paper, shift operator finite-difference time-domain (SO-FDTD) method is applied for the calculation of the dispersive medium. The high efficiency and accuracy of this method is verified by calculating the reflection of the plane electromagnetic wave impinging on a muscle slab. For human tissues where multiterm Debye relaxation equations must generally be used. We describe a new differential equation approach, which can be used for general dispersive media. In this method D(t) is expressed in terms of E(t) by means of a differential equation involving D, E, and their time derivatives. The method is illustrated by means of example of media for which relative permittivity is given by a multiterm Debye equation, and for an approximate two-thirds muscle-equivalent model of the human body.