卷积完全匹配层截断3维金属矩形波导的应用研究

 讨论了高功率微波源模拟中波导开放边界截断的需求，分析了不同类型完全匹配层(PML)的特点，选用卷积形式PML截断色散波导器件的开放边界。从自由空间电磁波的平面波解和分裂形式的PML出发，构造了未分裂形式的PML，用傅里叶变换的卷积定理，导出了直角坐标系下卷积完全匹配层(CPML)介质中电磁场的迭代形式的离散方程。在不同频率和模式激励源作用下，模拟计算了CPML截断矩形波导开放边界的性能，数值结果表明最大相对误差都小于-70 dB，远好于Mur吸收边界的截断效果。     

卷积完全匹配层在两维声波有限元计算中的应用

将基于复坐标变换和复频移扩展坐标变量的卷积完全匹配层Convolution Perfectly Machted Layer(CPML)引入到两维声波方程的有限元(FEM)计算中,该匹配层作为一种吸收边界条件Absorbing Boundary Condition(ABC)应用在有限元计算的边界截断上。文中分别给出了频域和时域的CPML方程的表达形式,并在有限元计算软件COMSOL中完成数值计算。相对于经典的PML,CPML最大的优势在于它不需要把场分裂开,这使其具有更好的稳定性和更高的吸收性能,且更易于实现。数值计算结果表明,CPML边界层有着比PML更好的吸收效果,其更有效的吸收了进入其中的声场能量。      

基于Z变换的高阶完全匹配层实现

基于拉伸坐标完全匹配层(SC-PML)公式和Z变换方法,提出以非分裂场形式来实现具有多极点的高阶完全匹配层的高效算法,来截断时域有限差分(FDTD)网格.在吸收性能方面,高阶PML同时具有传统PML和复频率偏移完全匹配层(CFS-PML)二者的优点.提供的数值算例是二维TE极化电磁波与无限长且有限宽度的理想电导体(PEC)薄片的相互作用.仿真结果显示,高阶PML公式在衰减低频行波和隐失波及减少后期反射方面效果好,比传统SC-PML和复频率偏移的卷积完全匹配层(CPML)算法有更好的吸收性能.     

Application of convolution perfectly matched layer in finite element method calculation for 2D acoustic wave

A method was presented to extend the Convolution Perfectly Matched Layer(CPML), which bases on the complex coordinates transformation and complex frequency shifted stretched-coordinate metrics,to the 2D acoustic equation calculated with the method of Finite Element Method(FEM).This non-physical layer is used at the computational edge of a FEM as an Absorbing Boundary Condition(ABC) to truncate unbounded media.In this paper,the CPML equations have been presented in frequency domain and in time domain,respectively,and the calculations have been realized in the FEM software of COMSOL.The main advantage of CPML over the classical PML layer is that it is based on the unsplit components of the wave field leading to a more stable,highly effective absorption and a more facility to realize.The results of numerical simulation demonstrate that CPML has better absorbability than PML and it absorbs the outgoing energy more effectively.     

卷积完全匹配层在空爆电磁脉冲2维模拟中的应用

 在分析不同类型完全匹配层特点的基础上，选用了卷积形式完全匹配层（CPML）截断空中核爆电磁脉冲数值模拟的开放边界。从自由空间中电磁波的平面波解和分裂形式的完全匹配层出发，构造了未分裂形式的完全匹配层，应用傅里叶变换的卷积定理，推导出2维旋转椭球-双曲正交坐标系下卷积形式完全匹配层介质中电磁场的迭代形式的离散方程。计算表明，采用CPML吸收边界方法使得截断的外边界处的场的计算误差大大减少。     

有耗介质空间完全匹配层吸收边界条件及其应用

 针对Gedney提出的完全匹配层(PML)无法用于有耗各向同性计算域的截断及其对倏逝波的衰减不理想等问题,提出了一种扩展方法。扩展的PML的主要思想是在各向异性的PML中引入与有耗介质空间相一致的复介电常数和复磁导率,使之可以与有耗介质计算域相匹配。通过给PML的张量介电常数、张量磁导率增加衰减因子以加速倏逝波的衰减。构造了PML吸收效果验证模型,数值结果证明了扩展的PML在处理有耗介质计算域截断问题中的有效性。利用该吸收边界条件,采用时域有限差分法计算了电磁脉冲作用下地面铺设电缆的电磁脉冲响应,计算结果和试验结果取得了较好的一致。     

瞬变电磁场模拟中的CPML吸收边界条件

提出用于瞬变电磁法(TEM)模拟的时域有限差分(FDTD)算法中的卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件.首先,在磁场散度方程显式处理条件下,计算磁场z分量时,构造出一种计算时域卷积项的方法,并详细推导计算磁场z分量的表达式.而后,对均匀半空间模型进行数值计算.结果表明,提出的CPML吸收边界条件在保证计算精度的前提下,实现了瞬变电磁法时域有限差分高效正演计算.     

截断磁等离子体三维M-NPML吸收边界条件

研究三维截断磁化等离子体介质新型完全匹配层(NPML)吸收边界条件(ABC),提出应用于截断色散介质修正的M-NPML,该方法根据NPML坐标变换原理,对麦克斯韦方程中对空间偏导的变量进行坐标拉伸,得到在NPML吸收边界中修正的麦克斯韦方程组.该吸收边界只把对空间偏导的变量进行坐标拉伸,操作简单,避免了PML方法在截断普通介质时采用复杂的场分裂形式,同时比单轴各向异性完全匹配层(UPML)吸收边界截断磁化等离子体介质更加简单,编程复杂度大大降低.算例仿真结果与解析解相符,证实了该算法的有效性.     

基于广角FD-BPM的PML边界处理方法

本文提出了基于三阶Padé近似广角有限差分光束传输法(FD-BPM)的简单有效的完美匹配层(PML)边界处理方法.分别给出了该方法应用于斜波导和多模干涉(MMI)数值模拟的结果,并与用完全透明边界条件处理的模拟计算结果进行了比较.本文最后对基于广角FD-BPM的PML边界处理方法进行了优化.     

电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆蒙皮电流分布的时域计算方法研究

为克服传输线理论方法求解电磁脉冲电缆耦合问题存在的不足，对电磁脉冲电缆耦合问题进行了时域求解方法的研究。引入了适用于电磁脉冲电缆耦合问题数值求解的基于细线散射的时域有限差分(FDTD)法，将Gedney's PML进行了扩展，使其可以用于各向同性有耗计算域截断问题的处理。利用建立的数值方法，模拟了电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆引起的蒙皮感应电流分布规律及波形特征，并利用辐射波电磁脉冲模拟器对该问题进行了实验研究。计算与实验结果在误差范围内的一致性证明了数值结果的可靠性，以及该时域计算方法在处理电磁脉冲电缆耦合问题的可靠性。     

脉冲电磁波通过偶极天线辐射的物理过程及其数值模拟

在讨论了基于时域有限差分法和完全匹配层技术的数值模拟方法之后,首先从运动电荷和电力线的角度直观地描述了脉冲电磁波的辐射过程,然后进一步从场与电荷相互作用的角度分析了天线上电荷是如何被加速以及如何维持其运动状态的,指出了开放空间中突然出现的时变电场（位移电流）是脉冲电磁波辐射的根本原因．文中还对局部电阻加载的天线和局部弯曲的天线进行了研究,以进一步说明上述观点．对多种情况下的脉冲辐射过程进行了数值模拟,并给出了电场的等高线和空间波形图,这些图形对理解脉冲电磁波的辐射机理非常有益． 关键词：     

Uniform stable conformal convolutional perfectly matched layer for enlarged cell technique conformal finite-difference time-domain method

Based on conformal construction of physical model in a three-dimensional Cartesian grid,an integral-based conformal convolutional perfectly matched layer(CPML) is given for solving the truncation problem of the open port when the enlarged cell technique conformal finite-difference time-domain(ECT-CFDTD) method is used to simulate the wave propagation inside a perfect electric conductor(PEC) waveguide.The algorithm has the same numerical stability as the ECT-CFDTD method.For the long-time propagation problems of an evanescent wave in a waveguide,several numerical simulations are performed to analyze the reflection error by sweeping the constitutive parameters of the integral-based conformal CPML.Our numerical results show that the integral-based conformal CPML can be used to efficiently truncate the open port of the waveguide.     

全局稳定性一致的共形卷积完全匹配层

在正交网格体系中建立物理模型共形描述的基础上,针对采用扩展元胞技术的共形时域有限差分(ECT-CFDTD)方法模拟计算波导器件遇到的开放端口截断问题,给出了积分形式的共形卷积完全匹配层方法,算法具有与ECT-CFDTD相同的数值稳定性。设置不同的完全匹配层的控制参数,对波导中有消逝波存在的情况进行长时间模拟计算,分析共形卷积完全匹配层对消逝波的长效截断能力,分析卷积完全匹配层的截断误差。计算结果显示:积分形式的共形卷积完全匹配层可有效截断波导器件的开放端口。     

A Two-Dimensional Extremely Short Optical Pulse in a System of Carbon Nanotubes in a Direct Current Electric Field

The effect of an external dc electric field on the two-dimensional extremely short optical pulse propagating in a zigzag carbon nanotube array was investigated. The electromagnetic field evolution in the investigated nanotube system is described by the Maxwell equations. Using numerical simulation, the interaction between the pulse electromagnetic field and the external electric field applied to the carbon nanotube array is analyzed.