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.     

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     

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     

磁各向异性色散介质散射的Padé时域有限差分方法分析

根据矩阵Padé逼近理论，把磁化色散介质的相对磁导率张量表示成以jω为自变量的矩阵函数形式，用/t代替jω后过渡到时域，再引入离散时域移位算子代替时间微分算子.进而导出磁化色散介质中的磁感应强度B和磁场强度H在离散时域的色散关系，并将其具体应用于旋磁介质，得到了这种磁化色散介质的Padé时域有限差分方法的递推表达式.作为验证，用这种方法计算了磁化铁氧体球的后向雷达散射截面，所得结果与文献结果一致.理论推导及算例表明，该方法是正确和有效的. 关键词： 各向异性介质 色散介质 矩阵Padé逼近 时域有限差分方法     

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     

磁各向异性色散介质散射的Pad啨时域有限差分方法分析

根据矩阵Pad啨逼近理论,把磁化色散介质的相对磁导率张量表示成以jω为自变量的矩阵函数形式,用/t代替jω后过渡到时域,再引入离散时域移位算子代替时间微分算子.进而导出磁化色散介质中的磁感应强度B和磁场强度H在离散时域的色散关系,并将其具体应用于旋磁介质,得到了这种磁化色散介质的Pad啨时域有限差分方法的递推表达式.作为验证,用这种方法计算了磁化铁氧体球的后向雷达散射截面,所得结果与文献结果一致.理论推导及算例表明,该方法是正确和有效的.     

基于直接离散方式的磁化铁氧体材料电磁散射的时域有限差分方法分析

根据磁化铁氧体材料的磁场强度和磁感应强度之间色散的本构关系式,利用时间微分算子/t和jω的时域和频域对应关系,将磁化铁氧体材料频域的本构关系转化为时域的本构关系,然后将时间微分算子/t在时域采用直接离散的方式,得到磁场强度和磁感应强度的时域有限差分迭代式.数值结果表明,该方法易于实现,简单可行,并节约内存. 关键词： 电磁散射 磁化铁氧体 时域有限差分方法 直接离散方法     

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.     

精确提取一维互易有限周期性结构色散特性的宏元胞法

提出了一种可精确提取一维互易有限周期性结构色散特性的宏元胞法. 将多个周期性元胞组合构成单个“宏元胞”, 以严格考量元胞间的互耦效应, 通过Bloch分析分别计算出正向激励和反向激励时Bloch 波的本征传输因子ξ^N和1/ξ^N, 对ξ^N取复对数操作即可解出一维有限周期性结构的衰减常数α, 而复对数函数的多值性使得相移常数β存在多整数分支的选择问题. 通过与解卷绕法获得的β近似值相比较,选择出合理的整数分支, 可精确计算出β. 与传统的本征模式法、解卷绕法及单元胞法相比,宏元胞法对元胞间的耦合强度不作要求, 计算更加精确快速, 可作为刻画一维互易有限周期性结构色散和Bloch阻抗特性的有力工具. 关键词： 宏元胞法 Bloch分析 色散特性     

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     

An effective-medium model for high-impedance surfaces

We show that high-impedance surfaces with complex microstructures can be well described by a double-layer effective-medium model consisting of an anisotropic meta-material layer (with a dispersive permeability μ) put on top of a metal sheet. We predict that a complete surface wave (SW) gap exists in such a system when the condition 0<μ<1 is fulfilled, and we verify this prediction by finite-difference-time-domain (FDTD) simulations on realistic structures. We argue that opening a SW gap in the in-phase reflection regime requires an additional mechanism for such kinds of systems, and demonstrate this argument via FDTD simulations on two commonly adopted structures. PACS 41.20.Jb; 78.20.Bh     

High-order FDTD methods for transverse electromagnetic systems in dispersive inhomogeneous media

This Letter introduces a novel finite-difference time-domain (FDTD) formulation for solving transverse electromagnetic systems in dispersive media. Based on the auxiliary differential equation approach, the Debye dispersion model is coupled with Maxwell's equations to derive a supplementary ordinary differential equation for describing the regularity changes in electromagnetic fields at the dispersive interface. The resulting time-dependent jump conditions are rigorously enforced in the FDTD discretization by means of the matched interface and boundary scheme. High-order convergences are numerically achieved for the first time in the literature in the FDTD simulations of dispersive inhomogeneous media.     

复杂色散介质电磁特性分析的扩展Newmark-FDTD方法

基于有限元中的Newmark算法,提出一种新的色散介质时域有限差分（FDTD）方法,称为扩展Newmark-FDTD方法,它不仅可以用统一的方式处理Debye、Drude、Lorentz等常见色散介质问题,还可以统一处理修正Lorentz、二阶复有理函数等新的色散模型及其混合模型问题,且具有更高的计算精度和较好的稳定性.最后,通过算例对该算法的有效性进行验证.     

色散媒质中的理想匹配层吸收边界及其误差分析

根据色散媒质的性质及电磁波在不同媒质交界面上的反射的机理，证明并分析了在理想匹配层吸收边界中引入色散可实现有效吸收入射到吸收边界上的电磁波，从而达到减少时域有限差分法计算区域和计算误差的目的。     

基于半解析递归卷积的通用色散介质FDTD方法

基于数字信号处理中的半解析递归卷积（SARC）算法,提出了一种用于色散介质电磁特性分析的半解析递归卷积时域有限差分方法（SARC FDTD）. 该方法既保持了FDTD方法处理复杂目标的灵活性,又吸取了线性系统SARC算法的绝对稳定性和高精度、低内存、高效率等优点,只需给出色散介质模型的极点和对应系数,即可运用SARC FDTD递推公式和通用程序进行计算,具有较好的通用性. 通过Debye,Drude和Lorentz三种常用色散介质模型对算法进行了验证. 关键词： 时域有限差分 色散介质 半解析递归卷积     

A generalized 2D FDTD model for photonic crystal fibers with frequency dependent media

A generalized model based on the two-dimensional finite-difference time-domain (2D FDTD) method for photonic crystal fibers (PCF) with frequency dependent media is presented. The Maxwell’s curl equations are formulated using flux density and the magnetic field. Auxiliary differential equations are used with complex-conjugate pole-residue pairs which incorporate the material dispersion of the dispersive media. The model is demonstrated to be a unified approach for arbitrary dispersive materials; therefore, it definitely reduces implementation cost when dealing with different frequency-dependent materials.     

高斯波束在双负媒质中的传播特性分析

 提出了一种基于Drude色散媒质模型的2维TM模时域有限差分法，数值模拟了高斯波束从自由空间垂直入射和斜入射到双负媒质(介电常数和磁导率同时为负)平板后的折射现象，并给出了平板内外的电场强度分布。模拟结果显示：垂直入射时，双负媒质平板对高斯波束具有汇聚作用，通过改变媒质的折射率，可以控制高斯波束通过组合平板的传播时间而不发生衰减；斜入射时，折射波束与入射波束均位于法线的同一侧，高斯波束在双负媒质与空气交界面处发生了负折射。     

色散金属光学特性分析通用时域有限差分方法

结合数字信号处理中的半解析递归卷积(SARC)算法,提出一种用于金属光学特性分析的改进半解析递归时域有限差分方法(SARC FDTD)。该方法保持了SARC算法的绝对稳定性和高精度、低内存等优点,又利用梯形近似使FDTD递推公式更加简洁,计算效率进一步提高,对于各种常用金属色散模型,均只需给出模型的极点和对应的系数,即可运用该算法的程序进行计算,具有较好的通用性。最后,通过金属的高阶Lorentz,Drude-Lorentz和Drude-CP三种常用色散模型对算法进行了验证。