基于辅助差分方程的完全匹配层在时域多分辨率分析算法中的应用与性能分析

将基于辅助微分方程的完全匹配层(ADE-PML)吸收边界条件引入到基于Daubechies尺度函数的时域多分辨率分析算法中. 与目前广泛应用的Berenger完全匹配层(PML)和各向异性介质完全匹配层(APML) 相比, 该吸收边界条件的实现更加容易且更节省内存. 数值结果表明, ADE-PML在吸收传播模和低频凋落模方面均优于PML和APML.     

2.5维圆波导开放边界截断的修正完全匹配层方法

 在时域有限差分算法中，完全匹配层是一种高效的吸收边界条件。通过在标准完全匹配层(PML)方程中添加具有物理意义的电导率和导磁率附加项，提出了修正完全匹配层(MPML)方法，给出了圆柱坐标下3维MPML方程，并应用于2.5维圆波导开放边界的截断计算。计算结果表明，在不同频率和模式的激励下，加入平滑电导率和导磁率附加项后，与标准PML方法相比，MPML方法的相对误差降低8~10 dB。     

一种新时域交替隐式差分算法在散射问题中的应用

提出一种新时域交替隐式有限差分(ADI-FDTD)算法格式. 传统ADI-FDTD算法的 场量步进方程涉及周围若干网格的较多场量，导致两个区域的步进方程处理较困难：一个是 邻近完全匹配层(PML)和散射场交界区，另一个是邻近连接边界区. 特别是后者，考虑入射 波影响需对场量所在区域判断，根据不同情况对原有方程进行修正，一维和二维散射问题 相对简单，可三维问题修正式有数十种之多而几乎无法完成. 本方法基于分裂场形式的ADI- FDTD技术，使得散射场区和PML吸收层区的表达形式完全一致，从而忽略两者差别.另 关键词： 时域交替隐式有限差分算法 电磁散射     

非线性欧拉方程组的完美匹配层吸收边界条件

对于非线性Euler方程,提出一类基于完美匹配层(PML)技术的吸收边界条件。首先对线性化的Euler方程设计出PML公式,然后将线性化Euler方程中的通量函数替换成相对应的非线性通量函数,得到非线性的PML方程。考虑到PML方程中包含有一个刚性的源项,文中采用一种隐显Runge-Kutta方法来求解空间半离散后得到的ODE系统。数值实验表明设计的非线性PML吸收边界条件优于传统的特征边界条件。     

时域有限差分法分析蚀刻衍射光栅的后向衍射效率

采用时域有限差分法(FDTD)结合理想匹配层(PML)边界条件及周期性边界条件对两种结构槽面的后向衍射效率进行了分析,在P偏振和S偏振两种情况下,均得到了比传统差分方法和射线近似方法更精确的解.数值计算结果表明:全内反射(TIR)结构在高折射率材料(如InP)的蚀刻衍射光栅(EDG)中很有效,而在低折射率材料(如SiO₂)的EDG中效果不理想.     

二阶声场波动方程的非分裂完全匹配层算法

在声场仿真中,完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)是一种十分有效的吸收边界并得到广泛应用。为了解决基于二阶声场波动方程数值仿真中的吸收边界问题,提出了一种非分裂PML算法。首先,基于伸缩坐标变换,推导了PML算法的频域表达式。然后,通过构造辅助微分方程,得到了非分裂PML的时域表达式。最后,进行了相关理论分析和数值仿真,结果表明:相对于已有的声场分裂PML算法,该算法在保持相同的吸收效率的同时,能较大地节约存储空间,提高计算效率,且更易于实现。      

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.     

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。      

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。     

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.     

Unconditionally Stable Complex Envelope Wave Equation PML Algorithm for Band Limited FDTD Simulations

Unconditionally stable complex envelope (CE) perfectly matched layer (PML) absorbing boundary conditions (ABCs) are presented for truncating the scalar wave-equation finite difference time domain (WE-FDTD) grids. The formulations are based on incorporating the alternating direction implicit (ADI) scheme into the CE FDTD implementations of the scalar wave-equation derived in the PML region at the domain boundaries. Numerical example carried out in two dimensional domain shows that the proposed formulations are more accurate than the classical ADI scalar wave equation PML formulations when it is used for modelling band limited electromagnetic applications.     

Choice of the perfectly matched layer boundary condition for frequency-domain Maxwell’s equations solvers

We show that the performance of frequency-domain solvers of Maxwell’s equations is greatly affected by the kind of the perfectly matched layer (PML) used. In particular, we demonstrate that using the stretched-coordinate PML (SC-PML) results in significantly faster convergence speed than using the uniaxial PML (UPML). Such a difference in convergence behavior is explained by an analysis of the condition number of the coefficient matrices. Additionally, we develop a diagonal preconditioning scheme that significantly improves solver performance when UPML is used.     

一种适用于任意阶空间差分时域有限差分方法的色散介质通用吸收边界条件算法

基于伸展坐标完全匹配层方程和辅助微分方程 方法, 给出了一种在时域有限差分(FDTD) 计算中适用于常见色散介质的通用边界条件算法. 该算法适用于任意阶的FDTD空间差分, 并且由于所采用的D-H方程独立于计算区域, 所以可以被用于截断任意电介质. 数值试验结果表明, 与卷积完全匹配层 算法相比较, 所提出的吸收边界条件算法不仅通用性强、 计算复杂度低、 计算时间短, 并且吸收效果有明显的提高.     

A novel unsplit perfectly matched layer for the second-order acoustic wave equation

When solving acoustic field equations by using numerical approximation technique, absorbing boundary conditions (ABCs) are widely used to truncate the simulation to a finite space. The perfectly matched layer (PML) technique has exhibited excellent absorbing efficiency as an ABC for the acoustic wave equation formulated as a first-order system. However, as the PML was originally designed for the first-order equation system, it cannot be applied to the second-order equation system directly. In this article, we aim to extend the unsplit PML to the second-order equation system. We developed an efficient unsplit implementation of PML for the second-order acoustic wave equation based on an auxiliary-differential-equation (ADE) scheme. The proposed method can benefit to the use of PML in simulations based on second-order equations. Compared with the existing PMLs, it has simpler implementation and requires less extra storage. Numerical results from finite-difference time-domain models are provided to illustrate the validity of the approach.     

Complex Envelope Crank-Nicolson Nearly PML Algorithm for the Left-handed Material FDTD Simulations

Unconditionally stable complex envelope (CE) absorbing boundary conditions (ABCs) are presented for truncating left handed material (LHM) domains. The proposed algorithm is based on incorporating the Crank Nicolson (CN) scheme into the CE finite difference time domain (FDTD) implementations of the nearly perfectly matched layer (NPML) formulations. The validity of the formulations is shown through numerical example carried out in one dimensional Lorentzian type LHM FDTD domain.     

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。     

Unsplit-Field PML Algorithm for Truncating Nonlinear FDTD Domains

In this paper, unsplit-field Perfectly Matched Layer (PML) formulations are presented for truncating nonlinear dispersive Finite Difference Time Domain (FDTD) grids. The proposed scheme is based on incorporating the nonlinear Z-transform FDTD algorithm into the Auxiliary Differential Equation PML (ADE-PML) formulations. Numerical example carried out in one dimensional domain which includes Lorentz dispersion as well as Kerr and Raman nonlinearities is included to show the validity of the formulations.