二维单步交替方向隐式时域有限差分法吸收边界性能分析

给出了两种适用于二维单步交替方向隐式时域有限差分(2-D Leapfrog ADI-FDTD)方法的吸收边界:Mur边界和卷积完全匹配层(CPML)边界。单步交替方向隐式时域有限差分(Leapfrog ADI-FDTD)方法是一种无条件稳定的全隐式差分算法,由于二维空间Leapfrog ADI-FDTD的迭代同时存在显式和隐式方程,故而不同电磁分量的边界条件也存在差异。从原理出发,推导了适用于2-D Leapfrog ADI-FDTD方法的CPML边界条件,并与一阶Mur边界进行比较,利用自由空间的反射误差来表征两种边界的吸收性能,简要总结了两种吸收边界的优缺点。     

电各向异性色散介质电磁散射时域有限差分分析的半解析递推卷积方法

利用坐标系转换矩阵给出实验室系中磁化等离子体介质的频域极化率张量, 采用部分分式展开方法通过傅里叶逆变换得到极化率张量的时域指数函数形式, 应用数字信号处理中的半解析递归卷积算法, 给出适用于处理任意外磁场方向情形下磁化等离子体目标电磁散射的半解析递归卷积-时域有限差分计算方法. 计算了磁化等离子体球的同极化和交叉极化后向雷达散射截面, 结果表明了算法的正确有效性. 关键词： 半解析递归卷积 磁化等离子体 电磁散射 时域有限差分方法     

电各向异性色散介质电磁散射的三维递推卷积-时域有限差分方法分析

根据递推卷积原理，将磁化等离子体的频域介电系数过渡到时域，通过引入时域复数极化率张量和时域复数电位移矢量，得到了磁化等离子体的三维时域有限差分方法迭代式. 为了验证该方法，用它计算了非磁等离子体球的后向雷达散射截面，与移位算子法结果符合很好. 应用该方法计算和分析了磁化等离子体球的电磁波散射，发现其后向散射时域波形明显出现了交叉极化分量. 关键词： 递推卷积 磁化等离子体 电磁散射 时域有限差分方法     

磁化铁氧体材料电磁散射递推卷积-时域有限差分方法分析

根据递推卷积原理，将磁化铁氧体材料的频域磁导率过渡到时域，通过引入时域复数磁化率张量和时域复数磁感应强度矢量，提出了磁化铁氧体材料电磁散射的三维时域有限差分方法.为了验证该方法，用它计算了磁化铁氧体球的后向雷达散射截面，与文献结果符合很好.计算结果表明，该方法是分析磁化铁氧体材料电磁散射一种可行的方法. 关键词： 递推卷积 磁化铁氧体 电磁散射 时域有限差分方法     

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.     

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。      

各向异性磁等离子体的辅助方程FDTD算法

通过对辅助方程的差分迭代，给出了一种新的各向异性磁化等离子体的辅助方程时域有限差分(FDTD)算法.并与电流密度卷积(JEC)算法进行了比较.通过计算磁化等离子体平板对平行于磁场传播的电磁波的反射和透射系数，验证了该算法的精度与JEC算法基本相同，而计算效率提高数倍. 关键词： 色散介质 时域有限差分算法 各向异性 磁化等离子体     

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.     

基于表面阻抗边界条件的等离子体薄涂层电磁散射的时域有限差分分析

基于表面阻抗边界条件时域有限差分(FDTD)方法研究了一维斜入射情况下非磁化等离子体薄涂层涂敷金属材料的电磁散射特性, 该方法忽略对薄层背景材料进行网格剖分, 大大减少了计算量. 首先推导了理想导体涂敷等离子体薄涂层的表面阻抗频域表达式, 然后代入边界条件并变换到时域, 再用分段线性递推卷积方法将时域表达式离散得到FDTD迭代式. 编程计算了垂直及斜入射情形下的平行极化和垂直极化反射系数, 通过验证算例与解析解对比, 结果表明该方法的准确性和有效性. 最后利用该方法分析了不同入射角对反射系数的影响.     

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.     

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。     

CPML在空中核爆电磁脉冲三维数值模拟中的应用

在分析不同类型完全匹配层(PML,perfectl ymatched layer)特点的基础上,选用了卷积形式PML(CPML,convolutional perfectly matched layer)截断空中核爆电磁脉冲(NEMP,nuclear electromagnetic pulse)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PML出发,构造了未分裂形式的PML,应用付里叶变换的卷积定理,推导出三维旋转椭球-双曲正交坐标系下CPML介质中电磁场的迭代形式的离散方程.获得了很好的截断效果,展示了CPML在NEMP数值模拟中的应用前景.     

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.     

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。     

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。     

共形完全匹配层按层积分算法

基于共形完全匹配层(CPML)吸收边界,构造一种共形完全匹配层矢量单元按层积分算法,将多层单元积分运算叠加到一层单元中进行,用多层单元剖分,以一层单元计算矩阵元素,即保留了多层单元的几何和材料信息,又减少了单元数量和计算量.数值算例表明,这种按层积分CPML吸收效果好,计算量小,可靠,高效.     

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.