基于阻抗模拟的等效电磁参数研究

为能够较好的计算混合介质等效复介电常数和复磁导率, 提出了一种基于等效电路理论的阻抗模拟方法.导出了材料的电磁参数与材料容抗、感抗之间的对应关系, 并建立了能够较完整、精确地刻画实际复合材料的模型.通过求解混合介质的等效阻抗, 进一步反演其等效电磁参数.将计算结果与经典理论公式以及基于有限差分的数值方法进行了比较, 结果都符合得很好, 说明该方法可以用于计算材料的等效电磁参数.另外, 引入薄膜层结构来刻画表面效应等因素, 使得计算结果更加符合实验结果, 弥补了经典公式在这方面的不足, 同时也体现了该方法在刻画实际模型时所具有的优势. 关键词： 等效电磁参数 阻抗模拟 等效电路 混合介质     

各向异性有耗介质板介电系数和电导率的反演

简述了各向异性介质FDTD方法，并用FDTD方法分析了三维各向异性有耗介质板的瞬态后向散射.根据各向异性介质板后向散射与入射电磁波极化方向有关的特点，利用其后向RCS的谐振特性和后向散射场的时域波形特点反演有耗介质板的横向介电系数和电导率.数值模拟结果表明本反演方法可行，且方便、快捷. 关键词： 各向异性板 FDTD方法 有耗介质 谐振 反演     

光在突变介质界面传输特性的FDTD方法研究

利用时域有限差分(FDTD)方法,结合Matlab编程,研究了光在突变介质界面的反射、透射与干涉.研究改变边界位置介电系数的变化率、连续性等,对反射光强的影响;调整薄膜厚度、电磁参数等,实现了对光干涉现象的动态建模.FDTD方法能够获得电磁场的时域数值解,可以直接进行动态演示;同时,运用FDTD方法可以通过改变介质结构,电磁参数等构筑计算机试验,真正实现让学生自己动手,去观察,去发现隐藏在物理表象下的物理本质.     

高浓度纤维增强材料介电特性计算方法

针对复合材料的微观结构非均匀和各向异性特点带来的数值方法计算慢、内存消耗大的问题,利用均匀化方法计算纤维增强复合材料的等效电磁参数.采用了纤维低体积添加比至高体积添加比的迭代方法,同时提出了一个描述材料微观结构的修正的特征长度,将现有的均匀化方法推广至非准静态(微波频段)条件下高纤维浓度情况.提出的修正的均匀化模型可直接用于反射系数、屏蔽效能等计算,其屏蔽效能与实际微观结构复合材料的数值仿真结果进行了对比,验证了提出的等效电磁参数计算公式的有效性和频率适用范围.     

亚波长间距理想导体球阵列近区时间反演电磁场的快速求解

为快速求解亚波长间距分布的理想导体球阵列近区的时间反演电磁场,提出一种基于等效偶极子模型的解析分析方法.首先,通过分析球面波照射理想导体小球的散射场解析解发现,散射场可以近似等效为电磁偶极子辐射场的叠加.等效偶极子的强度与初始激励源的幅度成正比关系.通过建立不同小球等效偶极子矢量间的耦合方程组可以直接求解得到相应矢量的大小.然后,结合时间反演腔理论得到相应的时间反演并矢格林函数,继而得到小球阵列近区的时间反演场分布.最后,通过与数值仿真软件的计算结果进行对比,验证了方法的正确性及高效性.研究表明,时间反演技术结合近场亚波长间距小散射体加载能够实现超分辨率的场聚焦.     

三维随机粗糙面与目标复合电磁散射的FDTD方法

用时域有限差分方法(FDTD)研究三维周期性延拓的随机粗糙面与上方目标复合电磁散射.用周期性延拓消除数值计算中截取有限大小粗糙面产生的边缘效应,讨论一个周期单元粗糙面的边长与其相关长度之间的关系.给出在FDTD方法中向粗糙面加载入射波的方法,建立了粗糙面上单个三维目标的复合散射FDTD计算模型.数值结果给出粗糙面与目标散射的近场分布,应用近远场变换得到全方位散射角的双站散射系数.比较了三维与二维散射模型的区别.结果显示当粗糙面上放置目标时,其后向散射显著增强.     

一种双开口谐振环结构的新型双负介质

 提出了一种双开口谐振环结构的新型双负介质单元模型,该模型集电、磁谐振于一体,结构简单。用时域有限差分法和CST软件对该新型结构进行了模拟对比,并对其物理机理进行了分析,解释了其双负效应发生的原因。从电磁波理论出发,导出了波导中双负介质参数的反演公式,推广了通常提取介质参数的NRW方法,并由此提取了新型双负介质的等效电磁参数。结果表明：在频率10.3 GHz附近其等效介电常数和等效磁导率的实部同时为负值,确定了其双负效应的存在。     

基于电磁超材料的两种等效参数提取算法的比较分析

基于传统反演算法和Kramers-Kronig关系改进算法, 分别提取弱耦合和强耦合超材料渔网结构模型的等效参数, 并对两种算法的有效性及普适性进行了探讨.理论分析及计算结果表明, 传统的反演算法可以准确地反演弱、强耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但计算复杂度较高;而基于Kramers-Kronig关系的改进算法巧妙地降低了计算的复杂度, 能简单准确地提取弱耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但对于强耦合情形则不适用, 原因在于强耦合情形破坏了Kramers-Kronig关系的解析且连续性要求. 研究结果拓展了等效媒质理论并可为新的电磁超材料的设计提供理论参考. 关键词： 超材料 反演算法 Kramers-Kronig关系 等效参数     

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     

吸声覆盖层研究进展

从粘弹性材料复杂结构吸声性能计算和粘弹性材料动态力学参数获取两方面对吸声覆盖层研究进行了回顾。计算模型主要有分层介质模型、等效介质模型、空腔谐振模型以及数值计算方法。动态力学参数获取主要有基于振动的直接测量方法、基于声学性能测试的反演方法和近些年发展起来的有限元的反演方法。最后对吸声覆盖层研究的发展趋势进行了展望。     

Investigation of composite electromagnetic scattering from ship-like target on the randomly rough sea surface using FDTD method

Composite electromagnetic scattering from a two-dimensional (2D) ship-like target on a one-dimensional sea surface is investigated by using the finite-difference time-domain (FDTD) method. A uniaxial perfectly matched layer is adopted for truncation of FDTD lattices. The FDTD updated equations can be used for the total computation domain by choosing the uniaxial parameters properly. To validate the proposed numerical technique, a 2D infinitely long cylinder over the sea surface is taken into account first. The variation of angular distribution of the scattering changing with incident angle is calculated. The results show good agreement with the conventional moment method. Finally, the influence of the incident angle, the polarization, and the size of the ship-like target on the composite scattering coefficient is discussed in detail.     

粒子模拟中激励源的一种等效设置方法

 基于计算电磁学中对强迫激励源消除虚假反射的算法分析，提出了用等效电流和等效磁流在FDTD公式中引入电场激励源和磁场激励源的方法。从粒子模拟方法的基本方程和迭代公式出发，分析了激励源的引入过程，推导出激励源所等效的电流项和磁流项表达式，实现了新的激励源设置方法，并进行了数值验证和结果讨论。研究表明：这类等效模型与标准FDTD公式能紧密结合，引入非常方便；不必专门设置一个附加的散射场区来处理散射场的计算，大大节省了计算时间和计算内存，比常规总场/散射场体系方法的效率高20%以上，对粒子模拟这类耗时的计算较为适用。通过对2维柱坐标系下相对论速调管放大器(RKA)的模拟，证明了此类激励源设置方法的实用性。     

轨道电路系统长钢轨电容补偿电磁脉冲耦合效应

结合时域有限差分(FDTD)方法、传输线方程和长钢轨激励场快速计算方法,研究了一种高效的时域混合算法,实现长钢轨电容补偿电磁脉冲耦合效应的时域快速计算。首先,为避免对钢轨不规则结构的直接建模,根据趋肤效应,将钢轨等效为管状导体模型并提取对应的单位长度分布参数。然后,根据长钢轨激励场快速计算方法,快速计算长钢轨沿线电场分布,并结合传输线方程构建钢轨等效圆柱模型与补偿电容一体化的电磁耦合模型。最后,使用FDTD方法求解传输线方程,获取钢轨沿线各点的电磁脉冲耦合响应。研究结果表明,钢轨耦合电流波形不断展宽,但是峰值随长度增加到一定值后达到饱和状态,此结论可为轨道电路系统电磁防护设计提供重要的数据支撑。     

电磁脉冲对金属板搭接缝隙耦合效应分析

 针对在缝隙耦合研究中,对金属板接合处搭接缝隙电磁特性的讨论相对较少的情况,应用时域有限差分方法模拟了强电磁脉冲对搭接缝隙的耦合穿透过程,计算了缝隙口径面等效面磁流和进入另一空间的透射场。为便于由等效磁流外推透射场,应用等效原理将电磁流在1/4空间的辐射等效为电磁流及其镜像在自由空间的辐射,避免了计算搭接缝隙边界情形下空间格林函数的困难。外推时采用分区外推法节省了计算时间。最后通过分析耦合场的变化曲线,总结了耦合共振规律。     

基于动理论模型的一维等离子体电磁波传输特性分析

本文采用了动理论模型对电磁波在等离子体中的传播特性进行了研究.建立了与该模型相关的麦克斯韦-玻尔兹曼(MB)方程组,并采用FDTD方法加以求解,得到了等离子体区域内的粒子分布函数及空间中的电场分布.此外,本文还计算了电磁波入射到等离子体平板上的反射及透射系数,并将数值计算结果与解析解结果进行了比较,验证了该方法的正确性.     

一维带限Weierstrass分形分层地面与矩形截面导体柱复合电磁散射FDTD研究

运用时域有限差分方法研究一维带限分形分层粗糙地面与矩形截面导体柱的复合电磁散射,计算复合电磁散射的双站散射系数,得到复合散射系数随散射角的变化,讨论粗糙面高度起伏均方根、分维、中间层介质、下层介质及矩形截面导体柱的参数等对复合散射系数的影响.     

A novel CN–ICCG–FDTD algorithm research of plasma reflection and transmission characteristics of electromagnetic wave

The advantage of the ICCG method for solving large sparse matrix is taken in the CN–FDTD equation solving. The CN–ICCG–FDTD can accelerate iteration for numerical calculation, and reduce memory overhead. Maxwell's equation of the electromagnetic wave in dispersive medium plasma is deduced from the CN format after being differentiated in the time domain, the FDTD method become unconditionally stable. In this process, a large sparse matrix is generated. As for solving such matrix, ICCG method has sufficient advantages. In ICCG method, convergence is so fast and stable that it is quite easy for computer programming. In addition, data required by ICCG method are memorized in a computer in the format of the one-dimensional compression, which helps the computer memory save a large amount of capacity, especially when the issues are rather complex to cope with, this algorithm will display such strength. With these advantages, ICCG method is able to calculate the reflection coefficient and the transmission coefficient of electromagnetic waves in plasma as well as the phase angle of them. The calculation indicates that the time step required by CN–ICCG–FDTD method has eliminated the constraints of the CFL, thus shortening the required time, making the calculated result stable and accurate, and improving the efficiency of programming.     

分析水下目标的大比例变换总场散射场源FDTD方法

为解决探测水下目标的电磁散射问题,提出大比例变换的总场-散射场源时域有限差分（FDTD）方法.该方法包含两次FDTD计算：第一次计算采用细网格得到激励源周围的近场值;第二次计算采用粗网格得到远距离的电磁场值.两次FDTD计算通过总场-散射场边界建立联系.实现细粗网格的大比例变换,例如变换比例N=10,大大节省了计算时间,降低了计算内存的消耗,提高了计算效率.通过算例验证该方法的正确性和有效性.最后,计算水下岩层中存在异常体时的电磁响应,指出当岩层中异常体电导率不同时,接收点处电磁场的幅值和相位均不相同.     

含三维复杂工程细缝金属腔的电磁屏蔽效能评估

复杂工程细缝为金属腔电磁屏蔽效能的评估带来了挑战。采用时域有限差分(FDTD)法结合环路(CP)法,在不改变原有粗网格剖分的基础上,实现了对三维复杂细缝结构金属腔电磁屏蔽效能的快速计算。提出复杂工程细缝的等效模型,提高了复杂细缝结构的CP编程和计算效率,计算结果与采用精细网格剖分的传统FDTD(fine-FDTD)计算结果吻合很好,验证了等效模型的有效性。在此基础上,分析了两种开有典型工程细缝金属腔在0~3 GHz内的电磁屏蔽效能,计算结果与fine-FDTD算法结果吻合很好,且计算效率大大提高。     

一种计算多导体传输线电磁脉冲响应的时域方法

基于波形松弛技术, 提出一种计算外界电磁脉冲激励下理想大地上无损多导体传输线瞬态响应的时域迭代方法。首先利用波形松弛技术对复频域内多导体传输线的电报方程进行解耦, 其中相邻导线的耦合作用等效为线上的分布源, 从而使电报方程转换为一系列关于独立导线的解耦方程组; 然后将复频域内传输线的解耦方程转换到时域, 根据时域方程建立相应的等效电路; 最后利用电路仿真软件PSCAD计算电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应。本文时域方法的计算结果与时域有限差分(FDTD) 法计算的结果进行对比, 证实了该时域方法的有效性和准确性, 这为工程和科研人员快速评估、分析电磁脉冲激励下多导体传输线的瞬态响应问题提供了一种可靠方法。