辛时域有限差分算法研究等离子体光子晶体透射系数

相较于传统的时域有限差分算法,辛时域有限差分算法具有高准确度性和低色散性.传统的时域有限差分算法的计算准确度较低,数值色散误差较大,并且破坏了麦克斯韦方程的辛结构,从而导致其稳定性较差.然而辛时域有限差分算法可以克服这些缺点,从而保证了整个仿真计算的准确性和稳定性.本文基于辛时域有限差分算法,对等离子体光子晶体的带隙特性,透射系数等进行了研究,并与传统的时域有限差分算法进行了对比,验证了辛时域有限差分算法的优势和可行性.     

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.     

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     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

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     

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.     

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     

嵌入式薄片模型在时域有限差分算法中的应用

将一等效薄片模型嵌入到时域有限差分算法（FDTD）中,以快速而有效地解决复合材料薄片在电磁计算中的多尺度问题。在该嵌入式薄片模型中,薄片不需要被剖分网格,而是被嵌入到相邻的网格间,从而可以使用相对较大的网格剖分周围物体,进而可节省大量的计算资源。在这一模型中,薄片被等效为一段传输线,并用其频域的导纳矩阵代替。使用数字滤波器理论以及逆Z变换可将频域的导纳矩阵转换到时域,并将其嵌入到时域有限差分算法中。该嵌入式薄片模型被用来计算一单层碳纤维复合材料薄片的反射以及透射性能,并与其解析解进行对比,从而验证该模型的准确性、收敛性以及高效性。该模型被用来计算三种具有不同电参数的单层碳纤维复合材料薄片的屏蔽性能,以研究各电参数对其屏蔽性能的影响。     

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.     

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     

高阶辛算法在典型量子器件模拟中的应用

利用辛积分和高阶交错差分方法建立了求解含时薛定谔方程的高阶辛算法(SFDTD(4,4)).对空间部分的二阶导数采用四阶准确度的差分格式离散得到随时间演化的多维系统再引入四阶辛积分格式离散;探讨了SFDTD(4,4)法的稳定性,获得了含时薛定谔方程的一维以及多维的稳定性条件,并得到在含势能情况下该稳定性条件的具体表达式;借助复坐标沿伸概念,实现了SFDTD(4,4)法在量子器件模拟中的完全匹配层吸收边界条件.结合一维量子阱和金属场效应管传输的仿真,结果表明较传统的时域有限差分算法,SFDTD(4,4)有着更好的计算准确度,适用于长时间仿真.算法及相关结果可为实际量子器件的设计提供必要的参考.     

Perfect plane-wave source for a high-order symplectic finite-difference time-domain scheme

The method of splitting a plane-wave finite-difference time-domain (SP-FDTD) algorithm is presented for the initiation of plane-wave source in the total-field / scattered-field (TF/SF) formulation of high-order symplectic finite-difference time-domain (SFDTD) scheme for the first time. By splitting the fields on one-dimensional grid and using the nature of numerical plane-wave in finite-difference time-domain (FDTD), the identical dispersion relation can be obtained and proved between the one-dimensional and three-dimensional grids. An efficient plane-wave source is simulated on one-dimensional grid and a perfect match can be achieved for a plane-wave propagating at any angle forming an integer grid cell ratio. Numerical simulations show that the method is valid for SFDTD and the residual field in SF region is shrinked down to -300 dB.     

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     

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。     

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。     

热声网络的辛对称特征

将辛数学引入热声系统网络模型的处理,通过对热声系统网络传输矩阵的分析,证明系统中等温流体管道内工质运动的传输矩阵为辛矩阵.存在温度梯度的热声回热器中气体工质微团的传输矩阵不是辛矩阵,但是可以通过变量代换将传输矩阵转换为辛矩阵,使整个热声系统网络传输都可用辛矩阵传输来表示.辛对称的形式有助于热声系统网络模型的分析与计算. 关键词： 辛 热声 网络模型 传输矩阵     

一种处理Cole-Cole色散媒质的FDTD改进方案

对柯尔-柯尔(Cole-Cole)色散媒质的时域有限差分(FDTD)方案尝试给出改进:(1)保留了Cole-Cole经验公式中的静态电导率项;(2)扩展到三维情形;(3)人体乳房组织的模型参数源于实验测量.数值算例结果初步证实改进方案的可行性和有效性.改进方案适用于模拟更一般柯尔-柯尔色散媒质中的电波传播.