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.     

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。     

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.     

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     

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.     

同轴任意槽形周期圆波导慢波结构色散特性的研究

用阶梯近似的方法分析任意槽形加载的圆波导慢波系统，利用各阶梯相邻面的导纳匹配条件 以及中心互作用区与加载区的场匹配条件，获得了任意槽形加载周期慢波结构的统一色散方 程. 利用该色散方程，得到色散特性与CST MWS仿真软件模拟结果良好符合. 分别求解几种 特殊槽形加载慢波结构的色散特性及耦合阻抗，其中，三角形结构色散和耦合阻抗均最弱， 而倒梯形结构色散最强，耦合阻抗最大. 关键词： 任意槽形 慢波结构 色散特性 行波管     

色散周期结构的辅助场时域有限差分法分析

利用辅助场时域有限差分(FDTD)方法分析色散周期结构的斜入射问题. 主要基于Floquet定理, 在FDTD迭代式中引入辅助场量, 结合变换的周期及吸收边界条件,解决了周期结构斜入射问题的电磁特性仿真. 进一步将辅助场FDTD方法引入至色散周期结构的模拟, 结合Z变换方法,给出了基于Drude色散模型的具体迭代公式. 数值计算结果表明所构建方法的有效性及普适应.     

同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TM0n模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。     

同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

 运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TM_0n模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。     

三维周期结构弱无条件稳定时域有限差分算法

从麦克斯韦方程出发,导出了适用于周期结构的三维弱无条件稳定时域有限差分（FDTD）算法的迭代式,在理论上证明了其稳定性条件,其稳定性条件比普通FDTD的稳定性条件要宽松,并将周期边界条件应用到迭代式中,得到了可直接编程迭代的方程,给出了对其特有的一类非三对角阵的解决办法。最后通过算例将计算结果与常规FDTD及ADI-FDTD计算结果比较,验证了算法的精确性和有效性。     

A new model of dispersion for metals leading to a more accurate modeling of plasmonic structures using the FDTD method

We present FDTD simulations results obtained using the Drude Critical points model. This model enables spectroscopic studies of metallic structures over wider wavelength ranges than usually used, and it facilitates the study of structures made of several metals.     

基于非分裂FDTD的左手介质电磁特性的研究

为验证左手介质的电磁特性,采用非分裂时域有限差分方法对左手介质的Drude模型进行建模.这种方法不需要对电场和磁场进行分裂,也不需要对PML空间进行特殊处理,吸收边界PML和工作空间可以通过参数转换来完成,并且构造的PML层为有耗介质,进入PML层的透射波将迅速衰减.它是一种准确而有效的分析色散和各向异性介质的方法,通过此方法有效地验证了左手介质的负折射效应、汇聚效应、相位补偿效应,充分验证了左手介质及其反常特性的存在性和此方法分析左手介质的有效性. 关键词： 左手介质 非分裂 时域有限差分 Drude     

Analysis of nonlinear PCF for birefringence application using FDTD method

The effect of ellipticity on birefringence in a hexagonal photonic crystal fiber having elliptical air holes with Kerr nonlinearity is investigated, with and without defect using finite difference time domain (FDTD) simulations. It is found that the birefringence increases with the increase of ellipticity. Further this analysis is extended to a double defect structure, where two adjacent air holes are omitted horizontally from the hexagonal structure. This double defect structure is found to have more birefringence than the structure without defect. It is raveled that birefringence due to no defect is more for lower value of ellipticity; however at higher value of ellipticity, birefringence due to double defect is more than the one that could be due to no defect.     

The surface plasmon polariton dispersion relations in a nonlinear-metal-nonlinear dielectric structure of arbitrary nonlinearity

The analytic surface plasmon polaritons(SPPs) dispersion relation is studied in a system consisting of a thin metallic film bounded by two sides media of nonlinear dielectric of arbitrary nonlinearity is studied by applying a generalised first integral approach.We consider both asymmetric and symmetric structures.Especially,in the symmetric system,two possible modes can exist:the odd mode and the even mode.The dispersion relations of the two modes are obtained.Due to the nonlinear dielectric,the magnitude of the electric field at the interface appears and alters the dispersion relations.The changes in SPPs dispersion relations depending on film thicknesses and nonlinearity are studied.     

Analysis of dispersion characteristics for a circular dielectric waveguide with periodic metallic strips by using the method of lines

The dispersion characteristics of circular dielectric waveguide with periodic metallic strips are analyzed by the method of lines. The filter property of the metallic strip loaded structure is carefully investigated for both TE and TM modes. The brillioum diagrams for both TE₀₁ and TM₀₁ modes are given. A comparison is made between the results obtained by Galerkin's method and those calculated with the method of lines, and very good agreement has been found; the accuracy of the present method is thus justified. On the basis of the analysis, some useful guidelines for the design of the bandreject filters are suggested.