电磁波在磁化等离子体中传播的时域有限差分模拟

基于Z变换形式的时域有限差分法计算公式,模拟了传播方向垂直于磁化磁场的电磁波在磁化等离子体层中的传播.通过离散傅立叶变换,给出了电磁波通过均匀和非均匀磁化等离子体后的反射系数和透射系数随频率的变化关系.还给出了电磁波经过均匀磁化等离子体层后的反射和透射系数和理论值的对比.     

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。     

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.     

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.     

基于紧致差分格式的高效时域有限差分算法

探讨一种基于紧致差分格式的高效时域有限差分算法(high-order compact-FDTD),该方法不仅提高计算精度,而且网格结点少、内存使用率和CPU时间大为降低.利用紧致格式FDTD方法实现无耗波导系统及光子晶体光纤中电磁波传播的数值模拟.通过计算实例验证算法的高效性.     

斜入射分层线性各向异性等离子体电磁散射时域有限差分方法分析

提出了斜入射分层线性各向异性等离子体电磁散射的时域有限差分(FDTD)方法,通过将二维麦克斯韦方程等价地转换为一维麦克斯韦方程,避免了用二维时域有限差分方法分析该散射问题,极大地提高了计算效率.分析推导了TEz和TMz波斜入射线性分层各向异性等离子体电磁散射的FDTD方法,然后通过该方法计算不同入射角的各向异性等离子板的电磁波反射系数,并与其解析解进行比较,结果表明该方法的准确性和有效性.最后,将该算法应用于计算涂覆分层各向异性等离子体金属板在不同入射角下的反射系数,分析了不同入射角对反射系数的影响.     

信号在时变等离子体中的传播特性

高速飞行器等离子鞘套由于飞行姿态调整、湍流、非均匀烧蚀等因素的影响,使其等离子体参数存在时变特性,针对这种传输介质的快速时变特性引起的电波幅度、相位上的寄生调制效应,本文利用大面积辉光放电等离子体产生装置,搭建了等离子体中信号传输实验系统,进行了S频段的单频信号与调制信号传输实验,观测验证了调制效应的存在,且其调制频率与等离子体变化频率具有一致性,进一步分析了等离子参数与寄生调制效应的关系,理论和实验结果表明:即使当载波频率大于等离子频率时,时变等离子引起的寄生调制效应也会使传输信号的星座图发生旋转,造成其判决容差裕度变小,通信可靠性下降,并且载波频率越接近等离子频率时,其寄生调制效应越强烈。     

一种高效计算各向异性磁化等离子体的时域有限差分算法

利用电流密度和电场强度的卷积关系,引入电流密度和电场强度分段线性近似,导出一种适合各向异性磁化等离子体介质的FDTD算法的计算公式.计算各向异性碰撞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,与解析结果比较,验证该算法的高效性和高精度,与电流密度卷积(JEC)算法和分段线性电流密度卷积(PLCDRC)算法相比,计算精度及计算效率显著提高.此外,用该算法验证了法拉第旋转效应.     

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.     

任意色散周期结构的时域有限差分方法分析

利用辅助微分时域有限差分法求解了任意色散周期模型的电磁波传播问题。利用共轭复数对形式对任意色散媒质进行参数拟合,并将任意色散媒质的介电常数表示成公式形式,在FDTD迭代式中引入辅助微分方程,推导出了适用于多层任意色散模型的通用递推公式,分别求解了Debye、Drude与太阳能电池周期结构模型的电磁特性仿真问题。仿真结果表明:数值计算结果与CST商业软件仿真结果基本吻合,证明了所构建方法的有效性与普适性。     

有限磁场中等离子体圆柱波导的传播特性

分析了有耗介质中等离子体圆柱波导在有限外加磁场中的传播特性.重点讨论了波导传播常数随等离子体参数、介质参数和外加磁场的变化.分析结果表明，有限强磁场中的等离子体波导的传播特性比无外磁场或外加磁场为无穷大时具有更强的控制能力. 关键词：     

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。     

斜入射周期结构模拟的迭代时域有限差分方法

基于时域有限差分法引入一种基于迭代的算法,主要原理是通过时间步进方式,用先迭代产生的已知场近似当前迭代所需的未知场,使近似场和真实场之差随迭代次数的增加而逐渐减小.探讨了该算法的具体实现过程,给出了收敛性分析,发现无限长金板反射系数的计算结果与解析解在数值上高度一致,从而验证了该方法的正确性.将该算法引入到三维色散结构模型仿真中,从理论上验证了在硅表面放置纳米圆柱结构所具有的超透射现象.研究表明,所构建方法克服了传统方法受入射角度限制、缺少时域场演化过程和需要大量网格剖分等方面的缺点,为色散周期结构在斜入射条件下的传输特性研究提供了新的解决途径.     

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。     

层状介质时域有限差分方法斜入射平面波引入新方式

应用二维时域有限差分方法分析层状介质中的目标散射时,在总场-散射场边界斜入射平面波源用常规方法难以引入,因为在总场-散射场边界处设置的入射波实际上包含了入射脉冲以及各分层界面的反射和多次反射.为解决这个问题,提出了斜入射平面波的混合引入方式,即对总场-散射场的四个边界面采取不同的处理方式.对于总场-散射场的纵向侧边界,用含有斜入射角度的修正一维时域有限差分方法,只要在自由空间位置加入入射脉冲就会自行产生由各分层界面形成的反射波,包括多次反射.同时,把纵向总场-散射场侧边界向下延伸,使得总场-散射场下边界位于完全匹配层内,这样透射波和散射波均为外向行波而被吸收.对于总场-散射场的上边界,由于完全位于自由空间中,边界上各点的入射波将是总场-散射场纵向边界角点处入射波的带有时间延迟的复制.数值模拟结果表明了本文所提出方法的正确性和有效性. 关键词： 时域有限差分 层状介质 斜入射平面波 修正一维麦克斯韦方程     

金属介质在时域有限差分中的几种处理方法

金属在“超颖物质”中有重要应用，分析和仿真金属介质很有意义. 对比了时域有限差分(FDTD)中金属介质的三种计算方法：ADE(Auxiliary Differential Equation), PLRC(Piecewise Linear Recursive Convolution) 和Sakoda提出的方法. 通过数值验证，发现ADE和PLRC的数值结果完全相同. Sakoda的方法在计算卷积时采用台阶近似，有一定误差.改进Sakoda方法的卷积计算后，结果与其他两种方法完全相同. 关键词： 超颖物质 金属 FDTD ADE PLRC     

室内声学时域有限差分模拟中的边界条件

给出了时域有限差分法用于室内声学问题模拟中的边界条件,结合声波方程的基本差分格式,模拟并分析了高斯脉冲在4m×4m房间中的波动过程和脉冲响应;模拟了一9m×6m×4m房间的简正频率,并与经典理论计算值进行了对比;模拟了一12m×5m×4m水平地面房间中的坐席吸声低谷效应,并与Joe LoVtri的模拟结果进行了对比;模拟并实际测量了一10.6m×5.8m×3.4m房间在几个受声点的脉冲响应和早期衰变时间EDT,将模拟结果与实际测量结果进行了对比分析,计算程序是用Metlab语言编写的。模拟与经典理论、相关研究、实际测量几方面的对比分析,验证了本边界条件的可靠性。     

有限磁场中激光等离子体通道天线的传播特性

提出了一种用于辐射高功率微波的各向异性磁化等离子体通道天线（AMPCA）,阐述了该天线的具体实现方法,给出了其工作原理,建立了AMPCA的电磁模型。推导了广义柱坐标系下各向异性磁化等离子体中纵向场满足的波动方程,并给出了纵向场与横向场的关系,利用边界条件导出了AMPCA传播模式的特征方程,并在极限条件下,将结果与已有文献进行对比,验证了所推导结果的正确性和有效性。数值计算了AMPCA传播模式的色散曲线。     

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