三维时变等离子体目标的电磁散射特性研究

基于电流密度拉普拉斯变换方法改进的时域有限差分(LTJEC-FDTD)算法, 研究时变等离子体目标的电磁散射特性.由Maxwell方程和等离子体本构方程出发, 利用拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换, 推导出计算三维时变问题的时域有限差分(FDTD)算法的迭代式. 采用模式匹配方法验证了FDTD迭代式的正确性, 并通过计算等离子体球的雷达散射截面(RCS)验证了算法相关边界的正确性. 最后用LTJEC-FDTD算法分析了涂覆时变等离子体的战斧式巡航导弹的RCS. 关键词： 时变等离子体 雷达散射截面 模式匹配方法 时域有限差分方法     

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.     

粒子模拟中的时偏FDTD算法

给出一种能自动对高频噪声进行过滤的时域有限差分(FDTD)算法,称为时偏FDTD算法.在中心差分FDTD算法的基础上,引入时间偏置和松弛迭代处理,得到该算法的计算公式,并进行稳定性与收敛性分析.通过对相对论磁控管的计算,与中心差分FDTD算法比较,验证了该算法的滤波特性.     

截断各向异性等离子体的修正各向异性完全匹配层吸收边界北大核心CSCD

基于磁化等离子体本构方程,提出了一种截断各向异性色散介质的修正的各向异性完全匹配层(M-UPML)吸收边界算法。通过等效相对介电常数,将UPML推广到截断各向异性等离子体介质的情形,并推导了其时域有限差分方法(FDTD)迭代式。用该方法计算了半空间磁化与非磁化等离子体的反射系数,计算结果与解析解相一致,表明该吸收边界具有良好的吸收效果。     

截断各向异性等离子体的修正各向异性完全匹配层吸收边界

 基于磁化等离子体本构方程,提出了一种截断各向异性色散介质的修正的各向异性完全匹配层(M-UPML)吸收边界算法。通过等效相对介电常数,将UPML推广到截断各向异性等离子体介质的情形,并推导了其时域有限差分方法(FDTD)迭代式。用该方法计算了半空间磁化与非磁化等离子体的反射系数,计算结果与解析解相一致,表明该吸收边界具有良好的吸收效果。     

粒子模拟中的一种高频噪声抑制算法

对粒子模拟中的高频噪声的产生机理进行分析,并给出一种既能对高频数值噪声进行过滤又能满足Q值较高的相对论型微波器件计算要求的时域有限差分(FDTD)算法——High_Q FDTD算法.在中心差分FDTD算法和时偏FDTD算法的基础上,给出High_Q算法的计算公式,并着重分析算法的稳定性与收敛性.通过对相对论返波管(RBWO)的计算,将计算结果与中心差分和时偏FDTD算法的计算结果比较,验证算法有较好的滤波特性和计算精度.     

一种适于1维磁等离子体电磁波传输特性的FDTD分析

 提出了一个新的分析各向异性磁等离子体中电磁波传输特性的时域有限差分（FDTD）方法。该方法是将电流密度矢量与电场强度矢量之间的本构方程基于拉普拉斯变换原理转到复频域,然后再逆变换到时域得到它们之间显式的方程,最后再结合指数差分,得到离散时域的显式的FDTD迭代方程,解决了本构方程中电流密度矢量的分量相互耦合而不易直接离散的困难。该方法在数学上具有简单明了和易于计算的特点,同时通过该方法计算各向异性等离子体板的电磁波反射和透射系数,与其解析解进行比较,结果表明了该方法的准确性和有效性。     

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     

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。     

高阶谱元区域分解算法及其在流动稳定性中的应用

以无时间分裂误差的区域分解Stokes谱元算法为基础构建整体稳定性分析方法.用Jacobian-free的Inexact-Newton-Krylov算法求解不可压缩Navier-Stokes方程的定常解,将Stokes算法的时间推进步作为Newton迭代的预处理,在此基础上采用Arnoldi方法计算大规模特征值问题,对复杂流动进行稳定性分析,该方法能统一处理定常和非定常计算,没有时间分裂误差,无需显式构造Jacobian矩阵,可以减少内存使用,降低计算量,并加速迭代收敛.对有分析解的Kovasznay流动的计算表明,高阶谱元法具有指数收敛的谱精度.对亚临界方腔对称驱动流的各种定常解的计算及其稳定性分析验证了方法的可行性.     

共形单步交替方向隐式时域有限差分方法及其改进

提出了一种基于共形网格技术的共形单步交替方向隐式时域有限差分(CLeapfrog ADI-FDTD)方法。与常规FDTD方法相比,此方法能够减小由于目标边界不契合网格划分而引入的阶梯近似误差,提高算法计算不规则目标时的精度;同时算法稳定性更强,计算效率更高。由于引入共形技术后显著降低了原差分法的无条件稳定性,本文利用增长矩阵本征值方法理论分析了算法的稳定性,然后采用了一种改进的共形面积计算方法,在此基础上提出了一种稳定性更高的改进的共形单步交替方向隐式时域有限差分(ICLeapfrog ADI-FDTD)方法。数值算例验证了ICLeapfrog ADI-FDTD是一种具有高稳定性和高精度的高效算法。     

基于交替隐式有限差分法的快速早期乳腺癌时域微波断层成像

采用时域微波断层成像技术进行早期乳腺癌检测能够准确地获得乳房的电参数分布,具有明确的物理解释和医学诊断价值.临床应用讲究即时性,为了提高检测的速度,本文将交替隐式有限差分法应用到乳腺癌检测中,基于正反演时间步进成像算法进行成像分析,结果显示在保证精度的前提下,采用交替隐式有限差分法的成像时间可缩短为传统时域有限差分法的23%,提高了微波断层成像技术的临床可应用性.     

One-step alternating direction implicit FDTD algorithm

In this paper, a novel unconditionally stable alternating direction implicit finite-different time-domain method(ADI-FDTD) called the one-step ADI-FDTD method is presented, where the calculation for one discrete time step is performed using only one procedure, but not the original two sub-updating procedures. Consequently, the proposed one-step ADI-FDTD methods have consumed less computer memory and computation resources and have been faster than the conventional ADI-FDTD methods. We analytically and numerically verified that the new algorithm is unconditionally stable and free from the Courant condition.     

二维各向异性磁等离子体的无条件稳定ADE-CNAD-FDTD算法

针对二维各向异性磁等离子体提出一种有效的无条件稳定算法,新算法结合了辅助微分方程(ADE)方法与Crank-Nicolson approximate-decoupling(CNAD)时域有限差分算法仿真各向异性磁等离子体介质。传统的ADE-FDTD方法应用在一维各向异性色散介质具有较高的精度和效率,将提出的新算法ADE-CNAD-FDTD应用到二维各向异性磁等离子体介质中不仅解决了电磁波在具有各向异性和频率色散特性介质中传播的仿真难题,而且去除了CFL稳定性条件。该算法在保留了原有的精度情况下大幅度地提高了计算效率并成为无条件稳定的形式。给出一个算例证明该算法的有效性,通过模拟电磁波在磁等离子体中的传播,仿真结果与传统的ADE-FDTD算法对比,证实了该算法的高效率、无条件稳定性和高精度。     

Computation of Microwave Attenuation on Coplanar Waveguide with Conformal ADI-FDTD Method

A novel Conformal Finite-Difference Time-Domain based on Alternating-Direction Implicit Method(ADI-CFDTD) used to calculate the microwave attenuation on coplanar waveguide(CPW) with complicated cross-section up to 200GHz is presented. This ADI-CFDTD algorithm is the combination of conformal algorithm dealing with the deformed cell with ADI-FDTD, and has unconditionally stable. The difference equations are derived from the Faraday's and Ampere's law. To validate its accuracy and efficiency, as an example, a CPW fabricated on lithium niobate is proposed. Numerical results demonstrate that this new ADI-CFDTD algorithm has more accuracy than that of quasi-static and CFDTD and shows good agreement with experiment data. When frequency is up to millimeter wave band the radiation loss is not negligible in total power loss.     

Unconditionally Stable Z-Transform ADI-PML Algorithm for Lorentzian Double Negative Meta-Materials

Unconditionally stable formulations of the anisotropic perfectly matched layer (APML) are presented for truncating double negative (DNG) meta-material finite difference time domain (FDTD) grids. In the proposed formulations, the Z-transform theory is employed in the alternating direction implicit FDTD (ADI-FDTD) scheme to obtain update equations for the field components in the DNG meta-material domains. Numerical examples carried out in one dimensional Lorentzian type DNG meta-material domains are included to show the validity of the proposed formulations.     

Finite-difference time-domain modeling of curved material interfaces by using boundary condition equations method

To deal with the staircase approximation problem in the standard finite-difference time-domain(FDTD) simulation,the two-dimensional boundary condition equations(BCE) method is proposed in this paper.In the BCE method,the standard FDTD algorithm can be used as usual,and the curved surface is treated by adding the boundary condition equations.Thus,while maintaining the simplicity and computational efficiency of the standard FDTD algorithm,the BCE method can solve the staircase approximation problem.The BCE method is validated by analyzing near field and far field scattering properties of the PEC and dielectric cylinders.The results show that the BCE method can maintain a second-order accuracy by eliminating the staircase approximation errors.Moreover,the results of the BCE method show good accuracy for cylinder scattering cases with different permittivities.     

Finite-Difference Time-Domain Algorithm for Dispersive Media Based on Runge-Kutta Exponential Time Differencing Method

The electromagnetic propagation in dispersive media is modeled using finite difference time domain (FDTD) method based on the Runge-Kutta exponential time differencing (RKETD) method. The second-order RKETD-FDTD formulation is derived. The high accuracy and efficiency of the presented method is confirmed by computing the transmission and reflection coefficients for a nonmagnetized collision plasma slab in one dimension. The comparison of the numerical results of the RKETD and the exponential time differencing (ETD) algorithm with analytic values indicates that the RKETD is more accurate than the ETD algorithm.     

周期对称结构R-FDTD方法及其减元优化

论述减缩时域有限差分方法(R-FDTD)中暂存场分量边值补充计算的必要性,提出周期对称结构R-FDTD方法,基于对称关系和周期边界条件(PBC),给出需要补充计算的暂存分量表达式.利用对称性,将计算空间缩减为原来的1/4,对称面外侧场分量由对称关系得到,1/4空间周期对称结构R-FDTD可更进一步将计算区域的内存使用量降为FDTD算法的1/6,且不影响计算精度.计算无限大钢筋网和钢筋混凝土墙壁的电磁脉冲响应,结果与FDTD的计算结果吻合.改进的算法在内存使用和计算时间上具有明显的优势.     

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。