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.     

先验知识在压缩感知求解电磁场问题中的应用

快速求解三维目标宽角度电磁散射问题一直都是计算电磁学中的一个难点问题.前期研究表明：在传统矩量法中引入压缩感技术后可仅通过数次观测还原出全部入射角度下的电流,从而有效减少计算量.为获取应用压缩感知时所需的观测次数并讨论合适的稀疏变换选择,本文提出一种基于物理光学法的先验技术.该技术可对宽角度下电流系数的投影稀疏度及相应的观测次数进行预估,为利用压缩感知求解宽角度问题的快速算法特别是稀疏转换基的选择提供了先验知识,在实际计算前确定了相关参数,从而为该快速算法应用于工程实践奠定了良好基础.     

Total Field and Scattered Field Technique for Fourth-Order Symplectic Finite Difference Time Domain Method

Using symplectic integrator propagator, a three-dimensional fourth-order symplectic finite difference time domain （SFDTD） method is studied, which is of the fourth order in both the time and space domains. The method is nondissipative and can save more memory compared with the traditional FDTD method. The total field and scattered field （TF-SF） technique is derived for the SFDTD method to provide the incident wave source conditions. The bistatic radar cross section （RCS） of a dielectric sphere is computed by using the SFDTD method for the first time. Numerical results suggest that the SFDTD algorithm acquires better stability and accuracy compared with the traditional FDTD method.     

基于传播子技术的辛时域多分辨率方法

 数值求解三维时域Maxwell方程的过程中,保持方程的内在结构显得尤为重要.利用Hamilton函数的变分形式,将Maxwell方程表述为Hamilton正则方程形式.在时域方向,利用辛传播子技术对方程进行离散以保持方程的内在结构;在空域方向,采用时域多分辨率方法对三维旋度算符进行差分离散,建立了求解Maxwell方程的辛时域多分辨率(S-MRTD)方法.对S-MRTD方法的稳定性及数值色散性进行了系统的探讨,数值结果表明该方法的正确性及高精度性.     

基于时域有限差分方法的时变等离子体传播特性

基于辅助微分方程的时域有限差分法对太赫兹波在时变等离子体中的麦克斯韦方程进行推导,利用本构关系建立了含有尘埃颗粒的时变等离子体模型,模拟了随时间变化的尘埃等离子体鞘的吸收系数,反射系数和传输系数.数值计算结果表明：电子密度的增长速度受上升时间的影响,导致等离子板的反射系数随上升时间的增加而减小.吸收系数的增加与减少上升时间和频率、增加电子密度和尘埃粒子密度有关;等离子板的厚度、尘埃粒子密度,电子密度与吸收系数成正比,当波的工作频率高达1500GHz时,只有电子密度小于10     

非线性介质的表面等离子体波导设计和优化

设计了一种基于非线性介质Si-NC/SiO2的混合表面等离子体波导,利用有限元方法定量分析了这种波导所支持基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和有效面积与几何结构参数以及非线性介质的依赖关系.分析结果表明,光场主要被限制在非线性区域,通过调节非线性层的厚度以及非线性比例因子,可以实现模式的有效折射率和传播长度等传输特性参数的调节.固定非线性介质比例因子,有效折射率和传播距离随非线性层厚度增加而增大;固定波导尺寸,有效折射率随比例因子增大而增大,传播距离和有效面积较小.最后,根据分析结果对非线性效应进行优化,优化后波导最优结构尺寸为波导宽度为250nm,非线性材料层厚度为100nm,硅层厚度为150nm.     

基于多步高阶差分格式求解时域Maxwell方程

提出基于无穷维哈密尔顿系统及分裂算子理论的多步高阶差分格式,求解时域Maxwell方程.在时间方向上,针对Maxwell方程采用不同阶数的辛算法进行差分离散;在空间方向上,采用四阶差分格式进行差分离散.探讨多步高阶差分格式的稳定性及数值色散性,最后给出数值计算结果.结果表明,五级四阶格式为最有效的多步高阶差分格式,具有高精度、占用较少的计算机资源等优点,适用于长时间的数值模拟.     

目标宽带电磁散射特性的自适应分析

本文采用有理逼近中的误差分析方法, 对渐近波形估计的计算结果进行了误差分析, 从而提出了一种有效计算带宽的估计方法, 并构造了一种任意给定频段自适应扫频计算方法. 通过对不同几何形态的三维导体目标、色散介质目标的宽带电磁散射特性进行分析, 并将计算结果与解析解、矩量法逐点计算进行了比较, 验证了此算法的有效性.     

增益金纳米球壳光学特性研究

通过有限元方法研究了增益系数以及核壳比对纳米核壳结构表面等离激元共振特性的影响,并且对球心为增益介质、球壳为金的纳米核壳结构进行了数值模拟。计算结果表明：随着增益系数增大到临界值,散射截面增大近2x105倍,吸收截面变为负值,消光截面近似为0,电场强度增强近185倍,谐振带宽从60nm缩小到1nm。同时,随着核壳比的增大,吸收及消光共振峰均发生红移现象。我们的相关结果可为增益介质在金属纳米结构中的应用提供了理论参考和技术支持。     

一种计算复杂天线散射截面的新型快速方法

针对传统数值算法分析天线结构项单站雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)问题运算量大的缺点,基于压缩感知理论引入一种包含各个离散入射角度信息的新型激励源,借助有限元软件的建模分析功能,形成一种适用于处理复杂天线结构项单站RCS的快速算法.通过对单极子天线、角锥喇叭天线和抛物面反射天线等算例的仿真,验证了新算法处理复杂目标能力强、计算效率高的优势.