快速时域有限差分方法计算矩形缺陷接地结构

Courant-Friedrich-Levy(CFL)稳定性条件会限制传统时域有限差分(FDTD)时间步长的选择,因此,采用传统FDTD对矩形缺陷接地结构(RDGS)传输系数(S21)进行计算,需要耗费大量的计算时间。为了节省计算时间,提高计算效率,采用无条件稳定的Crank-Nicolson格式FDTD(CN-FDTD)对RDGS传输系数进行计算,详细讨论了CN-FDTD时间步长与计算效率和计算精度的关系。数值结果表明:当CN-FDTD时间步长取值远大于CFL时间步长时,其计算结果与传统FDTD计算结果仍然吻合,同时计算效率能提高77.2%。比较了CN-FDTD和ADI-FDTD的计算误差,在时间步长取值相同的情况下,CN-FDTD的计算误差要远小于ADI-FDTD。     

色散媒质中ADI-FDTD

基于交替方向隐式(ADI)技术的时域有限差分(FDTD)法是一种非条件稳定的计算方法，该方法的时间步长不受Courant稳定条件限制，而由数值色散误差决定。与传统的FDTD相比，ADI-FDTD增大了时间步长，从而缩短了总的计算时间。本文采用递归卷积方法将ADI-FDTD推广应用于色散媒质，推导了二维情况下色散媒质中的ADI-FDTD迭代公式。应用推导公式计算了色散土壤中目标的散射，并与色散媒质FDTD结果对比，在大量减少计算时间的情况下，两者结果符合很好。     

色散媒质中ADI-FDTD的PML

基于交替方向隐式(ADI)技术的时域有限差分法(FDTD)是一种非条件稳定的计算方法,该方法的时间步长不受Courant稳定条件限制,而是由数值色散误差决定。与传统的FDTD相比, ADI-FDTD增大了时间步长, 从而缩短了总的计算时间。该文采用递归卷积(RC)方法导出了二维情况下色散媒质中ADI-FDTD的完全匹配层(PML)公式。应用推导公式计算了色散土壤中目标的散射,并与色散媒质中FDTD结果对比,在大量减少计算时间的情况下,两者结果符合较好。     

ADI-FDTD方法在乳腺癌检测正向计算中的应用

传统的时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)算法受到稳定性条件的制约, 时间步长受限于空间网格的尺寸.医学应用讲究即时性, 为提高成像的速度, 文中采用无条件稳定的交替隐式时域有限差分(Alternating-Direction Implicit Finite-Difference Time-Domain, ADI-FDTD)算法替代传统的FDTD算法进行正向计算, 通过实验得出采用ADI-FDTD算法在保证精度的前提下, 计算时间可缩短为FDTD算法的四分之一, 为乳腺癌微波即时成像提供了可能.     

无时间约束FDTD方法在三维散射中的应用

本文阐述了一种无时间约束条件的FDTD方法(ADI-FDTD)在三维目标电磁散射中的应用.由于散射问题的复杂性,文中分别推导了ADI-FDTD原始方程在连接边界条件、吸收边界条件和近远场外推等关键处的修正方程,并提出了ADI-FDTD方法中的时间步长上限.通过算例表明该方法与传统FDTD方法相比,时间步长可突破传统时间－空间约束条件,它的选取能远大于原有时间步长,对同一散射问题,总计算时间步可以相应大幅度减少,进而提高FDTD方法在计算散射问题中的效率.最后,数值计算显示了该方法的计算精度,并通过图表给出与传统FDTD计算时间的比较.     

基于非零散度关系的交替方向隐式减缩FDTD算法

该文证明了即使在无源区域,交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)所给出的电磁场量不满足零散度关系,同时推导出了该散度关系的具体表达式。基于该非零散度关系,将不受Courant稳定条件限制的ADI-FDTD法和能节约最多达1/3内存的减缩时域有限差分(R-FDTD)法结合,提出了一种新的交替方向隐式减缩FDTD算法。该算法保留了ADI-FDTD能增大时间步长,缩短计算时间的优点,同时与ADI-FDTD相比节约了最多达1/3(三维)或2/5(二维)的内存。与基于零散度关系的ADI/R-FDTD相比,该算法避免了采用长时间步长计算时的发散现象。应用所提出的ADI/R-FDTD算法计算了二维自由空间波的传播及一维频率选择表面垂直入射的问题,计算结果与ADI-FDTD计算结果完全一致,验证了ADI/R-FDTD的正确性和有效性。     

一种新型全域时域有限差分法

提出一种基于半导体器件漂移扩散模型并结合交替方向隐式时域有限差分(ADI-FDTD)法的新型全域FDTD法.该方法时间步长的选择取决于数值精度而非稳定性,克服了传统全域FDTD法为了保持数值稳定性,时间步长的选取受限于Courant稳定性条件的问题.该方法的复杂度稍微增加,但是通过增加时间步长,减少计算时间、提高计算速度.该方法的主要特点是模拟一个简单的二极管分布开关电路.     

UPML媒质中无条件稳定的二维ADI-FDTD方法

对单轴各向异性PML（UPML）媒质中二维TM波的交变方向隐式时域有限差分方向（ADI-FDTD），通过计算实例表明，ADI-FDTD方法在UMPL媒质中是无条件稳定的，其时间步长不受CFL稳定性条件的限制，并且当计算区域内具有精细差分网格时，其计算效率明显优于传统的时域有限差分方向（FDTD）。     

ADI-FDTD+GRT在波导电路分析中的应用

本文研究时域有限差分法(FDTD)的一种新的时空压缩技术,并应用于波导电路的分析.首先分析了软激励条件下的改进的几何重置技术(GRT),研究了合理选择源面与参考面的放置位置,使GRT不仅减小了吸收边界对计算结果的影响,而且节省了计算空间,还可以精确得到全部散射参量.另外阐述了与交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)相结合,使计算空间和时间同时被压缩,达到节省计算资源的目的.为了衡量ADI-FDTD+GRT算法的计算精度和效率,分析了包含不连续结构的波导作为算例,将其数值计算结果分别与传统FDTD和HFSS作比较,并将端面和参考面不同间距的ADI-FDTD+GRT与传统ADI-FDTD在仿真结果和资源占用方面进行对比,结果表明本文算法是精确和高效的.     

多时间步长时域有限差分法分析微波电路

提出在非均匀网格空间的粗网格区域采用大时间步长,细网格区域采用小时间步长的多时间步长时域有限差分(MTS -FDTD)法,并对其稳定性条件进行了分析。该方法通过应用多个时间步长替代传统非均匀时域有限差分(NU- FDTD)法的单一时间步长的算法来提高计算速度。通过应用MTS- FDTD方法模拟自由空间中给定激励下某点的场和微带低通滤波电路。数值结果表明,与传统NU- FDTD法相比,MTS- FDTD法在保持同等计算精度的条件下计算速度提高了46%以上。     

一种适用于ADI-FDTD法的非分裂式完全匹配层

基于FDTD法中场量D-H(电位移矢量-磁场强度)迭代公式,导出了适用于AD I-FDTD法的场量非分裂式完全匹配层(PML)的实现方案,与现有的其它AD I-FDTD法的PML技术相比,具有物理概念清晰、易于操作并节省计算机资源的优点。数值结果证明:该PML技术能有效地解决吸收边界的问题,为AD I-FDTD法的发展与推广应用提供了条件。     

3-D ADI-FDTD method-unconditionally stable time-domain algorithmfor solving full vector Maxwell's equations

We previously introduced the alternating direction implicit finite-difference time domain (ADI-FDTD) method for a two-dimensional TE wave. We analytically and numerically verified that the algorithm of the method is unconditionally stable and free from the Courant-Friedrich-Levy condition restraint. In this paper, we extend this approach to a full three-dimensional (3-D) wave. Numerical formulations of the 3-D ADI-FDTD method are presented and simulation results are compared to those using the conventional 3-D finite-difference time-domain (FDTD) method. We numerically verify that the 3-D ADI-FDTD method is also unconditionally stable and it is more efficient than the conventional 3-D FDTD method in terms of the central processing unit time if the size of the local minimum cell in the computational domain is much smaller than the other cells and the wavelength     

A hybrid 2-D ADI-FDTD subgridding scheme for modeling on-chipinterconnects

This paper presents a novel technique for extracting the propagation characteristics of on-chip interconnects. A hybrid two-dimensional subgridding scheme, based on a combination of the finite-difference time-domain (FDTD) method and the alternating-direction implicit (ADI-)FDTD technique, is utilized. The ADI-FDTD scheme is used for fine grid in the vicinity of the metallic etch, while the coarse FDTD grid is used outside this region. The advantage of the ADI-FDTD scheme is that it can be synchronized with the time marching step employed in the coarse FDTD scheme, obviating the need for the temporal interpolation of the fields in the process. This helps to render the hybrid ADI-FDTD subgridding scheme to be more efficient than the conventional FDTD subgridding algorithm in terms of the run time. The phase and attenuation constants of the dominant mode of a lossy stripline are computed by the proposed scheme to validate the technique     

等离子体的交替方向隐式时域有限差分方法

首次把交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)推广到色散介质——无碰撞非磁化等离子体中，计算了非磁化等离子体与电磁波的相互怍用，使用ADI技术给出了无碰撞等离子体介质中的ADI-FDTD迭代公式．并解析地证明了等离子ADI-FDTD算法也是无条件稳定的，数值计算表明，等离子体ADI-FDTD算法与传统的FDTD的计算结果吻合，计算效率更高。     

Alternating-direction implicit (ADI) formulation of the finite-difference time-domain (FDTD) method: algorithm and material dispersion implementation

The alternating-direction implicit finite-difference time-domain (ADI-FDTD) technique is an unconditionally stable time-domain numerical scheme, allowing the /spl Delta/t time step to be increased beyond the Courant-Friedrichs-Lewy limit. Execution time of a simulation is inversely proportional to /spl Delta/t, and as such, increasing /spl Delta/t results in a decrease of execution time. The ADI-FDTD technique greatly increases the utility of the FDTD technique for electromagnetic compatibility problems. Once the basics of the ADI-FDTD technique are presented and the differences of the relative accuracy of ADI-FDTD and standard FDTD are discussed, the problems that benefit greatly from ADI-FDTD are described. A discussion is given on the true time savings of applying the ADI-FDTD technique. The feasibility of using higher order spatial and temporal techniques with ADI-FDTD is presented. The incorporation of frequency dependent material properties (material dispersion) into ADI-FDTD is also presented. The material dispersion scheme is implemented into a one-dimensional and three-dimensional problem space. The scheme is shown to be both accurate and unconditionally stable.     

二维无条件稳定时域有限差分方法

基于半隐式的Crank-Nicolson差分格式给出了一种无条件稳定时城有限差分方法。和传统FDTD法中采用的显式差分格式不同，对Maxwell方程组采用半隐式差分格式，在时间和空间上仍然是二阶精确的。但时间步长不再受稳定性条件的限制，只需考虑数值色散误差对其取值的制约。利用分裂场完全匹配层吸收边界截断计算空间，为保证PML空间的无条件稳定性，其方程也采用半隐式差分格式。数值结果表明相同条件下US-FDTD方法与传统FDTD方法的计算精度是相同的，而且在增大时间步长时US-FDTD方法是稳定的和收敛的。可以预见US-FDTD方法在模拟具有电小结构问题时具有实际意义。     

Theoretical Proof of Unconditional Stability of the 3-D ADI-FDTD Method

In order to eliminate Courant-Friedrich-Levy(CFL) condition restraint and improvecomputational efficiency,a new finite-difference time-domain(FDTD)method based on the alternating-direction implicit(ADI) technique is introduced recently.In this paper,a theoretical proof of the stabilityof the three-dimensional(3-D)ADI-FDTD method is presented.It is shown that the 3-D ADI-FDTDmethod is unconditionally stable and free from the CFL condition restraint.