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。     

一种非条件稳定的隐式时域有限差分法

介绍一种基于交替方向隐式(ADI)技术的时域有限差分法(FDTD).该方法是非条件稳定的,时间步长不再受到Courant稳定条件的限制,而是由数值色散误差来确定.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,特别是当空间网格远小于波长时,优点更加突出.首次把完全匹配层(PML)边界条件应用到ADI-FDTD计算中,采用幂指数形式的时间步进算法,推导了相应的迭代公式.进行了实例计算,并与传统FDTD的结果对比,验证了ADI-FDTD的有效性与优越性.     

色散媒质中采用Z变换的ADI-FDTD方法

基于Z变换方法将ADI-FDTD推广应用于色散媒质,得到了二维情况下色散媒质中的迭代差分公式,同时给出了一种采用ⅡR滤波器结构来减少存储量的方法.本文方法适合于任意M阶色散媒质,最后,给出了一个算例,数据仿真结果表明,本文的算法与传统色散媒质中的FDTD相比,在计算结果吻合的情况下,存储量相当,计算效率却更高,时间步长仅仅由计算精度来决定.     

UPML媒质中的包络ADI-FDTD

由于交替方向隐式时域有限差分法(Alternating-Direction Implicit Finite-Difference Time Domain,ADI-FDTD)的数值色散会随着时间步长的增加而增加,文中讨论了单轴各向异性完全匹配层(uniaxial perfectly matched layer,UPML)媒质中包络交替方向隐式时域有限差分法(Envelope ADI-FDTD),推导了二维Envelope ADI-FDTD UPML的迭代公式,并提出一种新的离散方法。与ADI-FDTD UPML相比,改进后的Envelope ADI-FDTD UPML的时间步长可以取得更大,且能有效地修正相速误差,从而减少数值色散,提高计算精度。     

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。     

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。     

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）。     

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.     

等离子体中的PLCDRC-ADI-FDTD方法

采用分段线性电流密度递归卷积(Piecewise Linear Current Density Recursive Convolution)方法将交替方向隐式时域有限差分方法(ADI-FDTD)推广应用于色散介质—等离子体中,得到了二维情况下等离子体中的迭代差分公式,为了验证该方法的有效性和可靠性,计算了等离子体涂敷导体圆柱的RCS和非均匀等离子体平板的反射系数,数据仿真结果表明,此算法与传统的FDTD相比,在计算结果吻合的情况下,存储量相当,计算效率更高,时间步长仅仅由计算精度来决定.     

辅助方程-双向隐式差分法的电磁散射研究

在辅助差分方程(ADEs)的基础上结合交替隐式时域有限差分方法(ADI-FDTD),提出ADEs-ADI-FDTD方法用以计算色散媒质的电磁散射问题。由于三维ADI-FDTD方法的复杂性,在此采用了全分裂场形式的场量以简化完全匹配层(PML)吸收边界的处理及在连接边界处入射场的加入。针对Debye型色散媒质,利用极化强度辅助差分系列方程推导了ADEs-ADI-FDTD方法中电、磁场的迭代方程及其相关参数表达式,最后通过对色散媒质和各向同性等离子体等物体进行仿真计算,计算结果显示了本文算法在时间上的高效性和精确性。     

Analysis of the numerical dispersion of the 2Dalternating-direction implicit FDTD method

The numerical dispersion property of the two-dimensional alternating-direction implicit finite-difference time-domain (2D ADI FDTD) method is studied. First, we notice that the original 2D ADI FDTD method can be divided into two sub-ADI FDTD methods: either the x-directional 2D ADI FDTD method or the y-directional 2D ADI FDTD method; and secondly, the numerical dispersion relations are derived for both the ADI FDTD methods. Finally, the numerical dispersion errors caused by the two ADI FDTD methods are investigated. Numerical results indicate that the numerical dispersion error of the ADI FDTD methods depends highly on the selected time step and the shape and mesh resolution of the unit cell. It is also found that, to ensure the numerical dispersion error within certain accuracy, the maximum time steps allowed to be used in the two ADI FDTD methods are different and they can be numerically determined     

Toward the development of a three-dimensional unconditionallystable finite-difference time-domain method

In this paper, an unconditionally stable three-dimensional (3-D) finite-difference time-method (FDTD) is presented where the time step used is no longer restricted by stability but by accuracy. The principle of the alternating direction implicit (ADI) technique that has been used in formulating an unconditionally stable two-dimensional FDTD is applied. Unlike the conventional ADI algorithms, however, the alternation is performed in respect to mixed coordinates rather than to each respective coordinate direction, Consequently, only two alternations in solution marching are required in the 3-D formulations. Theoretical proof of the unconditional stability is shown and numerical results are presented to demonstrate the effectiveness and efficiency of the method. It is found that the number of iterations with the proposed FDTD can be at least four times less than that with the conventional FDTD at the same level of accuracy     

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。     

Unconditionally stable nearly PML algorithm for linear dispersive media

Unconditional stable alternating direction implicit (ADI) formulations of the nearly perfectly matched layer (NPML) are presented for truncating linear dispersive finite difference time domain (FDTD) grids. The digital signal processing (DSP) algorithms developed for digital filters are used to implement the frequency dependent property of the media into the ADI-FDTD algorithm. The formulations have the advantage of simplicity of ADI-FDTD implementation. Numerical examples carried out for linear Debye and Lorentz dispersive domains are included to validate the proposed formulations.     

ADI-FDTD algorithm in curvilinear co-ordinates

The alternating direction implicit (ADI) scheme has been successfully applied to the finite-difference time-domain (FDTD) method to achieve an unconditionally stable algorithm. The ADI-FDTD method is extended to the curvilinear co-ordinate system to form an alternating direction implicit nonorthogonal FDTD (ADI-NFDTD) method. The numerical results show that the proposed ADI-NFDTD algorithm demonstrates better late time stability compared to the conventional NFDTD scheme.