非均匀网格GA-A3DI-FDTD法分微波电路

研究了一种减小交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD,Alternating-Direction Implicit Finite-Difference Time-Domain)数值色散的新方法GA-A3DI-FDTD(Genetic Algorithm Artificial Anisotropy ADI-FDTD)及其在非均匀网格条件下的应用.首先时添加人工各向异性介质后的非均匀网格ADI-FDTD迭代公式进行修正,得到新的数值色散关系,再利用自适应遗传算法(AGA,adaptive genetic algorithm)得到需要添加的人工各向异性介质的相对介电常数.为了验证方法的正确性和有效性,对几种微波电路进行仿真,分别与传统ADI-FDTD相比较,并且比较对非均匀网格的不同处理方法对计算精度的影响.结果表明:通过正确选择目标函数,得到更加合适的人工各向异性介质,可以再减小三维ADI-FDTD数值色散.     

一种有效减少ADI-FDTD数值色散的方法

ADI—FDTD算法的数值色散效应较为明显，本文的研究表明一种通过添加各向异性媒质来修正相速误差，从而减少FDTD数值色散的方法，同样适用于ADI-FDTD，且收效更为显著。数值运算结果证明该方法能够简单有效地去除较宽频带范围内的色散。     

各向异性介质在三维ADI-FDTD中的应用

该文研究一种减小三维交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)数值色散的新方法。通过在三维空间中合理添加各向异性介质,达到调整相速的目的,从而减小数值色散,使计算结果更加精确。首先对添加各向异性介质后的三维ADI-FDTD迭代公式进行变形,并得到新的数值色散关系,从而求解得到各向异性介质的相对介电常数。以空心波导和具有介质不连续性的波导作为数值算例,分析不同的各向异性介质和添加方法对计算精度的影响,并与传统ADI-FDTD得到的结果和计算资源占用情况进行比较。结果表明通过正确选择各向异性介质和添加方法,可以有效地减小三维ADI-FDTD数值色散。     

截断各向异性介质的修正NPML吸收边界条件

基于各向异性介质中的时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain,FDTD）方法及近似完全匹配层（Nearly Perfect Match Layer,NPML）原理,提出一种截断各向异性介质的修正的NPML吸收边界条件.通过对Maxwell旋度方程中的空间偏导数进行坐标拉伸并结合空间插值方法,推导出易于在FDTD方法中实现的吸收边界公式.计算了电偶极子辐射场的反射误差,验证了这种吸收边界截断二维各向异性介质的有效性.三维算例中数值模拟了时谐场的相位分布,以及不同网格NPML吸收层随时间变化的反射误差.数值结果表明NPML吸收边界能有效吸收各向异性介质中的电磁波.     

二维非正交坐标系下FDTD方法的数值色散特性

本文详细讨论了二维非正交坐标系下FDTD方法的色散特性，导出了其数值色散方程。理论计算结果表明，非正交FDTD方法的空间色散与网络尺寸、网络内角、波传播方向有密切关系。同时指出，在应用非正交FDTD方法解决有关时域电磁问题时，网格的部分应分量选取网格边长相接近，夹角接近90的情况以减少此方法的数值色散。     

双各向异性色散介质电磁波传播Z-时域有限差分分析

基于一种改进的Z变换-时域有限差分(Z-Finite-Difference Time-Domain,Z-FDTD)方法,即将双各向异性色散介质的频域本构方程先转化到Z域中,再利用Z变换的性质将其转换到时域,得到离散时域的FDTD迭代式,分析了双各向异性色散介质电磁波传播特性.由于Omega媒质是一种典型的双各向异性色散介质,以此为例编程计算了垂直入射在Omega介质板情形下产生的同极化和交叉极化电磁波的反射和透射情况,并通过算例和解析解对比验证了算法的正确性,最后对其电磁散射特性进行了分析.     

一种改进的FDTD网格剖分算法

分析了时域有限差分(FDTD)网格的生成原理,提出了一种新型非均匀FDTD网格生成算法.该算法通过读取模型获得轴线上的不连续分界点,将整个空间沿x轴、y轴和z轴方向各自分成多个区间;然后通过各区间的长度及其在模型中所处的位置,来确定该不同区间剖分时所采用的具体网格生成算法,由此得到一种新型的分区递变非均匀网格.此算法能够完全由程序实现,避免了普通网格剖分算法所带来的人为误差.在最大限度降低网格数量的同时,克服了剖分算法中由于最大网格过大而导致的高频数值色散问题,使得最后的FDTD程序具有计算时间短、收敛速度快的优点.     

ADI-FDTD在二维散射问题中的应用

利用交替隐式时域有限差分(ADI—FDTD)这一新方法计算二维电磁散射问题。研究了ADI—FDTD方法的入射波设置、连接边界条件、PML吸收边界和近远场变换等关键技术。与传统FDTD方法相比，ADI—FDTD的时间步长不受时间步长和空间步长的稳定性条件(CFL约束条件)限制。在该方法中，可选取较大的时间步长进而提高计算效率。最后还给出了金属和介质柱散射截面的数值算例，证实了ADI—FDTD方法处理散射问题的有效性和实用性。     

有耗介质中时域精细积分方法的数值色散分析

分析了时间步长、空间步长、电导率和电磁波传播方向对时域精细积分(PITD)方法的数值损耗和数值色散的影响。结果表明:PITD的数值损耗大于电磁波的真实损耗,其数值波速可以大于电磁波的真实波速。PITD的数值损耗和数值色散都基本上不受时间步长的影响。随着空间步长的减小,PITD的数值损耗和数值色散的误差都逐步减小。当电导率较小时,PITD的数值损耗和数值色散的误差比时域有限差分(FDTD)方法的大。但当电导率较大时,PITD的数值波速却比FDTD的数值波速更加接近于电磁波的真实波速。PITD的数值损耗和数值色散的各向异性在三维情况下的值要大于其在二维情况下的值。数值算例表明:对良导体而言,PITD比FDTD拥有更高的计算精度和更快的计算速度。     

高阶时间空间差分近似对二维ADI-FDTD方法数值色散的影响

本文讨论交替方向隐式时域有限差分法(ADI—FDTD)的数值色散问题，分别对高阶时间空间差分近似，介绍了近似公式，并进行2阶、4阶、6阶、10阶差分数值色散误差的算例计算，对比表明4阶空间差分近似产生的色散误差较小。     

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。     

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。     

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。     

磁化等离子体覆盖二维导体目标FDTD分析

采用z变换方法把FDTD推广应用于二维各向异性色散介质－磁化等离子体中,该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的问题,给出了各向异性磁化等离子体中FDTD迭代公式.计算了各向异性磁化等离子体涂敷Von Karman型导体柱前后其单站RCS的变化情况,分析了等离子体参数对其RCS的影响.结果表明恰当地选择等离子体参数能有效地减少目标的RCS.     

NU—FDTD在腔体孔缝电磁耦合分析中的应用

由电磁学的基本规律麦克斯韦方程差分形式即时域有限差分（Finite Different Time Domain,FDTD）导出不均匀网格的FDTD差分形式,即不均匀网格的时域有限差分法（Non Uniform Grid Finite Different Time Domain,NU—FDTD）,并提出了在腔体孔缝电磁耦合分析中采用NU—FDTD时,网格和时间步长划分的原则是：导体边界采用局部均匀细网格法,其它空间采用渐变不均匀法。实验结果表明,这种方法不仅节省计算时间,而且精度高。     

三维情况下平面介质交界面处二阶精度FDTD方程

提出了一种新的二阶精度时域有限差分法(FDTD)算法,针对研究区域介质填充不均匀,包含平面介质交界面的情况.新算法在交界面处利用非均匀网格建模,通过积分形式Maxwell方程的离散和交界面处连续场分量的泰勒级数展开,给出了平面介质交界面处三维情况下的二阶精度FDTD方程.该方法在保证介质交界面处电磁场量二阶精度的同时,合理划分不同介质区域粗细网格,在不增加计算容量和计算时间的基础上,有效地提高算法整体的计算精度.最后对介质谐振腔结构和微带电路进行模拟,验证了本文算法的精度高于标准的FDTD方法.     

电各向异性介质FDTD并行算法的实现

在各向同性介质的FDTD并行算法的基础上,分析了电各向异性介质FDTD方法并行计算时的区域分割方案及子域间的数据通信问题,实现了电各向异性介质的FDTD并行算法.数值结果表明了该算法和程序的正确性.     

节点修正FDTD法计算薄层色散介质涂覆目标的雷达散射截面

在FDTD计算中,当色散介质薄层厚度小于一个元胞时,利用将电位移矢量和磁感应强度加权平均的方法,求出薄层所在元胞的等效参数,从而在二维FDTD中实现了色散介质薄层的节点修正法。通过与细网格的计算结果比较,证明该方法能处理薄层厚度小于一个元胞的色散介质薄层。计算了金属方柱涂覆薄层洛伦兹介质的雷达散射截面。     

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。     

直角坐标系下非均匀FDTD网格生成系统

基于非均匀FDTD网格的电磁场模拟是一种解决诸多实际电磁场问题的通用、有效方法.本文介绍了在直角坐标系下非均匀FDTD网格图形生成系统,可以快速、高效地产生1D、2D、3D FDTD网格,展现物体的几何图形,还可以动态地、可视化地得到检查、调节和修改.作为检验,本文以一实际结构为例,产生并显示了其网格图形.