2.5维模拟中时域有限差分近-远场变换方法

为进行从高功率微波源到天线辐射整个系统的2.5维模拟,在近场模拟的基础上对2.5维模拟中时域有限差分(FDTD)的近-远场变换方法进行了研究。先将2.5维近场模拟区的输出边界绕对称轴旋转一周,得到封闭的3维圆柱面;然后根据等效原理由该封闭面上的FDTD近场求得等效电磁流;再根据自由空间中电流及磁流的时域辐射场公式计算出电磁流的远区辐射场。给出了2.5维模拟中TM01模式及TE01模式激励下圆锥喇叭远区辐射算例,所得计算结果与3维全电磁模拟软件CST的计算结果符合较好。     

电磁波在磁化等离子体中传播的时域有限差分模拟

基于Z变换形式的时域有限差分法计算公式,模拟了传播方向垂直于磁化磁场的电磁波在磁化等离子体层中的传播.通过离散傅立叶变换,给出了电磁波通过均匀和非均匀磁化等离子体后的反射系数和透射系数随频率的变化关系.还给出了电磁波经过均匀磁化等离子体层后的反射和透射系数和理论值的对比.     

室内声学时域有限差分模拟中的边界条件

给出了时域有限差分法用于室内声学问题模拟中的边界条件,结合声波方程的基本差分格式,模拟并分析了高斯脉冲在4m×4m房间中的波动过程和脉冲响应;模拟了一9m×6m×4m房间的简正频率,并与经典理论计算值进行了对比;模拟了一12m×5m×4m水平地面房间中的坐席吸声低谷效应,并与Joe LoVtri的模拟结果进行了对比;模拟并实际测量了一10.6m×5.8m×3.4m房间在几个受声点的脉冲响应和早期衰变时间EDT,将模拟结果与实际测量结果进行了对比分析,计算程序是用Metlab语言编写的。模拟与经典理论、相关研究、实际测量几方面的对比分析,验证了本边界条件的可靠性。     

基于半空间FDTD的近远场外推方法: TE情形

研究基于半空间时域有限差分(FDTD)计算中TE情形的远区散射场计算方法.先将半空间Green函数代入势函数,推导远区纵向磁场的计算公式,对各空间内电磁流和对应的相位进行详细分析.再计算两个半空间模型的远区散射场,结果表明:该方法是正确和有效的.针对日本96式装甲车的计算发现,单站雷达探测系统位于战车正上方时具有最好的探测效果.     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

坐席低谷效应的时域有限差分多项模拟

介绍了交错网格下,以声压和质点振动速度为声场参量的室内声学时域有限差分递推格式,给出了在建筑边界截断计算区域的边界条件差分格式。在水平地面房间模型下,应用时域有限差分法模拟了坐席低谷效应对于空间和时间的多种特性;此外,模拟了地面起坡时的低谷效应。     

磁化铁氧体材料电磁散射递推卷积-时域有限差分方法分析

根据递推卷积原理，将磁化铁氧体材料的频域磁导率过渡到时域，通过引入时域复数磁化率张量和时域复数磁感应强度矢量，提出了磁化铁氧体材料电磁散射的三维时域有限差分方法.为了验证该方法，用它计算了磁化铁氧体球的后向雷达散射截面，与文献结果符合很好.计算结果表明，该方法是分析磁化铁氧体材料电磁散射一种可行的方法. 关键词： 递推卷积 磁化铁氧体 电磁散射 时域有限差分方法     

一种处理色散介质问题的通用时域有限差分方法

色散介质的介电系数是频率的函数,使本构关系在时域成为卷积关系.这就给用时域有限差分方法计算色散介质中波的散射和传播带来了困难.现有算法往往要针对不同色散介质模型推导相应的递推公式,算法的通用性较差.本文完善和发展了移位算子-时域有限差分方法,使之成为一种处理色散介质电磁问题的通用方法.首先,证明了常见的三种色散介质模型(德拜模型、洛伦兹模型和德鲁模型)的介电系数均可以写成适于移位算子法计算的有理分式函数形式.然后,用/t代替jω,过渡到时域,再引入时域移位算子z_t代替时间微分算子来处理有理分式函数形式的介电系数,给出离散时域本构关系的表示式,进而导出时域有限差分方法当中电位移矢量和电场强度之间的关系.最后,计算了几种色散介质的电磁散射,数值结果表明了本文方法和程序的通用性和正确有效性. 关键词： 时域有限差分方法 色散介质 移位算子     

色散介质电磁特性时域有限差分分析的Newmark方法

根据Debye模型、Drude模型和Lorentz模型3种常见色散介质模型频域极化率的特点,利用频域到时域的转换关系jω→?/?t,将极化矢量P与电场强度E的频域关系转换成时域内关于P的二阶微分方程,其对3种色散介质模型皆适用,具有统一的形式.然后采用相比于中心差分具有更高精度的Newmark两步算法(Newmark-β-γ法)求解该方程,进而得到E→P的递推公式,再结合本构关系得到D→E的时域递推式.实现了色散介质电磁场量的时域有限差分迭代计算.数值计算结果表明该方法是适用于3种色散介质模型的通用算法,并且相比于移位算子时域有限差分方法等以中心差分为基础的离散方案具有更高的计算精度.     

电磁场2.5维时域间断有限元方法

介质沿空间固定方向均匀分布的结构在电磁导波器件中有十分广泛的应用,对这类器件的分析通常被称为2.5D电磁问题。利用器件在固定方向介质分布均匀的特点,将电磁场量沿该方向进行空间傅里叶变换,可以把对三维问题的分析转化为两维问题求解,从而极大地减小计算开销。针对传统基于差分的2.5D电磁场算法在弯曲形状逼近上有阶梯误差的缺陷,本文提出了基于三角形网格的2.5D时域间断有限元方法（DGTD）,并用它模拟了电偶极子与光纤的耦合效率和光子晶体光纤的色散特性。与基于规则网格的2.5D差分方法进行对比。结果表明,文中建立的2.5D DGTD方法对弯曲形状的模拟更加逼真,计算内存占用最大减少10.4%,计算精度最大相差0.011%,计算时间缩短74.9%,计算效率提高。     

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.     

Optical simulation of in-plane-switching blue phase liquid crystal display using the finite-difference time-domain method

The finite-difference time-domain method is used to simulate the optical characteristics of an in-plane switching blue phase liquid crystal display.Compared with the matrix optic methods and the refractive method,the finite-difference timedomain method,which is used to directly solve Maxwell's equations,can consider the lateral variation of the refractive index and obtain an accurate convergence effect.The simulation results show that e-rays and o-rays bend in different directions when the in-plane switching blue phase liquid crystal display is driven by the operating voltage.The finitedifference time-domain method should be used when the distribution of the liquid crystal in the liquid crystal display has a large lateral change.     

Investigation of three-pulse photon echo in thick crystal using finite-difference time-domain method

This paper investigates the phenomenon of three-pulse photon echo in thick rare-earth ions doped crystal whose thickness is far larger than 0.002 cm which is adopted in previous works.The influence of thickness on the three-pulse photon echo's amplitude and efficiency is analyzed with the Maxwell-Bloch equations solved by finite-difference timedomain method.We demonstrate that the amplitude of three-pulse echo will increase with the increasing of thickness and the optimum thickness to generate three-pulse photon echo is 0.3 cm for Tm~(3+):YAG when the attenuation of the input pulse is taken into account.Meanwhile,we find the expression 0.09 exp(α'L),which is previously employed to describe the relationship between echo's efficiency and thickness,should be modified as 1.3 · 0.09 exp(2.4 ·α'L) with the propagation of echo considered.     

Perfect plane-wave source for a high-order symplectic finite-difference time-domain scheme

The method of splitting a plane-wave finite-difference time-domain (SP-FDTD) algorithm is presented for the initiation of plane-wave source in the total-field / scattered-field (TF/SF) formulation of high-order symplectic finite-difference time-domain (SFDTD) scheme for the first time. By splitting the fields on one-dimensional grid and using the nature of numerical plane-wave in finite-difference time-domain (FDTD), the identical dispersion relation can be obtained and proved between the one-dimensional and three-dimensional grids. An efficient plane-wave source is simulated on one-dimensional grid and a perfect match can be achieved for a plane-wave propagating at any angle forming an integer grid cell ratio. Numerical simulations show that the method is valid for SFDTD and the residual field in SF region is shrinked down to -300 dB.     

薄板弯曲问题的变分-差分方法

从最小势能原理出发,使用变分-差分方法构造带有弯曲边梁的薄板的小挠度弯曲问题的差分格式,所得格式仅依赖板面网格结点,从而避免了由于引入虚拟网格结点而带来的问题;编制求解差分方程组的MATLAB程序,给出数值模拟结果.     

分析水下目标的大比例变换总场散射场源FDTD方法

为解决探测水下目标的电磁散射问题,提出大比例变换的总场-散射场源时域有限差分（FDTD）方法.该方法包含两次FDTD计算：第一次计算采用细网格得到激励源周围的近场值;第二次计算采用粗网格得到远距离的电磁场值.两次FDTD计算通过总场-散射场边界建立联系.实现细粗网格的大比例变换,例如变换比例N=10,大大节省了计算时间,降低了计算内存的消耗,提高了计算效率.通过算例验证该方法的正确性和有效性.最后,计算水下岩层中存在异常体时的电磁响应,指出当岩层中异常体电导率不同时,接收点处电磁场的幅值和相位均不相同.     

利用时域有限差分法模拟金纳米球及球壳的光学特性

利用时域有限差分方法研究了金纳米球、金纳米球壳及多层球壳的消光特性及电场分布.结果表明:金纳米颗粒的几何参量对消光峰的位置有显著影响.随着SiO2核心半径的增大,金纳米壳的消光峰显著红移.随着金核心半径的增大,gold-silica-gold多层球壳消光谱的低能峰显著红移,而高能峰微弱蓝移.