基于时域有限差分算法的光学MATLAB仿真

以“物理光学”课程为例,基于计算电磁学的有限时域差分法和MATLAB软件图像显示功能,动态地展示光学波动图像,形象化设计课程教学环节。利用MATLAB软件用户操作界面(GUI)功能,让学生自己动手完成结构设计,获得波动光学数据和图像。学生通过观察动态光波传播过程并分析光学图像,提升了对物理光学基础知识的兴趣,有利于深入理解物理机制并提升实践操作能力。

时域有限差分(FDTD)法中的吸收边界条件

介绍并分析了时域有限差分法中的吸收边界条件 ,对各种条件的应用进行了比较和分析 。

一维有限时域差分方法(FDTD)计算中参数的选择

在用一维时域有限差分方法计算波的传播时,为了防止出现发散的结果,要求时间步长Δt<Δx/v,但具体取多大的值,没有定论。通过编程试验,时间步长取Δt<0.75Δx/c,而时间步数Nt大于波从波源传到观察点所需要的时间,又小于反射波到达观察点的时间。而且计算的时间格点和位置格点全部都可以取整数。

时域有限差分法(FDTD)在柱形光波导分析中的应用

时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，FDTD)自Yee于1966年提出以来发展迅速，上世纪80年代就开始广泛应用于电磁学的各个领域，80年代末开始被应用于微波波导问题的分析并取得相当的成功。与绝大多数金属波导、微波频段波导及谐振腔不同，

对时域有限差分(FDTD)法误差的分析

时域有限差分（ＦＤＴＤ）法已经在许多领域得到了应用，但对该方法的误差分析还停留在简单模型的数值解与其严格解进行比较的基础上，本文从理论上对ＦＤＴＤ法误差的来源进行了研究，并提出几种减小误差的办法。

采用时域有限差分法分析开关柜中超高频信号传播特性

为研究开关柜内部各部件对超高频信号传播的具体影响,优化开关柜内超高频传感器的安装位置,运用时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)法,建立了开关柜1:1精确模型,并对不同部件对电磁波传播的影响进行了仿真分析。仿真结果得出:电流传感器(current transformer,TA)和母线对电磁波信号有较强的衰减作用,绝缘子会引起明显的波形畸变,而断路器对电磁波信号的影响有限。通过在仿真模型中不同位置设置放电点和检测点,综合考虑不同放电情况下各检测点的总体检测效果及检测波动性,并通过试验验证,最终确定了开关柜前柜底板右侧为传感器最佳安装位置。

时域有限差分法模拟量子阱红外探测器光栅的光耦合(英文)

由于量子选择定则的限制,对于量子阱红外探测器(QWIP),必须利用衍射光栅增强其光学耦合效率.本文给出了一种基于时域有限差分法(FDTD)的数值方法,计算制备在QWIP器件上的金属光栅的衍射效应.模拟计算的结果表明,FDTD方法是解析这种复杂结构内电磁场问题的有效手段.可以计算QWIP器件内各点电磁场所有分量的详细分布,进而可以估算衍射光栅的耦合效率,以及优化QWIP结构设计.

基于时域有限差分方法的污秽绝缘子局部放电频谱分析

绝缘子污秽问题一直是困扰电力安全生产的难题之一。为此,采用超高频(ultra-high frequency,UHF)法仿真和测量了绝缘子污秽放电情况,并对其放电频谱进行了分析。首先运用时域有限差分软件XFDTD对污秽绝缘子的放电过程进行了仿真,得到其电磁波的时域波形,再经快速Fourier变换(fast Fourier transform,FFT)得到放电频谱,并研究了污秽程度对绝缘子放电的影响规律,得出了重污秽绝缘子的电磁辐射大于中污秽绝缘子的电磁辐射的结论。然后,针对不同人工污秽程度的绝缘子,测量绝缘子局部放电电磁辐射在680～9 400MHz频率范围内的电磁波频谱。分析测量数据时,采用了分频段分幅值统计所处区间数据个数的统计方法来处理数据,结果表明:在各个区间内重污秽绝缘子的数据个数大于轻污秽绝缘子的数据个数,得到其潜在规律,初步通过比较区分了绝缘子的污秽程度。进一步可建立不同污秽等级绝缘子的电磁波辐射特性数据库,判断绝缘子的污秽情况。

时域有限差分法分析蚀刻衍射光栅的后向衍射效率(英文)

采用时域有限差分法 (FDTD)结合理想匹配层 (PML)边界条件及周期性边界条件对两种结构槽面的后向衍射效率进行了分析 ,在P偏振和S偏振两种情况下 ,均得到了比传统差分方法和射线近似方法更精确的解 数值计算结果表明 :全内反射 (TIR)结构在高折射率材料 (如InP)的蚀刻衍射光栅 (EDG)中很有效 ,而在低折射率材料 (如SiO2 )

负媒质模型的时域有限差分法分析

负折射率媒质是一种人造媒质,在某一微波波段内其介电常数和磁导率同时为负值。对TE模电磁场满足的麦克斯韦方程组进行数值处理,解决了直接利用时域有限差分方法在Yee’s网格下计算负折射率媒质内部场分布时的数值发散问题。通过数值算例,验证了方法的可行性,模拟了负折射率媒质内部及周围的电磁场分布。

路面雷达电磁波的时域有限差分法模拟

介绍了路面雷达电磁波在路面结构中传播的基本原理,结合时域有限差分法算法,分别分析一维FDTD方程、软激励源、分层介面的有效参数、吸收边界条件在应用实现模拟过程中的重要影响,并建立了空气耦合式路面雷达的正演模型.理论模拟和实际工程数值算例表明:该模型对路面雷达正演模拟是可行的,误差不超过2%.

时域有限差分法分析混响室中场的均匀性

针对目前仿真分析混响室内的场分布过程中计算量大、耗费时间长和对计算机配置要求高的现状,用在一定的约束条件下随机分布于球面上的一组等效源辐射的平面电磁波叠加而成的一维推进的重叠平面波模拟搅拌器搅拌过程中混响室内的电磁波,并采用时域有限差分法(FDTD)法对基于上述模型的混响室内的场分布进行了仿真计算,得出了使混响室内场分布达到不同均匀度要求时所需的最佳重叠入射平面波的数目。结果表明:采用的方法不仅可以有效缩短混响室设计中必须首先进行仿真分析的仿真计算时间,而且可针对预设场分布的均匀度要求,有目的地设置等效源的个数和位置,从而使整个仿真过程更加集约化。

用二维时域有限差分法计算机翼雷达散射截面

应用二维时域有限差分(FDTD)程序计算二维翼型NACA0012和金属方柱的双站雷达散射截面,与国内外文献上的结果进行比较,证明该程序的有效性.而后计算二维不同形状机翼的双站雷达散射截面(RCS)和不同后掠角时后掠翼和三角翼的双站RCS,得出不同形状机翼有不同的RCS分布;改变后掠角的大小可以改变机翼的RCS分布.因此,根据设计要求,可以通过选用不同机翼形状或不同大小的后掠角,使飞行器达到RCS减缩.

一种高阶辛时域有限差分法的研究

从电磁场方程的Hamilton函数出发 ,提出了一种基于辛时域积分技术的高阶时域有限差分方法。该方法对时域的离散采用了能够保证系统的相空间体积不变和总能量不变的辛格式 ,对于空间的离散采用中心差分格式。计算结果表明与传统的时域高阶差分方法———Runge Kutta法比较 。

两种新的时域有限差分算法

本文提出了两种新的求解麦克斯韦偏微分方程组的差分网格模型,并在此网格模型的基础上,给出了两种时域有限差分(FDTD)新算法,这两种算法的性能在某些方面比传统的YeeFDTD)算法优越。

基于稀疏采样的FDTD/TDPO混合优化算法

基于时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)和时域物理光学(time-domain physical optics,TDPO)的混合算法提出用稀疏采样优化近场外推的方法,解决了大口径反射面天线电磁计算用时过长、计算效率低的问题。传统混合算法中馈源的近场外推到反射面天线的步骤计算量较大,稀疏采样法从空间和时间两个维度进行间隔采样,减少了此步骤的计算量,从而节省了用时。给出了馈源为喇叭天线、抛物面口径为100个波长的抛物面天线算例,所得计算结果与传统方法相比最大相对误差仅有-36.03 dB,用时最快可缩短为原来的2.51%,与CST软件计算结果对比吻合度较高,用时缩减了93.18%,验证了本文优化算法可在不影响计算精度的前提下提高计算效率。

一种简化同轴馈电微带天线的时域有限差分法分析

提出了一种简化的同轴馈电模型用于分析同轴探针馈电的微带天线。在时域有限差分方法(FDTD)中对于同轴馈电模型一般采用一维电压电流递推方式引入入射波形;同时结合细导线模型模拟同轴线馈电。需要对接地板同轴线接口处的电场值进行特别处理,过程较复杂。简化方法仅采用细导线模型作为馈电端口,在接地板与细导线探针间加电压源激励产生入射波形。省略了同轴线的建模及接口处电场值的处理过程,使得模型更加紧凑。数值仿真验证了该算法的有效性和准确性。

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 .

应用时域有限差分法计算房间脉冲响应和声场参数

在室内声学时域有限差分(FDTD)计算模型中,将房间的复阻抗边界用数字阻抗滤波器描述,并给出了门、窗和墙壁的数字滤波器复阻抗模型,应用该模型计算房间脉冲响应和声场参数。对一真实房间,将FDTD模拟计算得到的房间脉冲响应和声学参数与实际测量结果相比较,验证了在室内声学FDTD计算中,采用数字滤波器近似的复阻抗边界模型能较好地模拟房间中的声场。

基于时域有限差分法的圆极化十字振子天线设计

通过对圆极化十字振子天线在同相馈电时中间区域电磁耦合的分析,提出了用于表征十字振子天线实现圆极化的振子等效长度缩短模型。利用时域有限差分法,设计了十字振子天线。通过仿真和优化,找到了实现圆极化的振子最佳尺寸,并研究了天线尺寸改变时,极化特性的变化规律。在一定轴比带宽条件下,优化后的十字振子天线正交方向上圆极化轴比可以达到1.023。