横向沙丘表面与上方矩形截面柱复合电磁散射的FDTD研究

分别使用指数型分布和高斯型分布表示沙漠表面的高度起伏状况,采用蒙特卡罗方法模拟横向沙丘表面和沙丘与沙丘间平坦沙漠表面,运用Herkelrath提出的土壤湿度与介电常数的通用式计算沙土的介电常数,选用FDTD数值计算方法分析高度起伏均方根、入射角度、目标长度、目标宽度、目标高度、横向沙丘的高度和横向沙丘迎风坡坡底到坡顶的水平距离的变化对散射系数的影响,得到横向沙丘表面与上方目标的复合电磁散射特性。分析了粗糙面为指数型分布和高斯型分布时散射系数的角分布曲线的不同之处。

一种基于非均匀磁化等离子体的修正Z-FDTD算法

对已有的Z变换时域有限差分法(Z-transformation Finite Difference Time Domain,Z-FDTD)在电磁波与非均匀磁化等离子体中的传输特性分析的计算误差问题进行了研究,并探讨了一种修正计算误差的Z变换时域有限差分方法(Modified Z-transform Finite Difference Time Domain,MZ-FDTD),以提升Z-FDTD方法对非均匀磁化等离子体的适用性。对MZ-FDTD和Z-FDTD之间的计算误差问题,通过严格的公式推导求得该误差的计算公式,并引入误差分析因子,对比分析了该误差受空间步长和非均匀磁化等离子体的物理特性的影响特征,在充分的误差分析与网格参数对比后,以电磁波在非均匀磁化等离子体中的传输特性为分析目标,举例说明了MZ-FDTD的优越性。研究结果表明,相比于经典Z-FDTD,通过MZ-FDTD方法计算得到的数值结果具有更高的计算准确度,较低的运行时间和较少的运行内存占用。此外,对电磁波在非均匀等离子体中传输特性分析的举例说明也证明了相比于Z-FDTD,优化的Z-FDTD方法无论是在较低频段还是较高频段都保持较好的稳定性。在今后的工作中,使用MZ-FDTD方法研究非均匀磁化等离子体问题将会获得更好的计算结果,这项工作中的误差分析方法也将对某些计算电磁学在等离子体中的应用与优化工作起到一定的帮助作用。

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。

利用FDTD计算超薄金壳中的等离子银纳米空腔

通过时域有限差分方法,对超薄金壳中的等离子银纳米空腔进行模拟分析。发现带有金壳的银纳米颗粒场增强效果要高于纯银纳米颗粒,并且理论上超薄的金壳还可以保护银纳米颗粒,防止其被氧化。通过与金膜相结合,形成腔型结构,发现场增强更加明显。这种结构是一种实验上可以实现的简单结构。这项工作为开发具有宽光谱增强电磁场的等离子金属纳米腔体结构铺平了道路。此外,这项研究还为生命科学领域的成像和检测提供了一种有效的SERS基底。

基于JEC-FDTD等效循环神经网络的电磁建模和等离子体参数反演

磁化等离子体中的电磁波传播是重要的研究课题,针对特定场景下的电磁等离子耦合问题,进行有效且准确的方程建模与参数求解具有极强的研究价值和挑战性,这是探究电磁波与等离子体复杂非线性相互作用机制的关键。文中设计了一种可用于电磁等离子体正逆向建模的循环神经网络(recurrent neural network,RNN),该网络正向传播过程等价于任意磁倾角情况下的电流密度卷积时域有限差分(current density convolution finite-difference time-domain,JEC-FDTD)方法,因此可以求解给定的电磁建模问题,并易于大规模并行计算。通过构建前向可微模拟过程,JEC-FDTD方法可以使用自动微分技术准确且高效地计算梯度,然后通过训练网络来解决反问题。因此,该方法可以有效利用观测到的时域散射场信号反演重要的等离子体参数。JEC-FDTD方法和RNN相结合,形成了较强的协同效应,使得模型具有可解释性和高效的计算效率,受益于深度学习提供的优化策略和专用硬件支持,可以适用于不同仿真场景下的电磁建模和等离子体参数反演。

基于HIE-FDTD方法的电磁热耦合分析快速计算方法研究

基于混合显隐式时域有限差分(hybrid implicit-explicit finite-difference time-domain,HIE-FDTD)方法,提出了一种电磁热耦合分析快速计算方法。仿真电磁场时,采用HIE-FDTD方法求解Maxwell旋度方程;计算温度场时,采用时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法求解热传导方程。由于HIE-FDTD方法只对1维空间偏导数采用隐式差分方法进行离散,因此时间步长不受电磁目标精细结构所在方向网格大小的限制。采用电磁热耦合分析快速计算方法对十字缝隙频率选择表面的电磁热耦合效应进行分析,并将仿真结果与采用传统FDTD方法、CST软件以及COMSOL软件的仿真结果进行对比,所有结果均相互符合。十字缝隙频率选择表面算例结果表明:在保证计算精度的前提下,采用HIE-FDTD方法的仿真时间仅为传统FDTD方法仿真时间的1/6,有效提高了电磁热耦合仿真的计算效率。

基于FDTD算法的隧道建设工程内部缺陷检测研究

文章以基于FDTD算法的隧道建设工程内部缺陷检测模型为主要研究对象,通过正演模拟和试验研究验证该模型对于隧道建设工程内部缺陷检测的准确性和适用性。结果表明:该模型可以实现对隧道建设工程内部缺陷的精确检测和评估,为隧道建设工程的施工和质量评估提供重要的理论依据和技术支持,也可为其他相关领域的缺陷检测研究提供新的思路和方法。

基于ADI-FDTD法的探地雷达正演数值模拟及验证

探地雷达(GPR)是一种应用前景广泛、用于探测和定位地下物体的浅层地球物理方法。通过开展探地雷达正演模拟研究,可以获得复杂地下结构的探地雷达图像回波特征。时域有限差分(FDTD)法受到稳定性和收敛性条件的限制,导致效率和精度低。交替方向隐式-时域有限差分(ADI-FDTD)法克服FDTD法的稳定性限制,可以选择更大的时间步长来提高计算效率。从原理出发,对ADI-FDTD法进行公式推导,在基于ADI-FDTD法的基础上进行卷积完全匹配层(CPML)的结合。通过进行ADI-FDTD法的时间稳定性仿真和不同材质、不同填充介质的双管,沙槽正演模拟实验,结果表明,ADI-FDTD法可以保证时间无条件稳定性,相同情况下可采用更大的时间步长进行正演模拟,提高正演效率。对不同管线、不同材质情况下的正演剖面曲线特征进行解译分析,最后与沙槽实测进行对比,证明得到的探测解译结果与实际状况达到较好的吻合。

FDTD算法的网络并行运算实现

本文提出了FDTD方法在微机互连构成的机群 (COW)并行计算系统上以消息传递方式执行的一种实现方案 .组成了验证性的机群并行计算系统 ,以一维和三维典型算例验证了算法的可行性、正确性和高效性 ,为运用FDTD方法进行电大尺寸复杂电磁问题数值模拟计算提供了一条有效的途径 。

等离子体散射FDTD分析的移位算子方法

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,这就给应用FDTD方法计算色散介质中波的散射和传播带来困难。文中把色散介质的相对个电系数写成以jω为自变量的有理分式函数,用/t代替jω,过渡到时域,再引入离散时域移位算子代替时间微分算子来处理有理分式函数形式的介电系数,进而导出FDTD中电位移矢量D和电场强度E之间的关系。所得结果与Z变换理论的梯形近似结果一致,但与Z变换理论相比较,移位算子方法推导简单,概念简明。文中用移位算子结合FDTD方法分别计算一维等离子体平板的反射系数和二维等离子体柱的远场散射。所得结果与用Z变换理论结合FDTD方法计算的结果相符合。

防护线减小微带线间串扰的FDTD分析

随着信号转换速度日益提高,高速电路设计中的串扰问题也日趋严重。该文分析了使用防护线减小PCB微带线间串扰的效果,并运用FDTD对长耦合微带线进行了仿真验证。仿真结果表明,只要:(1)添加有接地过孔的防护线并使过孔间距小于信号在RT／2(RT:传输信号的上升时间)时段内的传输距离;(2)在满足线间距布线规则的前提下,将防护线适当加宽而又维持三条线(防护线和两条微带线)中两两之间的中心距不变,就能够有效减小线间的远端和近端串扰。

FDTD分析时域平面TEM喇叭天线阵

运用FDTD对时域天线阵进行仿真分析,并在外场进行测量研究。结果表明:阵列可以提高增益,增强方向性,该阵列天线适合于用作实际的超宽带雷达天线阵。

并行共形FDTD算法及其在PBG结构仿真中的应用

本文研究了MPI信息传递接口支持下的 3维并行共形网格FDTD算法 ,并利用典型PC集群的硬件环境进行了具体的实例测试 .采用该方法对一种一维圆形光子带隙微带滤波结构的S参数进行了计算 。

FDTD中波导激励源研究

:FDTD已广泛应用于波导问题的计算 ,本文首先讨论Gaussian脉冲在波导中传输时的波形变化情况 ,然后根据波导的色散特性 ,提出一种调制的脉冲波作为波导入射波的激励源 ,给出了脉冲宽度与调制频率的计算公式 ;讨论在脉冲激励的条件下入射场的计算方法 ,总场 /反射场的连接方法 ;

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、3DFDTD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。

ESD辐射场数值建模与FDTD分析

采用 FDTD法研究了 ESD电流注入到细导线中所产生的辐射场 ,建立了数值模型 ,并计算和分析了产生的辐射场特征及导线半径和导线长度对辐射场的影响 ,结果表明 :在同等条件下 ,ESD电流通过细导线产生的辐射场比ESD火花产生的辐射场强的多 ,FDTD法与 Mo

FDTD中微带线激励源设置的新方法

FDTD已广泛应用于微带问题的计算中 ,本文提出了一种新的微带线馈电激励设置方式 ,同以往的激励设置方法不同 ,它不仅能计算 Gaussian脉冲激励也能计算正弦波激励 ,计算过程中 ,源平面无需切换成吸收边界 ,场区的划分使反射场自然从总场区分离出来。

用CAD技术实现复杂目标FDTD方法几何-电磁建模

FDTD方法是近年来得到广泛研究和应用的数值方法，具有许多无可比拟的优越性．CAD技术的介入使FDTD方法向实用化方向迈出了一大步．本文介绍如何使用CAD软件，基于复杂目标的设计图、剖面线图等描述方式，生成提供给FDTD计算程序使用的目标的几何-电磁参量描述文件．本文借助该方法计算了一种飞机在谐振区的RCS．

用FDTD和物理光学混合法分析毫米波抛物面天线

抛物面天线通常的分析方法是几何光学法和物理光学法 ,对于电大尺寸的抛物面天线这两种方法都可以得到较好的结果 ,对于电小尺寸馈源的抛物面天线 ,馈源方向图不仅取决于辐射器本身的辐射特性 ,其馈电结构对馈源方向图也有较大的影响 ,在此情况下 ,用上述方法得到的结果与实验结果之间有较大的误差 .利用FDTD可以把整个馈电结构纳入计算域中 ,得到辐射器完整的近区场 ,由等效原理可求出抛物面上电流分布 ,从而用物理光学方法计算抛物面天线远区场 .本文用这种混合方法分析计算了毫米波波导裂缝作为辐射器的抛物面天线 ,计算结果和测试结果相当吻合 ,证明了方法的有效性 .

用FDTD方法研究颗粒型复合材料微波等效介电常数

本文提出了复合材料等效电磁参数的FDTD计算方法,介绍了FDTD方法计算吸波材料等效电磁参数的步骤。通过对立方体模型、球形模型、连续模型和十字叉模型的仿真计算,讨论了颗粒形状和接触情况对等效介电常数的影响。通过计算不同体积分数的材料模型的等效电磁参数,得到了颗粒型复合材料等效介电常数的计算公式。通过实测复合材料的介电常数,证明了本文提出的公式是有效的。