运用有限差分时域法计算具有径向色散特性的圆柱形隐形斗篷(英文)

提出了一种具有径向色散特性有限差分时域法(FDTD法)的电磁隐形斗篷建模.隐形斗篷的介电常数和磁导率是采用了drude色散模型以及相应的色散FDTD算法.数值模拟表明,在理想的条件下,隐形斗篷中的物体对外电磁场是隐形的.对于入射平面波和点声源,波前平滑地进入隐形斗篷,并绕过中心的物体区域,离开隐形斗篷后又恢复为原来的传播状态.远场散射图表明,与一个理想导体圆柱相比隐形斗篷可以减少沿各个方向的散射.

时域有限差分法的Matlab仿真

文章主要介绍了时域有限差分法的基本原理,并利用Matlab对自由空间中目标的散射近场进行了仿真,给出了一些散射问题的近场可视化结果和远场RCS结果。

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。

电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆蒙皮电流分布的时域计算方法研究

为克服传输线理论方法求解电磁脉冲电缆耦合问题存在的不足,对电磁脉冲电缆耦合问题进行了时域求解方法的研究。引入了适用于电磁脉冲电缆耦合问题数值求解的基于细线散射的时域有限差分(FDTD)法,将Gedney's PML进行了扩展,使其可以用于各向同性有耗计算域截断问题的处理。利用建立的数值方法,模拟了电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆引起的蒙皮感应电流分布规律及波形特征,并利用辐射波电磁脉冲模拟器对该问题进行了实验研究。计算与实验结果在误差范围内的一致性证明了数值结果的可靠性,以及该时域计算方法在处理电磁脉冲电缆耦合问题的可靠性。

基于FDTD法的传输线串扰时域响应分析与实验研究

为了研究传输线之间的串扰问题,基于传输线时域有限差分(FDTD)法,对二平行线模型的传输线串扰时域响应问题进行了仿真研究。通过在二平行线模型的干扰线端口加入上升沿为ns级的梯形波,仿真分析了二平行线模型各个端口的电压波形;同时,基于实验室研究设备,对共地平行传输线间的串扰电压进行了实验研究,并将部分实验结果与理论仿真结果进行了比较分析。结果显示:仿真波形的振荡与幅度和测量结果的振荡与幅度基本一致,仿真的脉冲宽度略大于测量脉冲宽度,仿真结果峰值略大于测量峰值。这说明传输线时域有限差分(FDTD)法在分析ns级上升沿的传输线耦合问题时是有效的。

基于改进Agrawal模型和FDTD法的感应雷过电压算法

为了计算架空配电线路雷电感应过电压,利用Nucci提出的雷电回击通道模型(MTLE模型),计算雷电回击电流产生的空间电磁场,采用Cooray-Rubinstein公式计算大地电导率影响的水平电场分量,并改进Agrawal场线耦合模型,建立架空配电线路雷电感应过电压方程,基于时域有限差分(FDTD)法,计算10 kV架空线路的雷电感应过电压数值。结果表明,大地电导率对计算结果影响较大,大地电导率使线路上的感应电压幅值降低接近20 kV;不同回击传播速率也影响感应雷过电压的数值。定量计算雷电感应过电压,需要分析各种因素对计算感应雷击过电压的影响,完善计算方法,保障计算准确性,使理论与计算方法适用于实际的配电线路防雷设计,提供有价值的参考依据。

PML-FDTD法在分析负折射率材料中的应用

将时域有限差分(FDTD)法引入了对负折射率材料物理现象的仿真研究.给出了二维TM波在负折射率材料中的时域差分方程,并且在吸收边界处使用了理想匹配层(PML).为了避免在迭代过程中出现的不稳定现象,在差分方程的推导中引入了Drude模型,并对Pendry提出的由负折射率材料构成的平板透镜具有的完美成像现象进行了数值仿真验证.由仿真结果发现,完美成像现象只在平板透镜的折射率n=-1时出现,当n≠-1时则会出现近轴聚焦效应.

传输线馈电的混响室时域仿真与实验验证

归一化场强是对混响室仿真结果进行实验验证的重要参量,而品质因数是表征混响室性能的关键指标。为了简化归一化场强的计算并实现对品质因数的合理评估,给出了适用于一般线天线端口的传输线式馈电模型,通过参数的对比验证了该馈电模型的正确性,并从混响室储能平衡角度,推导出品质因数关于归一化场强的关系式。采用该馈电模型,应用时域有限差分算法对实际混响室进行了数值仿真,并对几个代表性频点做了实验验证。结果表明:应用该馈电模型并将空气区域电导率设置为20μS/m,得到的归一化场强平均值逼近于实测结果,而品质因数随频率升高呈振荡上升的趋势。这为混响室的优化设计和品质因数的数值评估提供了新思路。

多模光纤光栅中新型的光波传输分析法

提出一种新型的分析多模光纤光栅的准三维时域有限差分束传播法(Q-3D-FDTD-BPM).在圆柱坐标系下将场在角向分量的解析式分离出来,使三维方程变为若干个二维方程求解,从而简化了三维离散化方程.同时使用综合道格拉斯(GD)法和交替隐向迭代法(ADIM),获得比中心差分算子高两个数量级的空间离散精度.然后根据场强加权转换方案,加权综合各子方程解,从而得到多模光纤中三维场解.基于这种方法,模拟多模光纤光栅中场分布,得到与实验结果多模式特性基本一致的光栅传输光谱图.

高阶减缩时域有限差分的一种实现方法

减缩时域有限差分(R-FDTD)法是一种高效节约存储量的算法,但目前对时间和空间的差分均只有二阶精度。本文提出了对时间和空间的差分分别具有2M阶和2N阶精度的R-FDTD的一种实现方法,相对于目前的R-FDTD,并不增加存储量。数值实验证实了这一方法的有效性。

金纳米棒复合结构中的双重法诺共振效应

应用时域有限差分法(FDTD)模拟计算了由金纳米棒和偶极纳米天线构成的复合结构的消光光谱、近场增强和电荷分布。研究结果表明,在金纳米棒复合结构中能够产生双重法诺共振效应现象,并且在不同的法诺共振光谱位置处,能在不同的偶极纳米天线中产生很强的电磁场增强。此外,通过改变纳米棒复合结构中偶极纳米天线与金纳米棒的间距,以及偶极纳米天线中纳米棒的间距和长度大小,可以对法诺共振的调制深度和光谱位置进行大范围调谐。这些结果为理解金纳米棒复合结构中法诺共振效应的光学性质及纳米棒间的耦合作用提供了帮助,将金纳米棒复合结构用于微纳电子器件的优化设计,以满足其在光信息控制处理、多波段生物传感及表面增强喇曼散射等方面的应用。

基于FDTD方法的手机电磁辐射数值模拟

在环保受到人类强烈关注的今天,手机电磁辐射对人体是否构成危害,成为人们关注的焦点。由于天线距离人头很近,虽然发射功率很小,但是头部处于近区感应和辐射场范围内,不可避免地受到手机的电磁辐射,因此对这方面的研究有重要的理论和实际意义。本论文利用时域有限差分(FDTD)法来研究手机电磁辐射在人头内的场强和SAR值分布状况。

计算埋地目标瞬态散射场的FDTD方法──TM情况

地下目标的瞬态电磁散射特性模拟对于探测，检验及识别埋地浅层目标的工程应用，特别是冲击探地雷达的研究具有重要的理论及应用价值。为此，本文对计算电磁学的时域有限差分（ＦＤＴＤ）法进行了研究，我们模拟了在高斯脉冲激励下地下多种无限长柱目标的散射场，结果表明ＦＤＴＤ方法可以精确，高效地模拟地下目标的瞬态电磁散射。

高压开关柜局部放电TEV信号传播衰减特性

高灵敏度状态感知是实现设备数字化运维的关键环节,也是实现设备状态分析与全生命周期管理的重要前提。局部放电暂态地电压(transient earth voltage,TEV)检测是实现开关柜绝缘状态感知的主要手段,其检测灵敏度受到放电类型与部位、检测位置的影响,目前缺乏系统研究。文中建立基于实测脉冲电流波形的时域有限差分法的电磁波仿真模型;分析局部放电脉冲电流波形上升沿时间、放电源位置及脉冲电流方向等因素对TEV幅值与衰减程度的影响;在实验室开展开关柜局部放电试验与TEV测量,得到影响TEV检测灵敏度的主要因素。结果表明,脉冲电流上升沿时间与放电源位置是影响开关柜局部放电信号幅值的主要因素。脉冲电流上升沿时间越长,TEV信号幅值越小,当2种脉冲电流波形上升沿时间相差10倍时,TEV幅值相差3.17~3.37倍;母排室局部放电的TEV衰减程度明显大于电缆室,前者衰减程度约为后者的9.5~10.0倍。该结论对检验TEV检测灵敏度具有参考价值。

线性、径向和环向偏振飞秒激光诱导非晶合金周期性表面结构（英文）

研究在复杂偏振条件下,飞秒激光诱导非晶合金Zr_（44）Ti_（11）Cu_（10）Ni_（10）Be_（25）（at%）表面周期性结构的形成机理.实验采用波长800 nm、脉宽120 fs的超短脉冲激光,分别在线性、径向、环向偏振条件下,诱导非晶合金表面生成复杂的周期性表面结构.表面结构由周期为652~723 nm的低频条纹和周期为1 304~1 765 nm的微型条纹组成.通过有限差分时域法仿真分析,发现微型条纹由粗糙表面引起的定向调制的表面散射电磁波与入射激光干涉形成.仿真结果与实验结果一致,验证了微型条纹形成机理的有效性.

生物电磁剂量学及人体吸收电磁剂量的数值分析

本研究首先概述了生物电磁剂量学的基本内容,接着说明求取人体所吸收电磁剂量的理论剂量学方法及其具体实施步骤,最后,用FDTD这一理论剂量学方法计算了频率为300MHz和1000MHz的正弦电磁波在归一化(即环境功率密度为1mW/cm2)照射条件下人体内的分布比吸收率SAR(r)、人体主要组织的平均比吸收率SARa和在该组织中SAR(r)的最大值、求出了人体全身平均比吸收率WBA-SAR、绘制了人体各剖面层的平均比吸收率SARa沿人体纵向的分布曲线。本研究所列的分析方法和实施步骤,可适于求取任意频率正弦电磁波照射下人体及各组织的SAR(r)和SARa,因而可为电磁波的生物学效应研究、效应机理研究、效应应用研究和非电离电磁辐射安全标准的制定奠定量化基础。

组合谐振腔的双波长THz滤波器的研究

提出一种新型的光子晶体双波长THz滤波器,该滤波器由正方晶格光子晶体中3个点缺陷优化组合的谐振腔和线缺陷构成,可以实现双波长下载功能。利用FDTD(有限差分时域)法研究了两束光波在滤波器中的传输特性,仿真计算了对应的透射谱和时域响应图。仿真结果表明,该新型滤波器能够实现单信道双波长滤波功能,并且具有谐振腔品质因子Q值大、滤波带宽窄、损耗低、稳态响应时间快和体积小易于系统集成等优点。

多信道异质结构光子晶体滤波器

利用二维正方晶格介质柱型光子晶体(PC),设计了一款由4个线性渐变型微腔和异质结构光子晶体反射器组成的多信道下路滤波器。利用平面波展开法(PWE)以及二维时域有限差分法(2D-FDTD)分析了该异质结构滤波器的工作机制,并进一步探究了微腔参考面与异质结界面之间距离对下路效率的影响。研究表明,滤波器中的异质结反射器可以实现接近100%的反射,从而大幅度地提高了三端口滤波器的滤波效率。设计的多信道滤波器各个通道都能有效地实现下路滤波功能,其信道间隔为10nm,滤波效率均在90%以上,透射谱半高宽均在0.54nm以下,实现了较高的品质因子特性。该滤波器尺寸只有15.15μm×13.91μm,且滤波效率很高,适于在波分复用系统中进行复用与解复用,在未来光路集成应用中具有良好的应用前景。

配电线路感应雷过电压计算

为了提高配电线路的安全可靠性并对线路防雷设计提供有价值的参考依据,基于调整的传输线模型,计算了雷电回击电流产生的空间电磁场,借助Cooray-Rubinstein公式计算了在考虑大地土壤损耗的前提下的水平电场分量。用Agrawal场线耦合模型和时域有限差分(FDTD)法对10 kV配电线路由于附近雷击引起的线上感应电压进行了计算,其中在传输线阻抗计算中考虑了大地电导率。通过与文献计算结果对比,验证了计算方法的有效性。针对一条实际架空配电线路,分别计算了三角形布线和列式布线两种线路结构的感应雷过电压,分析了地面损耗以及其他导线的存在对线路感应雷过电压幅值和波形的影响。结果表明该理论与计算方法可以用于实际的配电线路防雷设计。

开关柜局部放电暂态对地电压传播特性的仿真分析

在带电条件下的局部放电检测是反映封闭开关柜内部绝缘状况的有效手段。为此,首先根据电磁学基本原理分析了暂态对地电压(transient earth voltages,TEV)的产生机理,然后利用XFDTD软件仿真分析了TEV幅值和脉宽与激励源脉冲幅值、脉冲宽度、检测距离之间的关系。仿真结果表明:TEV的幅值与局部放电源的幅值成正比,且随着检测距离的增大而减小,随着局部放电源脉冲宽度的增加而减小;TEV的脉宽随局部放电源脉宽的增大而增大,与检测距离无关。为开展开关柜局部放电的带电检测工作提供了理论依据。