高阶FDTD表面阻抗边界的研究及其在电波传播中的应用

针对高阶时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法 FDTD(2,4)并结合单边差分格式,推导了恒定阻抗边界的具体实现方案,并应用于高频电波传播仿真计算。在进行电波传播特性仿真计算时,FDTD(2,4)方法具有低数值色散等优点,在电大问题计算中具有优势。利用阻抗边界条件对地表环境进行建模使得FDTD(2,4)能够有效地处理不同的地表环境。

基于表面阻抗边界条件的等离子体薄涂层电磁散射的时域有限差分分析

基于表面阻抗边界条件时域有限差分(FDTD)方法研究了一维斜入射情况下非磁化等离子体薄涂层涂敷金属材料的电磁散射特性,该方法忽略对薄层背景材料进行网格剖分,大大减少了计算量.首先推导了理想导体涂敷等离子体薄涂层的表面阻抗频域表达式,然后代入边界条件并变换到时域,再用分段线性递推卷积方法将时域表达式离散得到FDTD迭代式.编程计算了垂直及斜入射情形下的平行极化和垂直极化反射系数,通过验证算例与解析解对比,结果表明该方法的准确性和有效性.最后利用该方法分析了不同入射角对反射系数的影响.

频率色散表面阻抗对真空电子太赫兹源的影响

为了研究欧姆损耗对高频真空电子器件工作特性的影响,首先推导频率色散表面阻抗边界在三维共形粒子模拟软件UNIPIC-3D中的实现原理,并通过对有耗边界矩形谐振腔和圆波导进行模拟验证了该阻抗边界算法的正确性.采用有耗共形UNIPIC-3D模拟相对论太赫兹表面波振荡器和低电压平板格栅返波振荡器.模拟结果表明,对于表面波振荡器和平板BWO这种电磁场集中在金属慢波结构附近的太赫兹真空电子器件,欧姆损耗会对器件的运行带来极大影响,对于采用铜材料的器件,输出功率会下降一半左右,器件起振时间出现延迟,但器件工作频率几乎不变.为了提高相对论太赫兹表面波振荡器的效率,在二极管和慢波结构之间增加了反射腔,模拟结果表明,在考虑器件表面损耗的条件下,器件的工作频率保持不变,输出功率由41 MW提高到60 MW.

FDTD-SIBC混合方法计算近地导线表面电流

通过在 FDTD方法中引进时域表面阻抗边界条件来研究瞬态电磁脉冲对有耗地面附近电缆线耦合问题。由频域表面阻抗出发通过拉氏变换得到时域表面阻抗边界条件( SIBC) ,并将这种边界条件应用于 FDTD方法中来模拟有耗地面的反射。

分析表面粗糙有耗波导传输特性的频域有限差分方法

提出了一种分析金属有耗和表面粗糙对波导传输特性影响的频域有限差分方法(FDFD).该方法按照Maxwell方程组的旋度方程对波导横截面内部场分量进行差分展开,对波导的有耗金属边界和表面粗糙边界分别采用表面阻抗边界条件(SIBC)和等效SIBC代替.将波导内部节点场分量及边界节点场分量满足的方程联立形成特征矩阵方程组,通过求解特征矩阵的特征值可得到指定频率下金属波导的传播常数.和微扰法相比,FDFD方法能分析截止频率以下及形状不规则时表面粗糙有耗波导的传输特性.数值仿真结果表明,随着粗糙度的增大,金属衰减损耗逐渐增大到表面光滑时损耗的2倍.

基于FDTD算法的表面阻抗吸收边界的研究

吸收边界条件是时域有限差分(FDTD)算法解决电磁计算问题的一种重要条件。对4种吸收边界方法:卷积完美匹配层(CPML)、表面阻抗吸收边界条件(SIBC)和2种媒介吸收体的原理进行推导,通过Matlab软件对FDTD算法进行编程计算。将4种方法用于微带低通滤波器和分支耦合器2个微带结构中,计算其反射系数。通过改变空气层厚度和迭代步长,4种方法均能得到正确的结果。对比分析4种吸收边界方法在2个模型中的计算时间、内存占用、误差百分比,可知SIBC占用内存最少,计算效率更高,误差百分比为1.63%。

四分量二维紧凑格式频域有限差分方法对粗糙导体表面导波结构的分析

文章利用四分量紧凑格式的二维频域有限差分方法(2-DFDFD),结合等效表面阻抗边界条件(SIBC),对粗糙导体表面导波结构的传输特性进行数值分析。根据等效表面阻抗边界条件,可以方便地计算边界上的切向场。只要求出本征方程,在给定频率上的传播常数就可以作为其特征值而被求得。

地面附近开口箱体孔缝耦合效应的数值仿真

在时域有限差分(FDTD)法中引进时域表面阻抗边界条件(SIBC),对电磁脉冲斜入射有耗地面附近开口箱体时的孔缝耦合规律进行了数值仿真,由频域表面阻抗出发通过拉氏变换得到时域表面阻抗边界条件(SIBC),并将这种边界条件应用于FDTD方法中来模拟有耗地面的反射。仿真结果表明:(1)电磁脉冲相对于开口的入射角度不变时,当地面的导电率越大,则经地面反射而耦合进箱体内的电磁脉冲场就越强。但耦合进箱体内的总脉冲场的主峰幅度与自由空间中的相等。(2)地面的导电率不变时,当电磁脉冲垂直于开口平面入射时,耦合进箱体内的脉冲场最强。

半无限大有耗地面的FDTD截断分析

通过在时域有限差分(FDTD)方法中采用有限厚度地面等效的方法截断无限大有耗地面。分析了采用该方法宜选取的地面厚度。用该方法模拟了有耗地面对其附近电磁波的影响,并将其与采用阻抗边界条件(SIBC)计算得到的结果进行对比。计算结果表明了该方法的有效性。同时,还分析了等效地面的厚度对计算结果的影响。

吸波涂料用于腔体的RCS减缩的计算方法研究

进气道等腔体结构是飞行器的强散射源之一,在腔体内表面涂覆吸波涂料可以有效地减缩其雷达散射截面(RCS),应用等效表面阻抗边界结合迭代物理光学法能够高效、快速计算涂覆有损耗材料腔体的散射特性,进而对吸波涂料的电磁参数和涂覆部位进行比较优化。计算结果表明计算方法是正确有效的。

欧姆损耗对太赫兹频段同轴表面波振荡器的影响

为了研究欧姆损耗对太赫兹波段真空电子器件工作特性的影响,本文推导了2.5维全电磁粒子模拟软件UNIPIC的表面阻抗边界条件,并采用软件对不同金属材料慢波结构的同轴结构表面波振荡器进行了数值模拟研究,分析了不同金属材料慢波结构器件的输出功率与电导率的关系,模拟结果表明:金属电导率对器件的输出功率有非常大的影响,对于0.14 THz同轴表面波振荡器,铜材料和不锈钢材料慢波结构器件的输出功率分别下降13.4%和63.9%,起振时间分别延迟0.4 ns和15 ns.