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物理学报 2013年第3期62卷 120-128页

作者：杨利霞马辉施卫东施丽娟于萍萍江苏大学计算机科学与通信工程学院通信工程系镇江212013 江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013 江苏大学理学院物理系镇江212013

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... 详细信息

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.

关键词：时域有限差分方法表面阻抗边界条件非磁化等离子体薄涂层

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表面阻抗边界条件在时域有限差分算法中的实现

表面阻抗边界条件在时域有限差分算法中的实现

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作者：范亚男东南大学

学位级别：硕士

计算电磁学中的时域有限差分(FDTD)方法可以计算任意时刻和空间位置的电磁场分量,为复杂目标的电磁分析提供了有效的解决方法。但是,当我们利用传统的FDTD方法分析薄涂层涂覆目标的电磁特性时,需要对薄涂层进行细密的网格剖分,从而导致... 详细信息

计算电磁学中的时域有限差分(FDTD)方法可以计算任意时刻和空间位置的电磁场分量,为复杂目标的电磁分析提供了有效的解决方法。但是,当我们利用传统的FDTD方法分析薄涂层涂覆目标的电磁特性时,需要对薄涂层进行细密的网格剖分,从而导致计算时间和占用内存都急剧增加。因此,引入表面阻抗边界条件(SIBC)是非常必要的,我们用涂层表面的切向场分量来模拟其内部的场分布,这样可以避免对薄涂层的细网格划分,只需在其外部进行传统的粗网格剖分即可,这将大大节省计算时间并减少占用内存。首先,本文基于一阶表面阻抗边界条件,以损耗媒质半空间的电磁问题为切入点研究了平面导体结构和一般光滑曲面导体结构的共形表面阻抗模型,并将其应用于电磁散射的计算。随后,本文研究了平面波垂直入射及斜入射有耗介质薄涂层涂覆导体目标的SIBC-FDTD方法,对表面阻抗公式中的正切函数进行简单的有理近似,利用拉式变换对表面阻抗进行频域到时域的转换,详细推导了其实现过程,并数值验证了该方法的正确性,与传统FDTD方法相比,有效提髙了计算效率。然后,以Lorentz色散模型为例,研究了平面波垂直入射色散媒质涂覆导体目标的SIBC-FDTD方法,对正切函数进行连续有理近似,利用分段线性递归卷积(PLRC)方法迭代计算卷积积分,然后离散化,推导出三维情况下的SIBC-FDTD迭代公式,数值计算了反射系数的大小和相位,并进行了误差分析。最后,通过计算色散媒质薄层涂覆二维金属方柱的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)验证算法的有效性。综上所述,本文论述的SIBC-FDTD方法,有效解决了采用传统FDTD方法处理复杂介质薄涂层时,由于网格剖分过细所导致的计算时间和占用内存急剧增加的问题,为分析复杂目标的电磁问题提供了有效的解决方法。

关键词：时域有限差分方法表面阻抗边界条件涂覆色散媒质

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基于表面阻抗边界条件的快速PIC模拟研究

基于表面阻抗边界条件的快速PIC模拟研究

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作者：陈立志电子科技大学

学位级别：硕士

粒子模拟(PIC)方法是一种研究电磁场与带电粒子自洽互作用物理过程的数值模拟方法,在军事国防,航空航天等领域有重要应用。PIC方法中的求解电磁场过程通常采用时域有限差分(FDTD)方法进行。在使用FDTD方法求解电磁问题的过程中,当电磁... 详细信息

粒子模拟(PIC)方法是一种研究电磁场与带电粒子自洽互作用物理过程的数值模拟方法,在军事国防,航空航天等领域有重要应用。PIC方法中的求解电磁场过程通常采用时域有限差分(FDTD)方法进行。在使用FDTD方法求解电磁问题的过程中,当电磁目标较为复杂时,比如媒质交界面模型,往往需要细密的网格划分。但是为了满足稳定性条件,又不可过于细密。此时引入表面阻抗边界条件(SIBC)可以减少这种网格划分,直接使用粗网格,同时也避免了研究复杂电磁目标内部的电磁场,简化了计算过程。本论文对“把SIBC引入FDTD方法”的现有算法做了研究,分析了各种算法的优劣势及适用范围,并参考现有算法的基本思路提出了一种新的算法。本论文的主要研究内容有:1.研究SIBC在FDTD方法中的实现原理,对算法作详细推导并进行数值算例分析。本论文首先介绍了Maloney-Smith算法,该算法采用的思路是“先时域变换再近似”,计算复杂且效率不高。随后介绍了简单高效的良导体近似算法和一阶有理近似算法,二者采用的思路是“先近似再时域变换”。数值算例结果表明良导体近似算法仅限于良导体情况,而一阶有理近似算法具有更广的适用范围。2.参考“先近似再时域变换”的思路,提出泰勒展开近似算法。本论文使用一种巧妙的泰勒展开方式对表面阻抗作近似处理,相比于一阶有理近似算法无需进行复杂的参数计算。本论文给出了详细推导过程及数理论证,并分析了算法的误差及运算复杂度。最后分析了数值算例,结果表明泰勒展开近似算法在低电导率,高频率的情况下的算法精度可以优于一阶有理近似算法。3.对SIBC-FDTD算法进行代码实现,并与快速PIC模拟的其他模块进行耦合,在自研的仿真软件玉衡(Alioth)中添加表面阻抗边界功能。本论文给出了仿真算例分析,并与CST进行了对比,从无源和有源两个方面验证了算法的正确性,说明SIBC-FDTD可以为复杂电磁目标分析提供新的解决方案。

关键词：粒子模拟方法时域有限差分方法表面阻抗边界条件一阶有理近似泰勒展开近似

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基于表面阻抗边界条件的时域有限差分方法分析薄层人工电磁结构

基于表面阻抗边界条件的时域有限差分方法分析薄层人工电磁结构

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作者：周全恩南京理工大学

学位级别：硕士

近年来,超表面因其低损耗和低成本等特点逐渐取代超材料而成为人工媒质研究的一个研究热点。然而,由于超表面具有亚波长厚度,使用时域有限差分方法（FDTD）等时域方法对其进行建模仿真时需要精细网格,进而会消耗大量的计算机内存与仿真... 详细信息

近年来,超表面因其低损耗和低成本等特点逐渐取代超材料而成为人工媒质研究的一个研究热点。然而,由于超表面具有亚波长厚度,使用时域有限差分方法（FDTD）等时域方法对其进行建模仿真时需要精细网格,进而会消耗大量的计算机内存与仿真计算时间。因此亟需研究一种高效的时域电磁仿真方法来分析超表面结构。本文将超表面等效为阻抗表面,以表面阻抗边界条件代替超表面结构,进一步提出基于表面阻抗的FDTD算法来分析超表面结构。本文的主要工作如下:第二章介绍了FDTD算法的基本理论,包括电磁场分量的三维迭代公式及迭代中需满足的稳定性条件。同时,介绍了基于广义薄层跃迁条件（GSTC）的时域有限差分算法,并通过算例验证该方法的准确性。第三章介绍了将表面边界条件应用于石墨烯结构的FDTD方法,由于石墨烯的表面阻抗可以由其表面电导率的倒数表示,在处理色散问题时,只需要在表面阻抗边界条件中以Drude形式的表面电导率来表征石墨烯。接着应用上述方法分析了不同化学势和载流子弛豫时间对石墨烯电磁特性的调控作用。最后进一步设计了一种石墨烯宽带吸波器,吸收带宽能达到0.82THz,中心频率约为1.68THz。第四章详细介绍了基于表面阻抗边界条件（SIBC）的FDTD方法,首先结合等效传输线电路模型,将反射型超表面等效为阻抗表面,使用GSTC方法提取超表面的表面阻抗,并应用矢量拟合技术将其拟合成有理分式累加的形式。进一步分别提出了基于非穿透型和穿透型表面阻抗边界条件的FDTD方法,并通过一系列算例验证该方法的准确性。在FDTD迭代求解过程中以表面阻抗边界条件来代替超表面,大大缩减了横向与纵向的剖分网格,节省了计算机内存和仿真时间。最后通过反射阵列的仿真分析,讨论了不同耦合情况下SIBC-FDTD方法的仿真精度,仿真结果表明当单元间耦合较弱时,本文提出的方法具有较高的精度,当单元间耦合较强时,本文提出的方法仿真精度降低。

关键词：时域有限差分方法表面阻抗边界条件超表面石墨烯波束偏转波束聚焦吸波器

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基于表面阻抗边界条件的色散介质薄涂层电磁散射的SIBC-FDTD方法研究

基于表面阻抗边界条件的色散介质薄涂层电磁散射的SIBC-FDTD方法...

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作者：马辉江苏大学

学位级别：硕士

等离子体对电磁波的吸收作用使得它在众多领域得到越来越多的应用，包括等离子体隐身中的应用。基于应用的需要，对等离子体电磁特性的研究在近几年成为热门课题之一。计算等离子体电磁特性的方法主要有时域有限差分(FDTD)方法，用它计... 详细信息

等离子体对电磁波的吸收作用使得它在众多领域得到越来越多的应用，包括等离子体隐身中的应用。基于应用的需要，对等离子体电磁特性的研究在近几年成为热门课题之一。计算等离子体电磁特性的方法主要有时域有限差分(FDTD)方法，用它计算电大尺寸目标涂敷等离子体涂层电磁散射特性是一大难点，文章提出运用表面阻抗边界条件方法来达到计算的目的。\n 首先计算等离子体薄层与空气界面的表面阻抗表达式，将之运用到边界条件计算式中并变换到时域，再用PLRC方法将时域表达式离散化得到FDTD迭代式。通过数值解得到的反射系数与解析解对比，验证了该方法的准确性。说明了基于表面阻抗边界条件处理一维情形非磁化等离子体薄涂层电磁散射的FDTD方法是有效的。\n 在验证该方法正确的基础上，研究不同入射角度情况下和不同等离子体薄层厚度情况下等离子体薄涂层的电磁反射特性。通过改变入射角度，计算了一维情况下，平行极化电磁波入射和垂直极化电磁波入射到金属表面涂敷等离子体薄层的电磁反射系数，定性的分析了不同角度入射情况下的反射情况。通过改变等离子体薄层厚度，计算了等离子体薄层的电磁反射特性随等离子体厚度而变化的规律。然后，建立三维立方体表面涂敷等离子体薄层模型，用表面阻抗边界条件方法推导了三维立方体模型的表面阻抗边界条件FDTD计算公式。为进一步将表面阻抗边界条件方法应用到三维目标电磁散射的理论分析问题上铺平了道路。\n 最后对本文的研究情况进行了总结，探讨了本方法在应用中的特点以及下一步研究的方向。

关键词：表面阻抗边界条件时域有限差分方法等离子体薄涂层电磁散射

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基于表面阻抗的时域有限差分方法边界条件研究

基于表面阻抗的时域有限差分方法边界条件研究

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作者：毛云龙哈尔滨工程大学

学位级别：博士

时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法是一种高效的计算电磁学方法,具有简单、直观的特点,被广泛应用于解决宽频带、复杂结构以及复杂电磁环境等电磁问题。在FDTD方法中应用合适的边界条件可以有效提高计算效率。FDTD... 详细信息

时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法是一种高效的计算电磁学方法,具有简单、直观的特点,被广泛应用于解决宽频带、复杂结构以及复杂电磁环境等电磁问题。在FDTD方法中应用合适的边界条件可以有效提高计算效率。FDTD方法的边界条件主要分为两大类:不同媒质间的边界条件和截断计算区域的边界条件,不同媒质间的边界主要是表面阻抗边界条件(Surface Impedance Boundary Condition,SIBC),截断计算区域的边界主要是各种吸收边界条件。研究发现,SIBC存在多区域划分预处理导致计算复杂的问题,而各种吸收边界存在内存占用大,计算复杂的问题。针对上述问题,本文对边界条件进行了深入研究,提出了一种高效的用于不同媒质的边界条件和两种高效的吸收边界条件。主要工作及创新点概括如下:(1)针对SIBC多区域划分预处理导致计算复杂的问题,提出了后置理想电导体(Perfect Electric Conductor,PEC)的表面阻抗边界条件(PEC-SIBC),将不同媒质交界面上的电场分量用磁场分量描述,再作为等效磁流源引入到FDTD更新方程中,利用PEC替换介质,保证了场的连续性,实现了PEC-SIBC和FDTD的更新方程统一。通过多个仿真实验验证了PEC-SIBC的有效性,分析了实现复杂度。研究表明,与SIBC相比,PECSIBC的计算精度更高,并且不需要多区域划分的预处理,提高了FDTD的计算效率,实现更加简单、方便,应用范围更广。(2)针对吸收边界条件内存占用多、计算复杂的问题,提出了表面阻抗吸收边界条件(Surface Impedance Absorbing Boundary Condition,SIABC),实现了自由空间的外延。理论推导了SIABC的更新方程,得到了和FDTD更新方程具有相同形式的数学表达式,因此不需要引入新的方程,仅通过修改截断边界上场的更新方程系数就能引入SIABC,具有计算简单、实现方便的特点。通过四个三维仿真实验比较了SIABC和卷积完美匹配层(CPML)吸收边界条件的吸波特性,分析比较了不同吸收边界对内存的占用。结果表明,SIABC与CPML具有相比拟的吸波特性,但SIABC作为吸收边界消耗内存更少,计算效率更高。(3)针对大区域仿真计算使用内存多的问题,提出了非均匀网格表面阻抗吸收边界条件(Non-uniform SIABC),利用渐变网格技术增大了SIABC与散射体之间空气层的网格尺寸,减少了空气层占用的网格数。理论推导了Non-uniform SIABC的更新方程,给出了稳定性条件;对非均匀网格的非物理性反射现象的理论分析解释了导致数值色散增大的原因。通过三个三维仿真实验,比较了Non-uniform SIABC、SIABC以及CPML的吸波特性,分析了它们对内存的占用。研究表明,非均匀网格技术虽然稍微影响了Nonuniform SIABC的吸波特性,但同时也减少了网格总数,缩短了仿真时间,提高了计算效率。以Non-uniform SIABC作为吸收边界需要综合精度和效率,谨慎地进行非均匀网格划分。

关键词：表面阻抗边界条件理想电导体表面阻抗吸收边界条件非均匀网格法时域有限差分方法

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欧姆损耗对太赫兹频段同轴表面波振荡器的影响

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物理学报 2015年第7期64卷 178-183页

作者：陈再高王建国王玥张殿辉乔海亮西安交通大学电子与信息工程学院西安710049 西北核技术研究所西安市710024

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... 详细信息

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.

关键词：太赫兹表面波振荡器表面阻抗边界条件粒子模拟

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FDTD-SIBC混合方法计算近地导线表面电流

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电波科学学报 2001年第4期16卷 484-486,492页

作者：闫玉波葛德彪柴玫西安电子科技大学物理系陕西西安710071

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。

关键词：时域有限差分方法表面阻抗边界条件时域表面电流

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半无限大有耗地面的FDTD截断分析

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科学技术与工程 2012年第12期20卷 2923-2924,2928页

作者：张敏廖成常雷西南交通大学电磁场与微波技术研究所成都610031

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... 详细信息

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。

关键词：时域有限差分有限厚度地面电磁散射表面阻抗边界条件

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多层金属镀膜导波结构传输特性的研究

多层金属镀膜导波结构传输特性的研究

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作者：梁昌举西安电子科技大学

学位级别：硕士

对导波结构进行多层金属镀膜,可以在改善传输特性、提高抗腐蚀性的同时,极大地降低其制造成本。多层金属镀膜对导波结构传输特性的影响,是工程实际中不得不考虑的关键因素之一,因此,必须对其进行有效的建模和分析。而多层金属镀膜的等... 详细信息

对导波结构进行多层金属镀膜,可以在改善传输特性、提高抗腐蚀性的同时,极大地降低其制造成本。多层金属镀膜对导波结构传输特性的影响,是工程实际中不得不考虑的关键因素之一,因此,必须对其进行有效的建模和分析。而多层金属镀膜的等效趋肤深度和等效表面阻抗,是多层金属镀膜导波结构边界条件的直接反映,是分析多层金属镀膜导波结构的基础和关键,必须要首先加以分析。四分量紧凑格式二维频域有限差分(2-D CFDFD)算法,是求解理想导波结构传输特性的有效方法之一。该算法通过加入表面阻抗边界条件,便可完全适用于包括多层金属镀膜边界在内的有耗边界导波结构的分析。利用此算法,最后可以得到一个用于计算每个节点场分量的稀疏系数矩阵。通过求解该系数矩阵的特征值,在给定的频率上,便可以很容易地获得导波结构的传播常数。本文首先讨论给出多层金属镀膜的等效趋肤深度和等效表面阻抗,然后利用2-D CFDFD算法结合表面阻抗边界条件,对包括多层金属镀膜边界在内的有耗边界导波结构的传播常数进行计算,并给出数值结果。

关键词：二维频域有限差分多层金属镀膜趋肤深度表面阻抗边界条件

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