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基于移位算子时域有限差分的色散薄层节点修正算法

魏兵 董宇航 王飞 李存志

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基于移位算子时域有限差分的色散薄层节点修正算法

魏兵, 董宇航, 王飞, 李存志

A modificatory algorithm for electrically thin dispersive layers base on shift operator finite-difference time-domain method

Wei Bing, Dong Yu-Hang, Wang Fei, Li Cun-Zhi
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  • 提出了一种时域有限差分(FDTD)计算中色散介质薄层问题处理的新算法.对于厚度小于一个元胞尺度的电小尺寸色散介质薄层问题,采用将元胞内电位移矢量和磁感应强度加权平均的方法,求得薄层所在元胞内修正点处的等效介质参数.然后根据常见色散介质模型,包括Debye模型、Lorenz模型、Drude模型等,介电常数和磁导率可以表示为jω分式多项式的特点,结合频域到时域的转换关系(即用/t代替jω)和移位算子方法得到了修正点处的时域本构关系,进而获得时域递推计算式.数值结果表明,该方法具有通用、节省计算时间、节省内存和计算精度良好等优点.
    A novel technique for treating electrically thin dispersive layer with the finite difference time domain (FDTD) method is introduced. The proposed model is based on modifying the node update equations to account for the layer, where the electric and magnetic flux densities are locally averaged in the FDTD grid. Then, based on the characteristics that the complex permittivity and complex permeability of three kinds of general dispersive media model, i.e. Debye model, Lorentz model, and Drude model, may be described by rational polynomial fraction in jω, the shift operator method is then applied to obtain the recursive formulation for D and E, B and H available for FDTD computation is obtained. The model is validated with several numerical examples. The computed results illustrate the generality, memory and time step economy and the precision of presented scheme.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:60871071)和中国博士后科学基金(批准号:20070421109)资助的课题.
    [1]

    [1]Bao J S, Liu X, Qian Z P, Xiang Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 5537(in Chinese)[鲍峻松、 刘贤、 钱祖平、 项阳 2008 物理学报 57 5537]

    [2]

    [2]Zhang Y Q, Ge D B 2009 Acta Phys. Sin. 58 4574(in Chinese)[张玉强、 葛德彪 2009 物理学报 58 4574]

    [3]

    [3]Fu J H, Liu X L, Men F Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 4070(in Chinese)[傅佳辉、 刘心蕾、 孟繁义 2008 物理学报 57 4070]

    [4]

    [4]Fen G Y, Yang H, Zhang D Y, Zhou S H, Zhu Q H 2008 Acta Phys. Sin. 57 5506(in Chinese)[冯国英、 杨浩、 张大勇、 周寿桓、 朱启华 2008 物理学报 57 5506]

    [5]

    [5]Ding S J, Ge D B, Shen N 2010 Acta Phys. Sin. 59 943 (in Chinese)[丁世敬、 葛德彪、 申宁 2010 物理学报 59 943]

    [6]

    [6]Liu H L, Zhang T Y, Zhu S L, Fan W H 2009 Acta Phys. Sin. 58 3658(in Chinese)[刘海亮、 张同意、 朱少岚、 范文慧 2009 物理学报 58 3658]

    [7]

    [7]Chen Z Q, Hu X W, Lan C Z, Liu M H 2009 Chin. Phys. B 18 2412

    [8]

    [8]Liu D G, Liu S G, Zhou J 2007 Acta Phys. Sin. 56 6924(in Chinese)[刘大刚、 刘盛纲、 周俊 2007 物理学报 56 6924]

    [9]

    [9]Yang L X, Ge D B, Wei B 2007 Prog. Electromag. Res.76 275

    [10]

    ]Wang M Y, Xu J, Wu J 2008 Prog. Electromag. Res.81 253

    [11]

    ]Yang L X, Ge D B, Wei B 2007 Acta Phys. Sin. 56 4509(in Chinese)[杨利霞、 葛德彪、 魏兵 2007 56 4509]

    [12]

    ]Mikko K K 2005 IEEE Trans. Antenn. Propag. 53 1174

    [13]

    ]Mikko K K 2004 IEEE Trans. Electromag. Compat. 46 222

    [14]

    ]Mikko K K 2003 IEEE Trans. Microwave Theor. Tech. Soc. 51 1774

    [15]

    ]Giulio A, Antonio O 2007 IEEE Microwave Wireless Compon. Lett. 17 631

    [16]

    ]Wei B, Ge D B, Wang F 2008 Acta Phys. Sin. 57 6290(in Chinese)[魏兵、 葛德彪、 王飞 2008 物理学报 57 6290]

    [17]

    ]Maloney J G, Smith G S 1992 IEEE Trans. Antenn. Propag. 40 323

    [18]

    ]James G M, Smith G S 1993 IEEE Trans. Antenn. Propag. 41 690

    [19]

    ]Panayiotis A T 1991 IEEE Trans. Antenn. Propag. 39 1338

    [20]

    ]Ge D B, Yan Y B 2005 Fintie-Difference Time-Domain Method for Electromagnetic Waves(2nd Ed.) (Xi’an: Xidian University Press) (in Chinese)[葛德彪、 闫玉波 2005 电磁波时域有限差分方法 (第二版)(西安: 西安电子科技大学出版社)]

    [21]

    ]Taflove A 2005 Advances in Computational Electromagnetics: The FDTD Method (2nd Ed.) (Norwood: Artech House)

    [22]

    ]Wei B, Li X Y, Wang F, Ge D B 2008 Acta Phys. Sin. 58 6174(in Chinese)[魏兵、 李小勇、 王飞、 葛德彪 2009 物理学报 58 6174]

    [23]

    ]Wang F, Ge D B, Wei B 2008 Acta Phys. Sin. 58 6356(in Chinese)[王飞、 葛德彪、 魏兵 2009 物理学报 58 6356]

  • [1]

    [1]Bao J S, Liu X, Qian Z P, Xiang Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 5537(in Chinese)[鲍峻松、 刘贤、 钱祖平、 项阳 2008 物理学报 57 5537]

    [2]

    [2]Zhang Y Q, Ge D B 2009 Acta Phys. Sin. 58 4574(in Chinese)[张玉强、 葛德彪 2009 物理学报 58 4574]

    [3]

    [3]Fu J H, Liu X L, Men F Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 4070(in Chinese)[傅佳辉、 刘心蕾、 孟繁义 2008 物理学报 57 4070]

    [4]

    [4]Fen G Y, Yang H, Zhang D Y, Zhou S H, Zhu Q H 2008 Acta Phys. Sin. 57 5506(in Chinese)[冯国英、 杨浩、 张大勇、 周寿桓、 朱启华 2008 物理学报 57 5506]

    [5]

    [5]Ding S J, Ge D B, Shen N 2010 Acta Phys. Sin. 59 943 (in Chinese)[丁世敬、 葛德彪、 申宁 2010 物理学报 59 943]

    [6]

    [6]Liu H L, Zhang T Y, Zhu S L, Fan W H 2009 Acta Phys. Sin. 58 3658(in Chinese)[刘海亮、 张同意、 朱少岚、 范文慧 2009 物理学报 58 3658]

    [7]

    [7]Chen Z Q, Hu X W, Lan C Z, Liu M H 2009 Chin. Phys. B 18 2412

    [8]

    [8]Liu D G, Liu S G, Zhou J 2007 Acta Phys. Sin. 56 6924(in Chinese)[刘大刚、 刘盛纲、 周俊 2007 物理学报 56 6924]

    [9]

    [9]Yang L X, Ge D B, Wei B 2007 Prog. Electromag. Res.76 275

    [10]

    ]Wang M Y, Xu J, Wu J 2008 Prog. Electromag. Res.81 253

    [11]

    ]Yang L X, Ge D B, Wei B 2007 Acta Phys. Sin. 56 4509(in Chinese)[杨利霞、 葛德彪、 魏兵 2007 56 4509]

    [12]

    ]Mikko K K 2005 IEEE Trans. Antenn. Propag. 53 1174

    [13]

    ]Mikko K K 2004 IEEE Trans. Electromag. Compat. 46 222

    [14]

    ]Mikko K K 2003 IEEE Trans. Microwave Theor. Tech. Soc. 51 1774

    [15]

    ]Giulio A, Antonio O 2007 IEEE Microwave Wireless Compon. Lett. 17 631

    [16]

    ]Wei B, Ge D B, Wang F 2008 Acta Phys. Sin. 57 6290(in Chinese)[魏兵、 葛德彪、 王飞 2008 物理学报 57 6290]

    [17]

    ]Maloney J G, Smith G S 1992 IEEE Trans. Antenn. Propag. 40 323

    [18]

    ]James G M, Smith G S 1993 IEEE Trans. Antenn. Propag. 41 690

    [19]

    ]Panayiotis A T 1991 IEEE Trans. Antenn. Propag. 39 1338

    [20]

    ]Ge D B, Yan Y B 2005 Fintie-Difference Time-Domain Method for Electromagnetic Waves(2nd Ed.) (Xi’an: Xidian University Press) (in Chinese)[葛德彪、 闫玉波 2005 电磁波时域有限差分方法 (第二版)(西安: 西安电子科技大学出版社)]

    [21]

    ]Taflove A 2005 Advances in Computational Electromagnetics: The FDTD Method (2nd Ed.) (Norwood: Artech House)

    [22]

    ]Wei B, Li X Y, Wang F, Ge D B 2008 Acta Phys. Sin. 58 6174(in Chinese)[魏兵、 李小勇、 王飞、 葛德彪 2009 物理学报 58 6174]

    [23]

    ]Wang F, Ge D B, Wei B 2008 Acta Phys. Sin. 58 6356(in Chinese)[王飞、 葛德彪、 魏兵 2009 物理学报 58 6356]

  • [1] 何欣波, 魏兵. 基于悬挂变量的显式无条件稳定时域有限差分亚网格算法. 物理学报, 2024, 73(8): 080202. doi: 10.7498/aps.73.20231813
    [2] 杨红卫, 孟珊珊, 高冉冉, 彭硕. 光子晶体传输特性的时域精细积分法分析. 物理学报, 2017, 66(8): 084101. doi: 10.7498/aps.66.084101
    [3] 刘广东, 张开银. 二维电磁逆散射问题的时域高斯-牛顿反演算法. 物理学报, 2014, 63(3): 034102. doi: 10.7498/aps.63.034102
    [4] 孙亚秀, 姜庆辉. 基于电场数值加权的跨介质元胞共形新技术. 物理学报, 2013, 62(16): 164101. doi: 10.7498/aps.62.164101
    [5] 岳庆炀, 孔凡敏, 李康, 赵佳. 基于缺陷光子晶体结构的GaN基发光二极管光提取效率的有关研究. 物理学报, 2012, 61(20): 208502. doi: 10.7498/aps.61.208502
    [6] 颛孙旭, 马西奎. 一种适用于任意阶空间差分时域有限差分方法的色散介质通用吸收边界条件算法. 物理学报, 2012, 61(11): 110206. doi: 10.7498/aps.61.110206
    [7] 吕君, 赵正予, 张援农, 周晨. 非线性对大气介质中阵列聚焦声场分布影响的研究. 物理学报, 2010, 59(12): 8662-8668. doi: 10.7498/aps.59.8662
    [8] 刘广东, 张业荣. 二维有耗色散介质的时域逆散射方法. 物理学报, 2010, 59(10): 6969-6979. doi: 10.7498/aps.59.6969
    [9] 张玉强, 葛德彪. 基于半解析递归卷积的通用色散介质FDTD方法. 物理学报, 2009, 58(7): 4573-4578. doi: 10.7498/aps.58.4573
    [10] 魏兵, 李小勇, 王飞, 葛德彪. 一种色散介质FDTD通用吸收边界. 物理学报, 2009, 58(9): 6174-6178. doi: 10.7498/aps.58.6174
    [11] 张玉强, 葛德彪. 一种基于数字信号处理技术的改进通用色散介质移位算子时域有限差分方法. 物理学报, 2009, 58(12): 8243-8248. doi: 10.7498/aps.58.8243
    [12] 傅佳辉, 孟繁义, 杨国辉, 吴 群, 刘心蕾. 基于非分裂FDTD的左手介质电磁特性的研究. 物理学报, 2008, 57(7): 4070-4075. doi: 10.7498/aps.57.4070
    [13] 姜彦南, 葛德彪. 层状介质时域有限差分方法斜入射平面波引入新方式. 物理学报, 2008, 57(10): 6283-6289. doi: 10.7498/aps.57.6283
    [14] 魏 兵, 葛德彪, 王 飞. 一种处理色散介质问题的通用时域有限差分方法. 物理学报, 2008, 57(10): 6290-6297. doi: 10.7498/aps.57.6290
    [15] 安治永, 李应红, 吴 云, 苏长兵, 宋慧敏. 对称等离子体激励器系统电场仿真研究. 物理学报, 2007, 56(8): 4778-4784. doi: 10.7498/aps.56.4778
    [16] 李民权, 陶小俊, 赵 瑾, 吴先良. 基于辛Runge-Kutta-Nystrom方法的雷达散射截面计算. 物理学报, 2007, 56(4): 2115-2118. doi: 10.7498/aps.56.2115
    [17] 刘大刚, 周 俊, 刘盛纲. 用时域有限差分法实现金属支撑杆的计算机模拟. 物理学报, 2007, 56(12): 6924-6930. doi: 10.7498/aps.56.6924
    [18] 张 波. 二维光子晶体波导与单模平面介质波导间的喇叭波导接头. 物理学报, 2006, 55(4): 1857-1861. doi: 10.7498/aps.55.1857
    [19] 张 波. 二维介质柱光子晶体波导吸收边界条件. 物理学报, 2005, 54(12): 5677-5682. doi: 10.7498/aps.54.5677
    [20] 王 刚, 温激鸿, 韩小云, 赵宏刚. 二维声子晶体带隙计算中的时域有限差分方法. 物理学报, 2003, 52(8): 1943-1947. doi: 10.7498/aps.52.1943
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出版历程
  • 收稿日期:  2009-07-08
  • 修回日期:  2009-07-14
  • 刊出日期:  2010-02-05

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