具有完备匹配层吸收边界条件的时域有限差分法及其在天线纳米器件设计中的应用

摘要

时域有限差分法(FDTD)是近年来发展很快的一种电磁场数值计算方法。为了在数值上模拟一个开放式系统，用完备匹配层(PML)吸收边界条件来截断计算区域。在目前和将来的通信系统中，对天线和纳米器件的设计有很高的要求。输入阻抗、反射损耗及频谱特性等是重要的参数，对它们的计算方法始终受到人们的关注。　　本文基于微带天线的原理、辐射元分层叠加思想，设计并制作了宽带平面单极性天线和用于数字移动电视接收天线的STACK天线。并基于Matlab编码，从有源区的Yee差分方程出发，应用二维或三维的带PML吸收边界的FDTD方法，完成了方形辐射元的平面单极性天线、四层STACK天线及带六孔光子带隙结构(PBG)的光子导线的模拟计算，得到的周围空间的电场及磁场分布情况进行了可视化计算，并计算出输入阻抗、反射损耗及频谱特性等重要参数，进一步验证设计思想。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景

1.2内容安排

1.3主要贡献

第2章时域有限差分法(FDTD)

2.1 Yee's差分算法

2.2环路积分解释

2.2.1电场分量的迭代方程——安培环路积分定律

2.2.2磁场分量的迭代方程——法拉第环路积分定律

2.3解的稳定性条件

2.4本章小结

第3章吸收边界条件——完备匹配层(PML)

3.1 PML介质的定义

3.2 PML介质中平面波的传播

3.3 PML-PML介质分界面处波的传播

3.4 PML应用于时域有限差分法(FDTD)

3.4.1 PML吸收边界的介质参数

3.4.2 PML介质中的差分格式

3.5本章小结

第4章FDTD方法分析平面单极性天线

4.1基于FDTD的平面单极性天线的算法

4.2计算结果及分析

4.2.1平面单极性天线电磁场分布的可视化计算

4.2.2平面单极性天线的输入阻抗、反射损耗及方向性图

4.3本章小结

第5章STACK天线的设计及FDTD模拟

5.1 STACK天线的设计思想及结构

5.2 STACK天线的FDTD计算结果、分析及现存问题

5.2.1 STACK天线的电磁场分布的可视化计算

5.2.2 STACK天线的输入阻抗、反射损耗及方向性图

5.2.3 STACK天线仿真过程中尚待解决的问题

5.3本章小结

第6章FDTD算法分析带光子带隙结构(PBG)的光子导线

6.1带有PBG的光子导线的物理结构及二维FDTD计算方法

6.2理论计算及仿真结果

6.2.1带PBG结构的光子导体中心波长的理论计算

6.2.2带PML吸收边界的二维FDTD的仿真结果

6.3本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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