瞬态电磁脉冲的时域伪谱方法：研究、改进及应用

摘要

本文主要研究了时域瞬态电磁场计算方法的基本特性，对近年来出现的时域伪谱算法(PSTD)进行了详细地分析，提出了多种改进及混合算法，并研究了其在超宽带电磁脉冲技术、光子晶体结构分析等工程问题中的应用。　　本文对PSTD算法进行了进一步的改进，以提高其计算效率、精确度或者适用范围。逐一研究了四阶时间进步的PSTD算法、第一类(不同维)PS-FDTD算法以及第二类(同维)PS-FDTD算法，并对这些算法的色散特性、稳定性等性质进行了分析讨论。　　本文将时域伪谱算法运用到高功率超宽带技术应用中，用于解决高功率超宽带脉冲在多层介质中的传播、散射；超宽带脉冲在建筑物内的传播特性以及超宽带天线的设计等问题。PSTD算法的数值模拟结果和实验数据或FDTD计算结果具有很好的一致性，验证了程序的正确，证明了采用PSTD分析高功率超宽带技术问题是一种行之有效的方法。　　本文还对充分利用PSTD算法的优势，对具有有限和无限周期结构的光子晶体进行了应用研究。在第七章中，针对不同层数、间隙大小、介质参数、多种几何结构以及带内缺陷等参数对介质型微波光子晶体带隙影响进行了特性分析。该项研究对光子晶体结构的设计研究具有指导意义。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章引言

1.1研究工作的背景

1.2研究工作的意义

1.3研究工作的内容及贡献

1.4本文章节内容安排

第二章瞬态脉冲电磁场的主要时域计算方法及其色散特性分析

2.1引言

2.2积分方程方法简介

2.3微分方程方法及其数值色散特性

2.3.1时域有限差分法(FDTD)

2.3.2高阶(四阶)FDTD方法及其色散特性

2.3.3Multi-resolution time-domain算法及其色散特性

2.4时域伪谱算法(PSTD)简介

第三章时域伪谱算法(PSTD)研究

3.1引言

3.2直角坐标系PSTD算法的实现

3.3算法的基本特性分析

3.4 PSTD算法的瞬态激励源技术及Gibbs现象的修正

3.5数值算例

3.6小结

第四章非均匀网格时域伪谱算法研究

4.1引言

4.2基于非均匀傅立叶变换与逆变换的非均匀PSTD算法

4.3基于网格插值方法的非均匀PSTD算法

4.4 非均匀PSTD数值模拟结果

4.5小结

第五章PSTD算法的改进及其混合算法

5.1引言

5.2四阶时间步进的PSTD算法研究

5.3第一类(不同维)PS-FDTD算法

5.4第二类(同维分区)PS-FDTD混合算法

5.5小结

第六章PSTD算法及其改进算法的工程应用

6.1引言

6.2软件平台

6.3 NUPSTD算法在超宽带高功率脉冲介质传输模拟中的应用

6.4超宽带脉冲在建筑物中的传播

6.5超宽带(UWB)天线分析与设计中PSTD算法的应用

6.6小结

第七章PSTD在周期介质结构电磁场计算中的应用--基于PSTD算法的PBG（Photonic Band--Gap）结构研究

7.1引言

7.2介质型光子晶体波导滤波结构分析

7.3二维介质型微波光子晶体结构分析

7.4小结

第八章结束语

参考文献

作者简介

致谢

攻读博士期间所发表的论文及获奖情况