多区域时域伪谱算法在电磁分析中的理论和应用研究

【摘要】： 随着计算机硬件的飞速进步和高性能计算技术的不断发展,计算电磁学诞生了。作为计算电磁学领域内的一种新兴算法——多区域时域伪谱算法(MPSTD),近年来受到了广泛的关注,已成为计算电磁学研究的热点方向之一。 本文以拓展MPSTD算法的应用领域为目的,将算法理论研究与工程应用研究相结合,对MPSTD算法理论体系的完善和多项应用技术进行了具体的研究。本文的主要工作简述如下: 1.系统、全面地分析总结了MPSTD算法的计算流程和各项关键技术,对各项关键技术的优缺点进行了分析和比较。 2.研究了基于极坐标或圆柱坐标的MPSTD算法。首先,提出了建立基于极坐标或圆柱坐标MPSTD算法的原则和实施步骤,推导了基于极坐标或圆柱坐标的空间微分的计算公式;其次,推导并给出了基于极坐标或圆柱坐标Maxwell方程组特征变量的定义和表达式;最后,推导了基于极坐标或圆柱坐标特征变量的各种数值边界条件,给出了各数值边界上的场值更新关系式。仿真结果表明,基于极坐标或圆柱坐标MPSTD算法具有很好的计算精度,可以大大降低计算开销。 3.对极坐标或圆柱坐标系下的CPML吸收边界条件进行了推导和研究,给出了相应的场值更新关系式。仿真结果表明,采用极坐标或圆柱坐标系下的CPML吸收边界条件具有很好的计算精度,可以大大降低计算开销。 4.提出了MPSTD单向波波导激励源设置方法。首先,给出了适合于MPSTD算法的单向波激励源设置原则;其次,给出单向波波导激励源的实施步骤,推导了相应的计算公式;最后,对单向波波导激励源的单向性进行了比较研究。 5.系统地研究了MPSTD算法在毫米波单脉冲波导缝隙天线设计中的应用。针对毫米波单脉冲波导缝隙天线的三个主要组成部分——波导宽边辐射纵缝、波导宽边中心斜缝和宽边缝隙耦合魔T的特性及其各项设计参数(如缝隙长度、宽度、半高波导、全高波导等)对性能的影响进行了较为全面、详细的分析,给出了相应的工程设计曲线,得到了一些有益的结论,为高性能波导缝隙阵列天线的设计提供了有力的参考。仿真结果表明,将MPSTD算法用于单脉冲波导缝隙天线问题的分析,具有较高计算效率和计算精度。 6.研究了MPSTD算法在微波传输线和无源微波器件问题中的应用,给出了相应的工程设计曲线,得到了一些有益的结论,为复杂无源微波器件的快速、准确和宽带特性分析提供了一种新的思路。