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自从计算电磁学作为一门学科问世,频域方法一直占据着主导地位。然而,随着人们在应用电磁学领域研究的深入,传统的点频法和窄频带方法已经不能满足需要。科学实践的需求推动了时域数值技术的发展和成熟。以计算机硬件技术的发展为契机,人们逐步具有了直接在时域对具有宽频带特性的瞬变电磁场计算分析的能力。从而实现了对物理量和物理现象更深刻、更直观的理解。
本文所研究的是时域有限元方法(FETD-finite element time domain)。本文首先介绍基于矢量波动方程的时域有限元方法的基本原理,并且举出两个谐振腔的实例验证了基于矢量波动方程的时域有限元方法的有效性。基于微分方程的时域有限元方法用于开域问题时,需要在计算区域的截断边界设置适当的边界条件,所以本文接着研究了各向异性媒质的完全匹配层(PML)在时域有限元方法中的应用。通过分析波导和微带电路的几个实例,可以很清楚的看出,对于各向异性介质PML,选取合适的PML层数和σ<,max>,则其在时域有限元中能很好的吸收外向波。同时本文还研究了在时域有限元方法中,用一阶吸收边界条件截断PML层。实例分析了采用一阶吸收边界条件和采用PEC截断PML层的吸收外向波的效果。在相同的PML层数条件下,用一阶吸收边界条件截断PML层比用PEC截断降低了10dB的反射误差。时域有限元方法在每一时间步都要求解大型稀疏矩阵,本文在时域有限元方法中,应用直接解法中的多波前法(multifrontal method)和加入预处理的迭代解法中的对称超松弛预处理共轭梯度算法SSOR-CG,对谐振腔和微带线进行求解。可以清楚的看出,在时域有限元方法中,随着未知量个数的增加和精度需求的增加,multifrontal method相对于SSOR-CG在运算时间上大大地降低,但是在内存上的需求也相应的有所增加。