[发明专利]一种应用于时域有限差分法的透明激励源的实现方法

说明书

本发明属于计算电磁学技术领域，具体为一种应用于时域有限差分法的透明激励源的实现方法。本发明采用Yee网格，通过在激励源网格处加入两个幅值相反的电场激励源，减去反馈电场，使之等效为硬源且透明；并在输入及输出端口加完美匹配层吸收边界截断波导结构，适用于一维、二维及三维结构。本发明只需对激励源面上的电磁场分量进行额外的计算，相对于其它方法需要的辅助计算量是微乎其微的，对计算效率的影响可以忽略不计，且具有透明的特性，对于波导类计算模拟问题避免了辅助计算所花费的时间，高效得到入射场和散射场，对提高模拟计算效率具有很好的效果。

技术领域

本发明属于计算电磁学技术领域。在采用时域有限差分法来模拟计算波导类结构的电磁波特性问题时，涉及一种加载在波导端口的透明激励源，具体为一种应用于时域有限差分法的透明激励源的实现方法。

背景技术

在使用时域有限差分法进行模拟计算的过程中，需要加入激励源来激发起特定频段和幅值的电磁波，进而得到模拟计算结构的电磁波传输特性及电磁场分布。

使用非透明激励源激励电磁波，在电磁波传播过程中，当遇到非均匀结构或边界等情况下，会产生散射。散射场会传播至激励源处，非透明激励源相当于导电反射屏，会将散射场反射回计算区域，而这部分反射场是非透明激励源数值实现过程中产生的非物理效应。所以在模拟计算波导类结构的问题时，为了消除或避免上述非透明激励源产生的非物理场反射，需要在波导端口加载一种透明的激励源，这样计算区域内部计算的散射场才能通过激励源网格而不反射回计算区域。

目前，应用于时域有限差分法的激励源主要有以下三种。设波导结构沿z向分布，波导端口位于x-y平面。

第一种激励源为硬源，就是直接在激励源网格处设置电场幅值为我们想要激励起的电场值，具体公式表示为

其中，下标T表示x或y方向，n表示第n个时间步长，f表示所加激励源方程，k_src表示激励源网格z向的编号。这种方法的缺点是，由于直接设置激励源网格处的电场值，激励源等效为一个理想的导电反射屏，所有散射场都会被反射。克服反射的方法是在散射场传播到激励源网格处之前，将激励源去掉，这种方法对激励源作用的时间长度有非常大的限制。

第二种激励源为透明电流激励源，此种激励源是将激励项看成是有源麦克斯韦方程中的电流项，具体公式表示为

其中，J表示加载的激励电流，表示在T方向的离散方程，具体表达为

这种方法的缺点是无法设置激励源网格处的电场为我们设置的场值。为了计算散射问题，需要进行两次计算，首先通过一次辅助计算，计算一个与实际波导结构端口相同尺寸的无限长均匀波导得到激励源网格处的电场值，即入射场，然后对实际波导结构进行模拟计算得到激励源网格处的总场，减去入射场就得到了散射场。这样通过两次计算的方法会大大降低计算效率。

第三种激励源为透明场激励源，这种方法的主要思想是在麦克斯韦方程中减去反馈场，使其等效为硬源，具体表达式为

其中，Iⁿ(i,j)需要通过一次辅助计算得到。应用硬源激励的方法，激励源函数采用克罗内克函数δ[n]，计算一个与实际波导结构端口相同尺寸的无限长均匀波导得到激励源网格处的响应，计算公式为

这种方法的缺点也是采用了一次辅助计算，降低了计算效率。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决两次计算降低计算效率的技术问题，本发明提供了一种应用于时域有限差分法的透明激励源的实现方法。