时域有限差分-广义边界条件方法高效分析薄层人工电磁结构

论文摘要

为了满足应用需求,薄层结构被广泛的应用到实际工程之中,分析薄层结构的电磁特性受到人们的广泛关注。针对电磁超表面和石墨烯这些超薄电大尺寸的结构,它们可以由成百上千个亚波长的电磁超表面单元构成,同时具有非常复杂的几何形状,电大尺寸的电磁超表面和亚波长单元构成了典型的多尺度结构,因而在数值仿真过程中需要极其精细的网格和巨大的未知量。因此,研究一种能够快速分析薄层结构的电磁散射特性成为计算电磁学的一个重要的研究方向。由于时域有限差分方法在分析计算电磁问题时具有显著优势,而广义边界条件相对于传统边界条件又具有普遍性,因而将时域有限差分和广义边界条件相结合分析薄层结构的电磁特性具有重要意义。本文在时域有限差分和广义边界相结合方法的基础上引入复共轭极点留数对拟合电磁极化率参数,用于分析宽带薄层结构的电磁特性,并将此方法应用于分析石墨烯的散射特性上,验证了本文所采用该方法的正确性和高效性。本文的主要工作如下:首先,介绍二维时域有限差分和广义边界条件方法的基本理论,并给出二维电磁超表面聚焦和波束偏转的算例,由于在实际工程应用中多以三维问题来分析,因此随后研究了三维时域有限差分-广义边界条件方法的等效模型和基本理论,并仿真了三维电磁超表面。其次,分析了石墨烯电导率的影响因素并给出石墨烯的色散模型,同时分析外加偏置电场对石墨烯电导率的调控作用。针对色散模型,本文提出了采用复共轭极点留数对拟合电极化率参数,从而得到色散形式的时域有限差分-广义边界条件,用于分析宽带石墨烯结构的电磁特性,验证了本文所采用方法的正确性和高效性。论文继续研究了薄介质板加载石墨烯的电磁特性。当薄介质板加载石墨烯时,电磁超表面两侧的切向电场不连续,这样就会出现磁流项,通过磁极化率描述切向电场的不连续性。采用本方法可以提高计算精度。论文研究成果对于基于石墨烯的新型器件设计具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究现状及意义
•   1.3 本文的主要工作和内容安排
• 2 时域有限差分算法和广义边界条件方法的基本理论
•   2.1 引言
•   2.2 时域有限差分算法（FDTD）的基本理论
•   2.3 广义边界条件（GSTCs）的基本理论
•   2.4 薄层结构电极化率和磁极化率张量的提取
•   2.5 传统边界条件与广义边界条件相比较
•   2.6 本章小结
• 3 时域有限差分-广义边界条件方法分析非色散电磁超表面
•   3.1 引言
•   3.2 二维FDTD-GSTCs方法
•     3.2.1 二维FDTD-GSTCs的基本理论
•     3.2.2 数值算例
•   3.3 三维FDTD-GSTCs方法分析非色散模型
•     3.3.1 三维FDTD-GSTCs的基本理论
•     3.3.2 数值算例
•   3.4 本章小结
• 4 基于FDTD-GSTCs色散模型的石墨烯高效分析方法
•   4.1 引言
•   4.2 石墨烯的材料特性
•     4.2.1 石墨烯的电导率模型
•     4.2.2 石墨烯的色散模型
•   4.3 薄层石墨烯结构的FDTD-GSTCs方法
•     4.3.1 复共轭极点留数对拟合单层石墨烯结构电极化率张量
•     4.3.2 复共轭极点对拟合电极化率与FDTD-GSTCs方法相结合分析石墨烯
•     4.3.3 数值算例
•   4.4 薄介质板加载石墨烯结构的FDTD-GSTCs方法
•     4.4.1 薄介质板加载石墨烯等效模型
•     4.4.2 复共轭极点对与FDTD-GSTCs方法相结合分析薄介质板加载石墨烯
•     4.4.3 数值算例
•   4.5 本章小结
• 5 工作总结与展望
•   5.1 本文总结
•   5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杜晓凤

导师: 陈如山,李猛猛

关键词: 时域有限差分方法,广义边界条件,等效模型,薄层结构,石墨烯,复共轭极点留数对

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,无机化工

单位: 南京理工大学

分类号: O441;TQ127.11

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000442

总页数: 79

文件大小: 1854K

下载量: 15