基于完全匹配层的圆柱分层媒质并矢Green函数级数展开法的研究

发布时间：2017-04-04 11:08

  本文关键词：基于完全匹配层的圆柱分层媒质并矢Green函数级数展开法的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：分层媒质(平面分层媒质、圆柱分层媒质、球面分层媒质)并矢Green函数的有效计算方法是矩量法应用于分层媒质结构全波电磁仿真的基础。平面分层媒质并矢Green函数的数值计算方法最早得到比较深入的研究,获得了许多计算方法,典型代表是离散复镜像法。近几年,基于完全匹配层的级数展开法被提出,该方法是用带PML的平板波导结构的Green函数替代原来的平面分层媒质并矢Green函数。平板波导结构的Green函数可以用模式函数级数展开表示,不需要任何数值积分,但需要有精确定位全部模式极点的有效算法。像平面分层媒质一样,圆柱分层媒质也是一类重要的结构。与平面分层媒质Green函数相比,圆柱分层媒质Green函数的结构要复杂得多。本文的中心工作是为圆柱分层媒质Green函数建立级数展开方法。首先在现有圆柱分层媒质Green函数理论基础上,推导了圆柱分层媒质Green函数的各坐标分量的数学表达式；接着提出一个递归算法来实现谱域Green函数分子与分母的分离,获得了确定所有模式极点的色散方程；然后将数学同伦法应用于带PML的圆柱分层媒质Green函数的所有模式极点的精确定位；最后利用复变函数的留数定理将带PML的圆柱分层媒质Green函数表示成无穷级数展开。本文的主要贡献包括以下部分：1.推导出能够数值稳定地定位所有模式极点的圆柱分层媒质色散方程。利用谱域Green函数的递归形式,对反射、透射系数矩阵进行递归变形,从而提取出新形式的色散方程,它特别适合于用同伦法精确定位Berenger模式极点。给出了两种形式的级数展开公式,分别适用于场、源点在同层和场、源点在不同层的情形。证明了：当场、源点位于不同层时,谱域Green函数的模式极点都是二阶极点。2.提出同伦法定位谱域Green函数全部模式极点的实现方法,包括两步：1)无耗圆柱分层媒质谱域Green函数极点的定位。用二分法计算复平面轴上的极点,并在理论上建立了二分隔离的估计公式；用二次多项式估计法粗略定位非轴上的极点,再用牛顿-拉普生迭代获得精确的复模式极点。2)带PML的圆柱分层媒质谱域Green函数极点的定位。将第一步中获得的极点作为同伦法的启动点,通过同伦法迭代获得所需极点。这里还提出了定位Berenger模式极点的加速算法。3.将级数展开法与直接积分法进行比较分析,探明两种误差来源：模型误差和截断误差。对于PML结构参数和模式个数的选取对误差曲线的影响进行了数值分析。
【关键词】：分层媒质 Green函数 圆柱结构 完全匹配层 复模式 Berenger模式 牛顿-拉普生迭代 同伦法 级数展开法
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O411
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 本文的主要工作13-16
• 第二章 PML和圆柱分层媒质Green函数16-40
• 2.1 PML的基本理论16-23
• 2.1.1 分裂场完全匹配层(BS-PML)16-18
• 2.1.2 各向异性完全匹配层(APML)18-20
• 2.1.3 延伸坐标完全匹配层(SC-PML)20-23
• 2.2 圆柱分层媒质Green函数23-31
• 2.2.1 反射系数矩阵与边界条件27-30
• 2.2.2 并矢Green函数30-31
• 2.3 带PML的圆柱分层媒质Green函数31-38
• 2.3.1 PML在圆柱分层媒质Green函数计算中的应用32
• 2.3.2 色散方程32-37
• 2.3.3 并矢Green函数的级数展开37-38
• 2.4 小结38-40
• 第三章 带PML的圆柱分层媒质结构的模式极点定位算法40-54
• 3.1 数值方法40-42
• 3.1.1 二分法40-41
• 3.1.2 牛顿-拉普生迭代41-42
• 3.1.3 同伦法42
• 3.2 同伦法在极点定位中的实现42-50
• 3.2.1 二分法定位初始方程的根43-46
• 3.2.2 二阶Taylor多项式辅助定位复模式极点46
• 3.2.3 同伦法定位带PML的圆柱分层媒质结构的模式极点46-47
• 3.2.4 用于有耗媒质的同伦法47-50
• 3.3 极点的分布规律50-52
• 3.4 Berenger极点定位的加速方案52-53
• 3.5 小结53-54
• 第四章 圆柱分层媒质Green函数级数展开法的数值分析54-62
• 4.1 直接积分法54-55
• 4.2 级数展开法的数值分析55-61
• 4.2.1 消除冗余计算55-56
• 4.2.2 分析误差来源56-57
• 4.2.3 选择PML的复厚度57-59
• 4.2.4 选择模式极点个数59-60
• 4.2.5 选择方位角传播常数个数60-61
• 4.3 小结61-62
• 结束语62-64
• 致谢64-66
• 参考文献66-70
• 学习期间发表的论文70
• 学习期间参加的课题70

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