亚网格技术的关键主要是如何求解粗网格和细网格交界面上的场值。1981年, Kunz和Simpson[12]联合提出了一个新的算法,即运行两次亚网格算法,都以粗网格运行,但是两次使用域不同,一次在整个计算域,另一次在细网格子域,这样,细网格边界处的场就通过粗网格上的场值计算出来。如今,随着技术的发展,现在只需计算一次FDTD,用并行执行的方式。Kim和Hoefer[13](1990年)提出了粗细网格(粗细网格比为4:1)中的场经空间和时间插值获得边界场的方法。Zivanovic[14]等(1991年)提出了细网格(粗细网格比为3:1)空间,Prescott和Shuley[15]提出了一种更有效的波动方程法,先进行二次差分再进行空间插值。但针对上述方法的不足之处Okoniewski[16]对其进行改进,采用一种粗细网格比2:1的特殊排布,良好的解决了亚网格边界穿越介质应用瓶颈。
1.3 本文主要的研究工作
本文主要的研究对象是时域有限差分法(FDTD)中的惠更斯(等效原理)亚网格技术,并且在最后用软件仿真的结果与该技术的结果相比较,以验证其正确性。
首先,以实际中遇到的计算机存储及计算时间过长的问题为出发,引出了亚网络技术在FDTD中存在的必要性,并针对其进行了初步的研究。
作为亚网格技术的基础,对FDTD进行了较为深入分析。以Maxwell旋度方程作为出发点,FDTD的基本公式、基本原理和数值理论均有被讨论到。之后本文的讨论重心转向FDTD中的亚网格技术,论述了亚网格技术被提出的原因、发展历程,并指出亚网格技术限制瓶颈所在。在亚网格技术中,计算空间通常被分为粗、细两大类网格区域,其内部网格都是均匀的,因此普通的FDTD递推求解就可以得到理想的结果。那么,亚网格技术的关键就转化成对粗、细两种网格分界面上场值的精确值求解。由于不同的差分离散方法被用于粗细网格,影响仿真精度的伪反射会在分界面处出现。
粗细网格的连接在惠更斯亚网格技术中是通过等效原理实现的,巧妙的运用物理原理,可以取代近似差值的结果。因此,本文研究重点为等效原理(惠更斯等效面),以及其适用范围。
运用FDTD惠更斯亚网格技术分析了一个最简单的矩形介质波导,并同时采用CST仿真软件进行仿真。
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