[發(fā)明專利]一種確定電磁波傳播特性的方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310365720.7
• 申請(qǐng)日: 2023-04-07
• 公開（公告）號(hào): CN116384117A
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝國(guó)大;侯桂林;黃志祥;宋子衡;許杰;任昊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F30/23;G06F17/13;G16C60/00
• 代理公司: 北京一枝筆知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11791
• 代理人: 李鎮(zhèn)

本發(fā)明涉及一種基于多級(jí)修正洛倫茲模型確定電磁波傳播特性的方法及系統(tǒng)。該方法包括：獲取電磁波的電通量密度、電極化和電場(chǎng)強(qiáng)度；根據(jù)電通量密度、電極化和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的本構(gòu)關(guān)系采用輔助微分方程方法，得到電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式；根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式制定高效的色散媒質(zhì)FLOD?FDTD方案，得到色散媒質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和電極化強(qiáng)度；根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和電極化強(qiáng)度，得到多級(jí)修正洛倫茲模型；將多級(jí)修正洛倫茲模型等效為不同色散模型，得到電磁波的傳播特性。本發(fā)明能夠高效、精確模擬復(fù)雜色散材料的電磁特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電磁波傳播特性研究領(lǐng)域，特別是涉及一種基于多級(jí)修正洛倫茲模型確定電磁波傳播特性的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

色散媒質(zhì)的電磁特性在隱身材料、生物電磁、探地雷達(dá)、人體醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，且自然界的大多數(shù)電磁材料屬于色散媒質(zhì)，因此色散媒質(zhì)有廣闊的應(yīng)用前景，其研究和應(yīng)用價(jià)值也得到越來(lái)越多的關(guān)注。由于缺乏復(fù)雜材料結(jié)構(gòu)和屬性的解析求解方法，相關(guān)材料器件的建模和仿真主要依賴于采用離散化各種成分材料的空間構(gòu)型的數(shù)值方法。其中，時(shí)域有限差分方法(Finite-Difference?Time-Domain,FDTD)方法以其計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀、易于實(shí)現(xiàn)且單次仿真可以模擬寬頻的電磁響應(yīng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于分析復(fù)雜媒質(zhì)的電磁特性問(wèn)題。然而，傳統(tǒng)顯式FDTD方法受Courant–Friedrichs–Lewytime(CFL)條件的限制，即空間網(wǎng)格尺寸會(huì)嚴(yán)格限制時(shí)間步長(zhǎng)所允許取值的范圍，特別是對(duì)于一些需要精細(xì)網(wǎng)格剖分的色散媒質(zhì)結(jié)構(gòu)，時(shí)間步長(zhǎng)的取值范圍將會(huì)進(jìn)一步的縮減，這極大的影響了FDTD方法的數(shù)值計(jì)算效率。為了克服CFL條件的限制，一些無(wú)條件穩(wěn)定的FDTD方法，如ADI-FDTD，LOD-FDTD方法被提出來(lái)，并成功應(yīng)用于模擬電磁波與色散媒質(zhì)的相互作用過(guò)程。由于時(shí)間步長(zhǎng)不再受CLF條件的限制，在采用較大的時(shí)間步長(zhǎng)的情況下，無(wú)條件穩(wěn)定FDTD方法的仿真效率得以提高。LOD-FDTD方法的每一個(gè)子迭代步驟都可以有效的簡(jiǎn)化為局部的一維更新方程。因此，相較于ADI-FDTD方法，LOD-FDTD方法具有較高的計(jì)算效率。然而，這兩種方法仍包含復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算過(guò)程，特別是對(duì)于色散媒質(zhì)的仿真，需要添加更多的輔助變量和其他時(shí)刻的電磁分量來(lái)處理復(fù)雜的頻散介電函數(shù)，其計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜度將進(jìn)一步加大。最近，一種簡(jiǎn)單、有效的無(wú)條件穩(wěn)定的Fundamental?LOD-FDTD(FLOD-FDTD)方法被提出來(lái)用于數(shù)值離散麥克斯韋方程。雖然FLOD-FDTD方法與其他隱式方法(ADI-FDTD，LOD-FDTD)享有類似的數(shù)值特性，但該方法可實(shí)現(xiàn)右手邊矩陣算子自由matrix-operator-free?right-hand?side(RHS)。因此，計(jì)算復(fù)雜度相較于傳統(tǒng)隱式方法較低，具有較高的數(shù)值計(jì)算效率，同時(shí)也具有complying?divergence的特性。然而，據(jù)所知，該方法并沒(méi)有對(duì)色散媒質(zhì)的仿真研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于多級(jí)修正洛倫茲模型確定電磁波傳播特性的方法及系統(tǒng)，能夠高效、精確模擬復(fù)雜色散材料的電磁特性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于多級(jí)修正洛倫茲模型確定電磁波傳播特性的方法包括：

獲取電磁波的電通量密度、電極化和電場(chǎng)強(qiáng)度；

根據(jù)所述電通量密度、電極化和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的本構(gòu)關(guān)系采用輔助微分方程方法，得到電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式；

根據(jù)所述電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式制定高效的色散媒質(zhì)FLOD-FDTD方案，得到色散媒質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和電極化強(qiáng)度；

根據(jù)所述電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和電極化強(qiáng)度，得到多級(jí)修正洛倫茲模型；

將所述多級(jí)修正洛倫茲模型等效為不同色散模型，得到電磁波的傳播特性。

可選地，所述根據(jù)所述電通量密度、電極化和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的本構(gòu)關(guān)系采用輔助微分方程方法，得到電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式，具體包括：