考虑真空中,一无限大平面电流源:
其中$\delta(z)$为冲激函数。求解电磁场分布。
解析式
使用Fourier变换将时域转为频域:
其中$F(\omega)$是$\cos(\omega t + \phi)$的傅里叶变换对。
对无源区,有时谐电磁场波动方程:详见FDTD前期准备
可解得:
$\vec{E}^+(z) \exp(-\jmath kz)$是沿z轴正方向传播,反之反之。
由对称性不难得出:
由Maxwell方程中的:$\nabla \times \vec{H} - \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} = \vec{J}$,取一边长为a的正方形yoz
面。可得:
以后填坑,实在没明白时域频域互转。
解析解:
FDTD计算
在$z = 0$和$z = 500 \Delta t$边界采用一阶Mur近似吸收边界,区域中心为平面电流源
获取差分公式
对于该问题,真空中一维FTDT问题,为求解TEM波。则对于麦克斯韦旋度方程有:
元胞不含电流源
元胞不含电流源,且真空中无损耗,有:
差分有:
对应Fortran
代码:
1 | Ex(z,t) = ca * Ex(z, t - 1) - cb * ( Hy(z, t - 1) - Hy(z - 1, t - 1) ) |
求Hy也同理有:
对应Fortran
代码:
1 | Hy(z,t) = cp * Hy(z, t - 1) - cq * ( Ex(z + 1, t) - Ex(z, t) ) |
元胞包含电流源
假定在$z=k_s$处包含,且电流源附近是无耗介质。因为该电流源不是磁电流源,则只需改变$- \frac{\partial H_y}{\partial z} = \epsilon_0 \frac{\partial E_x}{\partial t}$
原始的微分形式为:
这里把右边最后一项拆解为:
即一是:外部强加电流,二是:服从欧姆定律的传导电流。
电流源附近是无耗介质,则:
对于该问题而言,面电流密度:
代入有:
对应Fortran
代码:
1 | Ex(z,t) = ca * Ex(z, t - 1) - cb * ( Hy(z, t - 1) - Hy(z - 1, t - 1) ) - cb * current_source( (t + 0.5) * delta_t ) |
截断边界
一维Mur吸收边界的解析式:
左边界:
要计算的是Ex,因为Hy的计算不涉及边界外的节点
取观察点为:$E_x^{n+1/2}(1/2)$
对应Fortran
代码:
1 | Ex(0, t) = Ex(1, t - 1) + alpha * ( Ex(1, t) - Ex(0, t - 1) ) |
右边界:
要计算的是Ex,右边界的YEE元胞的Hy分量无需计算
同理有:
对应Fortran
代码:
1 | Ex(end, t) = Ex(end - 1, t - 1) + alpha * ( Ex(end - 1, t) - Ex(end, t - 1) ) |
编程求解
代码
1 | program one_dimensional_FDTD_radiation_field |