FDTD算法及其在PBG微带传输结构中的应用

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该文主要以此为切入点探讨了用时域有限差分法(FDTD)对PBG微带传输线进行分析.其中主要仿真了PBG结构的改变和金属屏蔽层对其带阻特性的影响,分析了最优的PBG结构和金属屏蔽层的设置方法,同时探讨了一种改进的PML(理想匹配层)吸收边界条件和两种场量可视化的方法.FDTD方法中吸收边界的选择和设置对计算效率和结果的精度都有极大的影响,是FDTD方法中的重点和难点.该文研究了常见的Mur二阶和Gedney的各向异性PML吸收边界条件,并在Gedney的各向异性PML吸收边界算法的基础上提出了改进的PML吸收算法.改进后的算法具有结构紧凑、思路简洁和反射系数较原算法小两个数量级的优点.此外,在FDTD程序中将场量信息进行实时可视化不仅有利于程序编制者在开发时快速定位编程中的错误,而且能促进理解复杂的电磁现象背后的深刻规律,所以该文研究了两种实时可视化方法.采用MATLAB软件接口进行绘图的方法虽然实现简单,但计算效率较差;而直接使用Visual Fortran中Quick Win模式下的写屏技术,不但计算效率高,而且程序互动性好,是一种值得推广的可视化技术.最后,用FDTD方法模拟了包含集中元件的多种PBG微带结构,并通过高斯脉冲激励和傅立叶变换的方法提取了两端口的S参数.讨论了PBG结构的改变(如PBG结构的维数、蚀刻孔的形状、蚀刻孔的大小、周期结构的间距、周期结构的数目等),以及金属屏蔽层的位置对其带阻特性的影响.模拟结果表明:PBG结构的周期个数设置为7~9个比较合适,PBG结构的尺寸a和r满足r/a=1/4时阻带的深度和宽度比较理想;金属屏蔽层对PBG微带结构S参数的改变是由金属屏蔽层对整个系统的辐射损耗的影响造成的,过近的金属屏蔽层会引起整个频带向高端的偏移.该论文还分析了最优化的PBG设置方法,该设置方法对PBG微带结构的实际应用具有重要的指导意义.计算结果与文献结果吻合,说明FDTD模拟分析PBG微带传输结构的可行性和有效性.
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