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[博士论文] 梁晓庆
凝聚态物理 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:团簇是介于原子、分子和宏观物质之间的过渡态,对其物理化学性质随尺寸变化的研究,将有助于深入理解宏观物质的性质。团簇研究是许多科学领域的热点,包括物理、化学、材料科学、能源和环境科学、生命科学等;同时团簇作为重要的纳米材料和器件的构造单元,受到越来越多的关注。为了深入理解团簇的性质,首先要获得团簇的基态结构并了解其随尺寸的演变规律。然而实验上很难测定团簇的几何构型,只能通过一些特征谱进行表征,如质谱,光电子能谱以及红外光谱等。同时理论上获得团簇的基态结构也是个相当复杂的过程,这是因为确定团簇的基态结构需要对其复杂的势能面进行全局搜索,因此,实现高效而精确的结构搜索,是非常具有挑战性的。本论文采用自主开发的综合性遗传算法(Comprehensive Genetic Algorithm,CGA)结合密度泛函理论,分别对三种团簇结构进行了全局搜索,包括3d过渡金属掺杂锗团簇(Fe2Gen-/0和Cr2Gen-),5d过渡金属铱单质团簇(Irn),轻质原子(X=C,Si,N,P,O,S,F,Cl,Br,I)掺杂铱的二聚体团簇(Ir2X)。对这些团簇的结构演变,电子性质以及磁性进行了研究,发现其在电子自旋器件和磁信息存储装置方面具有潜在的应用价值。
  锗作为一种半导体元素,在微电子工业的某些领域中可以作为硅的替代物,因此受到广泛的关注。将过渡金属原子掺杂到半导体团簇中可以在非磁性纳米团簇中引入磁性。本文第三章采用遗传算法结合密度泛函理论,确定了Fe2GGen-/0(n=3-12)和Cr2Gen-(n=3-14)团簇的基态结构,并发现两种掺杂体系具有相似的结构生长模式,即n≥9时形成以一个过渡金属原子为中心的多面体笼状结构,同时两个过渡金属原子之间键合较强。此外,Fe2Gen团簇中两个Fe原子均呈铁磁相互作用,而几乎所有Cr2Gen-团簇的两个Cr原子之间呈反铁磁相互作用。对其磁性的差异与电荷转移间的关系做了进一步分析,结果表明,可以通过改变掺杂原子数量以及种类来调控半导体团簇的磁性。
  磁性团簇中小部分体系具有磁各向异性,基于上述对团簇磁性的研究和理解,选取了具有较大自旋轨道耦合作用的5d过渡金属Ir,对其单质团簇磁各向异性随尺寸的变化展开研究。Ir作为后5d过渡金属元素,已有研究发现其二聚体具有相对较高的磁各向异性能,但是其磁各向异性能随尺寸的变化仍然未知。第四章采用高精度的第一性原理计算,研究了小尺寸团簇Irn(n=2-6)的自旋轨道耦合效应对其结构稳定性和磁性的影响。通过对各团簇尺寸下基态结构的磁各向异性能的计算,发现Irn团簇随尺寸的增加,其磁各向异性能由40meV降为3meV,表明重原子的磁各向异性与团簇尺寸密切相关,小尺寸过渡金属团簇更倾向具有大的磁各向异性能。随着科技的发展,具有大磁各向异性能的团簇将有望成为磁信息存储器件的构造单元,该研究对于未来磁各向异性的研究有重要的指导作用。
  基于对Ir单质团簇的研究及结果,因Ir2具有较大的磁各向异性能,我们提出了一种直接有效的调控Ir2团簇磁各向异性能的方法。在第五章,我们将一个轻质原子(X)包括碳族、氮族、氧族和卤素原子掺杂到Ir2中,对Ir2的磁各向异性进行调控。研究发现卤素原子掺杂团簇Ir2X的磁各向异性能是目前在纳米团簇和分子磁体领域预测的最大值。通过二阶微扰理论对磁各向异性能的产生机制进行了深入的分析,并发现其调控机制源于卤素原子与Ir原子之间的强化学键的作用,使得Ir2的分子轨道发生了改变,即能级的移动使磁各向异性能发生了变化。这种调控策略为设计磁各向异性纳米结构提供了有效的方法。
  本论文为深入理解磁性团簇的结构演变,电子性质和磁性特征提供了理论指导。更重要的是在构造新奇团簇方面的研究有了重大的发现。文中所提出的磁各向异性的调控方法将对未来理论设计和实验合成具有巨磁各向异性能的纳米结构提供帮助。
[博士论文] 毛云龙
信息与通信工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法是一种高效的计算电磁学方法,具有简单、直观的特点,被广泛应用于解决宽频带、复杂结构以及复杂电磁环境等电磁问题。在FDTD方法中应用合适的边界条件可以有效提高计算效率。FDTD方法的边界条件主要分为两大类:不同媒质间的边界条件和截断计算区域的边界条件,不同媒质间的边界主要是表面阻抗边界条件(Surface Impedance Boundary Condition,SIBC),截断计算区域的边界主要是各种吸收边界条件。研究发现,SIBC存在多区域划分预处理导致计算复杂的问题,而各种吸收边界存在内存占用大,计算复杂的问题。
  针对上述问题,本文对边界条件进行了深入研究,提出了一种高效的用于不同媒质的边界条件和两种高效的吸收边界条件。主要工作及创新点概括如下:
  (1)针对SIBC多区域划分预处理导致计算复杂的问题,提出了后置理想电导体(Perfect Electric Conductor,PEC)的表面阻抗边界条件(PEC-SIBC),将不同媒质交界面上的电场分量用磁场分量描述,再作为等效磁流源引入到FDTD更新方程中,利用PEC替换介质,保证了场的连续性,实现了PEC-SIBC和FDTD的更新方程统一。通过多个仿真实验验证了PEC-SIBC的有效性,分析了实现复杂度。研究表明,与SIBC相比,PEC-SIBC的计算精度更高,并且不需要多区域划分的预处理,提高了FDTD的计算效率,实现更加简单、方便,应用范围更广。
  (2)针对吸收边界条件内存占用多、计算复杂的问题,提出了表面阻抗吸收边界条件(Surface Impedance Absorbing Boundary Condition,SIABC),实现了自由空间的外延。理论推导了SIABC的更新方程,得到了和FDTD更新方程具有相同形式的数学表达式,因此不需要引入新的方程,仅通过修改截断边界上场的更新方程系数就能引入SIABC,具有计算简单、实现方便的特点。通过四个三维仿真实验比较了SIABC和卷积完美匹配层(CPML)吸收边界条件的吸波特性,分析比较了不同吸收边界对内存的占用。结果表明,SIABC与CPML具有相比拟的吸波特性,但SIABC作为吸收边界消耗内存更少,计算效率更高。
  (3)针对大区域仿真计算使用内存多的问题,提出了非均匀网格表面阻抗吸收边界条件(Non-uniform SIABC),利用渐变网格技术增大了SIABC与散射体之间空气层的网格尺寸,减少了空气层占用的网格数。理论推导了Non-uniform SIABC的更新方程,给出了稳定性条件;对非均匀网格的非物理性反射现象的理论分析解释了导致数值色散增大的原因。通过三个三维仿真实验,比较了Non-uniform SIABC、SIABC以及CPML的吸波特性,分析了它们对内存的占用。研究表明,非均匀网格技术虽然稍微影响了Non-uniform SIABC的吸波特性,但同时也减少了网格总数,缩短了仿真时间,提高了计算效率。以Non-uniform SIABC作为吸收边界需要综合精度和效率,谨慎地进行非均匀网格划分。
[硕士论文] 张禹斐
物理学 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:电子回旋脉塞(ECM)是一种基于电子回旋谐振受激辐射,从而实现电磁波放大的高功率微波放大原理。ECM设备在毫米和亚毫米波的电磁频谱领域已有很多应用,如:聚变等离子体加热、先进的雷达、工业加工、材料特性、粒子加速、跟踪空间目标。虽然ECM具有广泛的应用前景,但同时也面临着自己的问题,如能量转换效率太低,器件体积太大等问题。本文在大信号近似下,对于基于反常多普勒效应的慢波ECM,提出一种可以大幅提高其能量转换效率的方案。通过引入渐变引导磁场和渐变折射率介质,可以将电子与电磁场之间的共振维持更长的时间,从而达到更高的能量转换效率。数值计算表明,渐变引导磁场和渐变折射率的同时调制要比其中任一单独调制对效率的增幅要高,可以在更短时间内达到更高效率。此外,该方案在太赫兹波段和电子注轴向速度离散的情况下对能量转换效率也有很大的提高。
[硕士论文] 包然
电子科学与技术;电磁场与微波技术 安徽大学 2018(学位年度)
摘要:矩量法(Method of Moments,MoM)以其计算精度高而被广泛应用于粗糙面电磁散射的数值仿真中,然而每次只能计算单一频率入射下的电磁散射,对粗糙面宽带电磁散射的数值计算,导致因每个频点重复计算的耗时性缺点。本文在MoM的基础上引入渐近波形估计(Asymptotic Waveform Evaluation,AWE)技术和梅利(Maehly)技术分别研究了粗糙面及其与目标复合模型的宽带电磁散射特性。首先采用AWE技术研究了二维理想导体(Perfectly Electric Conductor,PEC)粗糙面的宽带电磁散射,然后引入Maehly技术,精确快速地仿真了二维粗糙面及其与目标复合模型的宽带电磁散射,最后将Maehly技术应用到三维粗糙面宽带电磁散射的仿真研究中。主要工作如下:
  1、介绍了矩量法(Method of Moments,MoM)和二维粗糙面建模的基本原理和基本知识,并给出了基于MoM的二维粗糙面及其与目标复合模型电磁散射的积分方程推导和矩阵方程建立的详细过程。
  2、介绍了渐近波形估计(Asymptotic Waveform Evaluation,AWE)技术的基本原理,并将其应用于二维PEC粗糙面宽带电磁散射的仿真研究中,另针对单个采样频点精度有限的缺点引入了复频率跳跃技术(Complex Frequency Hopping,CFH),并讨论了粗糙面的均方根高度、相关长度及入射角对宽带电磁散射特性的影响。
  3、为克服AWE在远离采样频点区域精度有限、计算复杂度较大的缺点,将Maehly技术引入到二维介质粗糙面宽带电磁散射的仿真研究中。同时,通过与MoM每个频点重复计算结果的对比验证了其精确性和有效性。并进一步地将其推广应用到二维介质粗糙面与上方目标复合模型的宽带电磁散射中。
  4、介绍了三维电磁散射的矢量电场积分方程原理和三维粗糙面建模的基本知识,并给出了三维锥形波的表达式。将Maehly技术扩展应用到三维粗糙面宽带电磁散射的快速仿真研究中,并对比了Maehly阶数对仿真精度的影响。
[博士论文] 黄晓俊
无线电物理 华中师范大学 2018(学位年度)
摘要:超材料作为一种人工合成的结构材料,具有很多自然界材料所不具备的奇特的性质。在过去的十几年中,超材料的应用涉及多个领域,例如增强天线性能、电磁隐身、频率选择、光束聚焦等。极化是电磁波的一个重要特征,传统的极化调控装置可以利用波片来实现,例如,结晶固体和液晶等,这些材料具有很强的双折射特性和较大的相位延迟。在微波频带中,通常采用铁氧体和多层光栅来实现电磁波的极化调控,但是这些材料存在厚度较厚和工作频带较窄等缺点,不能集成到微型光学系统中。随着超材料研究的日益深入,电磁波的极化调控可以通过各向异性或手性超材料实现,为调控电磁波极化状态提供了一种全新的技术途径。
  本文以超材料对电磁波极化特性的调控为研究内容,开展了微波段和可见光波段的反射型和透射型极化调控超材料的模型设计,优化仿真以及实验验证等一系列工作,设计出了宽带、高效的线极化波和圆极化波的极化调控超材料结构,详细分析讨论了产生极化调控的物理机理。本文的主要研究内容如下:
  (1)提出了一种的“一”字型结构反射极化调控超材料。首先,所设计的超材料结构可以实现高效宽频带的线极化波的反射调控。数值仿真结果显示所设计的超材料能够在8.16-15.32GHz内将入射的水平极化或垂直极化波反射后分别转换成其正交极化波,极化转换率效率和相对带宽分别超过了95%和60%。另外,所设计的“一”字型结构超材料还能实现圆极化电磁波的极化调控,能够将入射的圆极化电磁波以相同的旋向反射。仿真和实验结果表明所设计的超材料在8.16-15.32 GHz的极化转换率超过90%,偏振消光比大于15dB。这种“一”字型结构极化调控超材料在电磁隐身、天线、传感器等领域具有广泛的应用。由于设计的极化转换器结构简单,易于集成在小型系统中,同时在太赫兹和可见光频段都有着广泛的应用。
  (2)设计了组合双频带极化调控超材料,可以同时实现对线极化波和圆极化波的极化调控。一方面,所设计的超材料结构能够在4.40-5.30 GHz和9.45-13.60 GHz两个宽频带内将线性极化波转换成其正交极化波;另一方面,这种结构还可以在4.47-5.35 GHz和9.57-13.57 GHz两个频带范围内使反射圆极化波不改变其旋向。实验结果表明,在两种情况下的平均极化转换效率均大于86%。通过表面电流分布分析得到双宽带的正交极化耦合是由内、外矩形之间的强磁偶极子的相互作用而产生的。所设计的这种超薄极化调控超材料结构,为今后设计其他双波段超材料器件提供了一个重要的手段,这种设计还可以扩展到更高的频率。
  (3)提出了基于经典开缝环的反射型和透射型极化调控超材料模型,通过仿真优化实现了对不同频点的反射波和透射波的同时调控;其次;还对超材料结构在大角度斜入射情况下的极化特性进行了分析讨论。仿真结果表明,在某些特定频率下,x和y极化入射波在垂直入射时的反射波和透射波的极化转换率超过90%,此外,设计的超材料结构对x和y极化波在大角度入射时具有良好的耐受性。通过微波实验对仿真数据进行了验证,实验结果与仿真结果一致。所提出的这种超材料结构在设计极化波控制和选择性传输中具有重要的应用价值,同时,良好的大角度入射的耐受性在实际应用领域具有很大的潜力。
  (4)设计了一个三层双各向异性超材料结构来实现超宽带线极化波的正交极化调控,同时还实现了电磁波的非对称传输。仿真和实验结果表明,所设计的超材料结构能够在5.8-11.8GHz的频率范围内将线极化波转换为其正交极化波,并且极化转换率接近90%,对应的半功率带宽大于68%。此外,这种结构还可以实现线性极化波的正向和反向传播的非对称传输。与之前的设计相比,所设计的这种三层超材料结构具有结构简单,工作频带宽等优良特性。最后,利用表面电流分布分析了极化转换的物理机制,并对几何参数对极化转换性能的影响进行了详细讨论。
  (5)设计了高效宽带的可见光波段的偏振调控超材料来实现对线偏振光和圆偏振光的偏振状态的调控。所设计的超材料结构能够在400-800nm范围内实现圆极化波的极化转换,而且转换率在达到了90%,实验结果和仿真结果基本吻合,对实验结果和仿真结果之间所出现的误差做了详细地分析和讨论。另外,利用相位梯度超表面实现了圆极化波的奇异反射,奇异反射的反射角与广义Snell定律计算的结果相吻合。
  本文通过几何建模,优化设计和实验验证,研究了反射型和透射型极化调控超材料的极化调控特性,并对产生极化转换的物理机理进行了详细的分析,为设计宽带、高效和多种极化模式的极化调控超材料具有重要的指导意义。所设计的极化转换超材料可以在雷达技术、天线技术中起到调控电磁波的极化状态的作用,还可以实现利用电磁波极化状态的传感,探测与显示等功能。
[硕士论文] 丁亚辉
电子科学与技术;电磁场与微波技术 安徽大学 2018(学位年度)
摘要:进入21世纪以来,随着电磁设备在人们生活中的深入应用,对电磁波的研究已经成为一个重要的研究方向。在现代的科学研究中,科学实验、理论分析和高性能计算这三种方法是对各种问题的主要研究手段,而专门针对电磁学的数值方法——计算电磁学也成为解决复杂电磁场和微波问题的有效方法。例如在获取目标电磁散射特性时,可以用实际测量的方法来获取,但是这需要理想的测试环境、价格不菲的设备、可靠的测试方法等,这些要求不仅费时费力,有时还无法满足。而通过数值方法来获得所需要的电磁散射特性就显得较为容易。但是,数值方法也不是尽善尽美的,在处理复杂的电大尺寸问题时,数值方法求解需要大量的时间,所以对现有数值方法的研究和改进已成为计算电磁学的关键目标之一。如何获得稳定高效的数值方法不仅具有理论指导上的意义,更具有实际应用的价值。
  在这些数值方法中,矩量法是实践中经常使用的方法之一,然而由于矩量法形成的矩阵方程是满阵,直接进行求解的计算复杂度比较高,在求解电大尺寸问题时会耗费大量的时间。本文在这样的背景下,对压缩感知加速矩量法求解的方法进行研究,并将其应用到导体的电磁散射特性的求解中,提高了矩量法的计算效率。
  本文首先阐述了矩量法和压缩感知的基础理论,包含电场积分方程的建立、矩量法的原理、基函数和权函数、压缩感知的理论框架、稀疏基、观测矩阵和恢复算法。其次对压缩感知方法在二维导体矩量法中的应用进行了研究,对不同的稀疏基、恢复算法对恢复效果的影响进行了探讨。然后分析了该方法为什么难以应用在三维导体矩量法中,并对此问题作出改进,通过计算特征基函数作为稀疏基,成功地将此方法应用在三维导体矩量法中。数值计算结果验证了这种方法的可靠性和高效性。最后分析和总结这种方法,并预测未来有可能发展的方向。
[硕士论文] 罗圻林
物理学 浙江师范大学 2018(学位年度)
摘要:电磁超介质是一种由亚波长共振单元构成的人工复合材料,它具有传统材料所不具备的很多奇特物理特性和应用,比如亚波长电磁波导、隐身斗篷、完美透镜、负折射和零折射材料等,因此电磁超材料与传统材料相比具有巨大的发展优势,其在信息通信、电磁波雷达、医学研究和国防科技等众多领域的应用将具有非常巨大的研究价值。同时为了进一步拓展其应用领域,通过一定参数进行灵活调控的电磁超介质也已经成为一个研究热点,比如通过温度、电压和磁场等参数对其物理特性进行灵活调控。本文研究的是在微波波段范围内,电磁波在磁性电磁超介质中通过磁场调控的传输特性,其中主要研究的是铁氧体柱子的磁性特性、零折射电磁超介质中的电磁波传输特性,以及电磁波在梯度折射率磁性电磁超介质中的传输特性。此论文由五个章节内容组成,第一章主要介绍的是电磁超介质和电磁超表面的基本物理概念、及其独特的物理特性和发展应用。
  第二章介绍的是研究体系的理论方法,研究结构是由理论上无限长的各向异性磁性铁氧体柱子组成,由于本研究体系中电磁波的波长大约等于结构品格常数的9倍,满足长波近似条件,所以体系中的磁性电磁超介质可近似为均匀介质,然后通过等效介质理论就可获得体系的等效介电常数和等效磁导率,以及等效折射率。此外,通过Mie散射理论和多重散射理论还可以计算出单根和多根磁性铁氧体柱子的散射系数,从而获得空间中任意位置的电场和磁场,进而计算出空间中任意位置的坡印廷矢量。
  第三章主要探究了电磁波在零折射磁性异质结电磁超介质中的可调控非对称传输特性,而研究内容则是由磁性铁氧体柱子构成的具有灵活磁性调控特性的磁性体系,其中一部分为零折射率结构,另外一部分为非零折射率结构,此时从结构一侧垂直入射电磁波发生单向透射现象。此外,由于磁性铁氧体柱子具有灵活的磁性调控特性,因此通过外加磁场就能改变体系的等效介电常数和等效磁导率,从而实现对其等效折射率的灵活调控。基于此,通过改变外加磁场就能使得非零折射介质变为零折射介质,零折射介质变为非零折射介质,此时从结构另一侧垂直入射电磁波发生与前者方向相反的单向透射现象,由此通过改变磁场就能实现可调控的电磁波非对称传输。
  受到梯度电磁超表面的启发,第四章主要探究了在梯度折射率磁性电磁超介质平板结构中的电磁波传输特性。在本研究体系中,对于一定的外加磁场范围,体系的外加磁场和等效折射率呈线性关系,所以通过设置均匀变化的外加磁场就可以在空间结构上引入梯度变化的折射率分布,使得传输电磁波在折射率梯度方向上产生相位补偿,从而对其传输相位进行控制,由此只需要改变外加磁场梯度就可以实现可调控的电磁波传输。
  论文的最后一章则是对硕士期间的主要研究内容进行总结陈述,同时对利用梯度折射率磁性电磁超介质实现电磁波的可调控非对称传输进行可能性展望。
[硕士论文] 吴华兵
物理学 浙江师范大学 2018(学位年度)
摘要:传统光学器件通常基于光的反射、折射以及衍射,同时改变自身的厚薄程度来改变光程,以实现相位控制。累积光程的多少通常与器件的厚薄程度成正比。所以,传统光学器件自身的尺寸是工作波长的数百倍。因此,设计一种能够灵活调控电磁波的新型超薄平面光学材料具有重要的意义。本文中,我们设计了一个由磁性特异电磁介质构成的超表面结构,通过改变体系的外加磁场和超表面上的梯度可以实现电磁波的非互易传输。第一章,我们介绍了超表面产生的背景和超表面的概念,同时简要介绍了超表面的相关特性和超表面的一些应用。最后,给出了本文的主要研究内容和基本框架。
  在第二章中,我们介绍了一些关于电磁波非互易传输的历史文献。利用梯度光子晶体可以实现电磁波的非互易传输。利用特异介质和异质结构的特异电磁介质也可以实现电磁波的非互易传输。此外,还简单介绍了一些利用传统材料结构实现电磁波非互易传输的方法。
  第三章,我们介绍了本文所采用的理论方法。考虑到我们研究的对象是由单晶钇铁石榴石构成的二维圆柱形磁性特异电磁介质,首先我们利用圆柱矢量波函数展开入射波和散射波,然后利用Mie散射理论推导出单个铁氧体柱的散射系数,之后利用多重散射理论,通过计算光子色散曲线和场模式分布得到电磁超表面的散射特性。最后,根据上述理论,我们得到并分析了各种电磁超表面的古斯-汉欣位移情况。
  在第四章中,我们给出了一个利用磁性电磁超表面实现电磁波的非互易传输的方法。我们从能带结构角度出发分析了非互易现象出现的物理机理。利用电磁超表面的磁响应特性,可以通过改变体系的外加磁场和引入梯度型超表面实现电磁波的非互易传输。由于时间反演对称性破坏,高斯光束从一侧入射出现明显的古斯-汉欣位移,而从对称的另一侧入射古斯-汉欣位移消失。这体现了古斯-汉森位移的非互易特性,这种非互易特性是由磁性特异电磁介质的磁导率张量引起的。最后,我们利用磁性电磁超表面的特性设计了一个单向波导器件。
  在最后一章中,我们总结了本文的研究成果,并展望了磁性电磁超表面后续的研究工作和应用前景。
[硕士论文] 王平稳
光学工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:磁场测量技术一直以来都是科学研究的热点问题,在矿产资源探测、地质灾害预警、生物医学成像和基础物理研究等领域有着非常广泛的应用。近些年,随着磁场测量技术的不断发展,出现了一些灵敏度非常高的磁场测量装置,例如超导量子干涉磁力仪,光学原子磁力仪,以及医学上常用的核磁共振成像诊断设备。而基于共振光学的原子磁力仪的发展相对比较晚,但是作为具有极大发展潜力的磁场测量技术,正在得到越来越多的关注和研究。本文就是用圆偏振光泵浦极化铯原子介质,被极化后的介质的光学吸收系数发生了改变,根据Hanle效应可知,当介质暴露于磁场中的时候,被极化的状态将会遭到破坏,就会向外辐射出一定强度的荧光。荧光的强度和磁场强度满足一定的代数关系模型,表现为在B=0处的窄共振结构,在此基础上就能由接收的荧光的强度通过对应的计算,就可以实现磁场的测量和成像。
  在该实验中,用加有缓冲气体(8mbar Ar和45mbar Ne)的铯原子气室作为磁传感器,其中缓冲气体可以有效的限制气室中的铯原子移动,使得其极化成原子阵列。使用均匀的扫描磁场,选择性破坏处于待测磁场中介质的极化状态,待测磁场是由通电线圈产生,在一定的程度上可以被等效为磁偶极子,利用电荷耦合器件(CCD)介质层辐射的荧光图案,由此可以获得磁场的分布,从而获得所测的磁场的图像。静磁场中的反问题求解是研究的难点,高精度和高空间分辨率的磁场测量成像技术,有望为静磁场中的反问题的求解带来有力的帮助,本文通过对实验测量数据对磁源的位置进行了反演求解,通过对所求结果的分析,计算出反演的精度为0.64mm。
  本文最终对利用Hanle效应的磁矩成像系统空间分辨率进行了分析评估,通过对实验结果的分析表明,成像分辨率和磁场梯度有关,当靠近磁源附近时该成像系统具有0.96mm的空间分辨率,以及从极化原子的平均自由程来分析,该系统具有9.5μm的极限的空间分辨率,其展现出了非常优异的空间成像解析能力,表明了其具有非常大的研究价值和应用前景。
[硕士论文] 祝妍妍
电子科学与技术;电磁场与微波技术 安徽大学 2018(学位年度)
摘要:目前,矩量法(Method of Moments,MoM)是分析电磁散射问题中最主要的方法之一,因其计算结果的准确性而被广泛应用。作为积分方程方法的代表,矩量法在计算宽角度入射问题时对每一个入射角度都需要分别反复迭代运算,最近提出的压缩感知(Compressed Sensing,CS)结合构建新型入射角度的宽角度方法,虽然较传统的宽角度方法在计算效率上有明显的优势,但是仍然存在稠密阻抗矩阵的存储和运算问题。本文提出双边稀疏变换,形成双压缩感知的快速求解电磁散射问题的模型,新方法两次利用恢复算法,最终重构出感应电流,通过理论分析和实验验证,表明新方法不仅可以减少存储量,而且降低了计算复杂度。论文的主要工作有:
  首先,对矩量法的理论框架进行研究,并应用到二维的导体和介质体的积分方程中。研究了压缩感知的理论框架和稀疏表示、观测矩阵和恢复算法等关键技术,并实现了正交匹配追踪算法(OMP)。
  其次,建立压缩感知结合矩量法的快速求解模型,把激励矩阵与对应的阻抗矩阵进行稀疏变换,通过设置合理阈值,构建欠定方程,由恢复算法重构出感应电流,并通过数值算例验证了该方法的有效性。
  再次,针对旋转对称目标电磁散射特性分析,提出非对称小波变换的旋转对称高阶矩量法,较传统矩量法在计算效率上有明显优势,为后续工作奠定基础。同时,通过离散小波变换的稀疏,对应抽取稀疏后激励向量和阻抗矩阵的行,形成欠定方程,形成了旋转对称目标电磁散射特性的快速分析方法。
  最后,在压缩感知框架下提出了双边稀疏变换的新方法,在构建一种含有丰富入射角度的新型电磁场激励基础上,形成双压缩感知的模型快速求解电磁散射问题。新方法较单一稀疏变换的CS方法和传统MOM在运算过程中减少了内存占用量,降低计算复杂度,提高了运算时间,通过实验验证了新方法的可行性。
[博士论文] 李杰
物理学;凝聚态物理 东南大学 2017(学位年度)
摘要:经典的电磁多极展开式可以分解为电多极和磁多极两大类,主要包括偶极、四极和八极等等。然而,事实证明,该理论并不完整。于是,在1957年,为了解释原子和核物理中弱相互作用的宇称破缺问题,Zel'dovich教授首次提出了一个新的物理概念:磁环偶极矩(toroidal dipole moment),这一概念的提出,不仅解决了之前许多电磁学领域难以解释的问题,也使得电磁理论更加完善。磁环偶极矩是电流在一个甜甜圈式的圆环面上沿中线流动而产生的,磁场呈现首尾相接的涡旋分布,极大地增强了近场局域。但是,相较于经典的电磁多极,磁环偶极矩与自由空间的耦合很微弱,致使人们很难观测到它。因此,随着环形特异介质的出现,将磁环偶极矩与特异介质结合起来,抑制经典电磁多极共振的同时极大地增强了磁环偶极共振。近几年,环形特异介质这一有趣的课题吸引了越来越广泛的关注。在本论文中,基于前人研究的基础上,我们进一步深入探讨了磁环偶极矩的光学特性以及其引起的一些新的光学效应,整个思路框架如下:
  第一章,阐述了研究背景。首先,环形矩的提出、产生机制与光学特性;然后,环形特异介质的提出以及近些年来的发展过程。
  第二章,简单阐述了相关的理论基础以及计算方法。首先,色散理论:Drude模型和Lorentz模型;其次,电磁场数值分析方法:有限元法和时域有限差分法;电磁仿真软件:CST Microwave Studio和HFSS。
  第三章,探讨了有孔金属圆盘特异结构中几何参数以及电磁波入射角度对磁环偶极共振的影响,并利用LC电路模型进行分析。
  第四章,通过磁环偶极共振来操控偶极激发源的远场辐射并探讨了其耦合机制,促进了光与物质相互作用等方面的发展。
  第五章,将增益材料嵌入到有孔金属圆盘特异结构中,研究增益材料对偶极激发源超辐射强度的影响,在操控光与物质相互作用方面将有所应用。
  第六章,通过磁环偶极共振与电偶极共振相互耦合,产生了类电磁诱导透明现象;通过调节几何参数,两者的不对称耦合则会产生双带的类电磁诱导透明现象。在传感应用方面,提供了新的实现途径。
  第七章,为了避免金属的欧姆损耗,提出了具有高介电常数的钽酸锂介质微管,研究几何参数对磁环偶极共振频率、场热点(Hotspot)以及品质因数的影响,并探讨了其产生的物理机制。
  第八章,提出深度不对称金属圆槽特异结构,实现了电磁波正入射下的磁环偶极共振,讨论了其产生物理机制;着重讨论了由磁环偶极共振引起的场热点和完美吸收光学效应。
  第九章,全文总结及展望。
[博士论文] 梅晓蔚
计算机科学与技术 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:电磁仿真计算在大量实际工程问题中有着多样化的应用,例如目标识别与隐身技术、天线分析与设计、无线通讯与信号传播仿真等,如何寻找快速而准确的求解方法一直就是研究人员关注的主题。本文基于高频近似算法弹跳射线法(SBR,Shooting and Bouncing Ray),针对不同的计算目标,提出并实现了高效可行的求解方法和算法框架,扩大了弹跳射线法在实际问题中的综合应用范围。以SBR算法及其演进的自适应分裂光束跟踪(MADBT,Modified Adaptive Division Beam Tracing)算法为主导,对高低频混合算法SBR-MoM(Shooting and Bouncing Ray and the Method of Moments)分析复杂目标散射、高低频混合算法MLFMA-MADBT(Multilevel Fast Multipole Algorithm and Modified Adaptive Division Beam Tracing)分析复杂大平台上天线辐射、复杂室内场景信号覆盖仿真以及大型城市场景电磁信号覆盖仿真应用等四个问题都进行了深入研究,并给出了高效准确的求解方案。
  首先,本文提出了一种基于射线的高低频混合算法SBR-MoM,来计算包含电小结构的复杂电大目标的电磁散射特性。将需要精细剖分的电小结构部分划分为MoM区域,结构平滑的大平台区域归为SBR区域,提出了一种更为高效且易于实现的耦合交互机制。对于MoM区域,考虑来自SBR区域反射场或近区散射场的贡献,对于SBR区域,考虑了来自MoM区域多次反射场的耦合交互作用。该混合算法SBR-MoM充分结合了两种算法各自的优势,高效准确,特别适合用于计算含有细小结构的复杂电大目标的电磁散射。
  其次,本文提出了一种新的迭代高低频混合算法MLFMA-MADBT,可以快速准确地分析复杂电大平台上天线辐射。通过调用快速远场近似(FAFFA,Fast Far Field Approximation)和利用MLFMA算法具备的八叉树结构特性,可将MLFMA区域等效为位于该区域立方体包围盒中心点处点源。由MLFMA区域的等效点源构建生成初始源光束,将其投射到BT(Beam Tracing)区域,再调用改进的自适应分裂光束跟踪算法MADBT,追踪光束与区域面片相交过程,获取有效相交光束并计算其对远场的贡献。在计算含有多次反射的平台目标时,应用MADBT算法可以准确直接地求解到平台上的多次反射场,相较于MLFMA-PO(Multilevel Fast Multipole Algorithm and Physical Optics)算法能够获取更高的精度。而且MADBT算法是基于光束的,相对于基于电流的PO算法而言,可以避免大量繁杂的矩阵向量乘积操作,同时可以节省大量用来存储矩阵元素的内存消耗。当MLFMA-MADBT算法分析计算光滑的平台或者包含有曲面结构的复杂平台时,MADBT算法中光束追踪过程仅和目标平台的几何结构相关,即与平台面片剖分精度无关(mesh-independent)。MLFMA-MADBT混合算法在求解复杂大平台上天线辐射时,相较于通用的MLFMA-PO算法来说,不仅在内存消耗方面有着绝对的优势,而且在计算精度和效率方面也表现突出。
  此外,本文给出了基于kd-tree加速的射线跟踪混合传播模型RL-Image(射线发射法Ray Launching和镜像法Image)技术在复杂室内场景中的信号覆盖仿真应用与实现。将发射源视为点源,从发射源向仿真场景发射采样源射线;在设定的交互次数(反射、透射)限制内,使用射线发射法(RL,Ray Launching)寻找所有潜在的可能传播路径,再使用镜像法(Image)找出真正有效的信号传播路径。所有路径确定后便可使用几何光学法(GO,Geometry Optics)、一致绕射理论(UTD,Uniform Theory of Diffraction)等电磁波传播理论公式跟踪该路径迭代计算得到最终传播到达接收点处的信号强度。本文算法主要基于混合传播模型RL-Image,充分发挥两者的优势,高效性和精确性。同时借助kd-tree空间加速结构算法来加速射线跟踪的核心运算,使得整体计算时间代价大大减少。
  最后,本文研究了基于改进的自适应分裂的光束跟踪算法MADBT在大型复杂城市场景中的信号覆盖仿真预测。将发射源视为点源构建初始源光束;在设定的交互次数(反射、透射、绕射等)限制内,对点源发出的每个源光束使用MADBT算法进行追踪,获取所有可能的光束传播路径,所有合法路径确定后再使用基于电磁波传播理论几何光学法(GO)、一致绕射理论(UTD)等公式计算接收点处的信号强度。首先,由于光束的空间全覆盖特性,克服了射线跟踪存在的采样误差、路径重复或遗失等精度损失问题,以及避免了射线管(ray-tube)跟踪存在的射线管分裂问题,保证获取路径的准确性。跟踪少量的光束而不是大量的采样射线,使得本文算法MADBT较射线跟踪算法计算效率更为高效。其次,通过划定局部场景,构建局部kd-tree,相较于全局kd-tree用来加速光束与面片相交测试更为快捷。此外,通过构建虚拟仿真平面(VSF,Virtual Simulation Face),能够更快确定光束路径能够到达的接收点,从而加速信号传播路径的生成。最后,基于仿真算法的高度可并行性,还可借助于计算机硬件资源,使用多机分布式MPI结合单机OpenMP的并行加速技术,可进一步提升仿真算法计算性能和计算规模。
  本文的研究工作主要基于弹跳射线法SBR及其演进光束跟踪算法MADBT,为高低频混合算法分析目标散射、辐射问题以及室内外电磁信号覆盖仿真应用提供了有效的解决方案。多个数值实验结果证明本文提出算法的准确性和高效性,为课题的进一步发展打下了坚实的基础。
[博士论文] 任丹
机械工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:腔体结构可用于阻挡电磁能量传输,是电子产品抑制电磁干扰、防止能量泄露的重要手段。由于通风散热、装配及数据传输的需要,腔体结构上不可避免的存在孔阵、缝隙及线缆等各类电磁耦合通道,它们是影响腔体电磁屏蔽性能的重要因素。为了快速准确分析腔体上电磁耦合通道对屏蔽性能的影响,本文研究了电磁耦合通道的等效建模方法,提出一种计算电磁耦合的解析方法。本文的主要研究内容及创新点有:
  (1)基于小孔尺寸效应的孔阵等效建模方法研究。孔阵是腔体最常见的后门电磁耦合通道,是造成腔体电磁干扰的重要途径。由于组成孔阵的小孔数量众多且与腔体总体尺寸相差很大,跨尺度效应导致模型网格数量巨大,特别是在复杂腔体的电磁特性分析中,可能由于存在大量小孔而导致整机仿真无法进行。为此,本文提出一种孔阵等效建模方法,该方法在保证等效前后腔体内场分布相同条件下,将孔阵等效为单孔,可以显著简化建模过程,降低网格数量。同时,该方法可对Robinson模型进行改进。原始Robinson模型只是将各个小孔的阻抗进行线性叠加,计算出的屏蔽效能误差较大,利用本文方法改进的Robinson模型在计算孔阵腔体屏蔽效能时精确有明显提高。
  (2)基于转移阻抗的缝隙等效建模方法研究。缝隙是腔体上另一种常见的后门耦合通道,由缝隙引起的电磁干扰也不容忽视。由于缝隙具有非常大的长宽比,分网时需要在缝隙处加密网格,导致模型网格数量巨大。本文提出一种基于转移阻抗的缝隙等效建模方法,可在保持仿真精度的前提下,将缝隙宽度扩展5倍,以缓解仿真时间与精度的矛盾。在此基础上分析缝隙参数对腔体屏蔽效能的影响,并提出在缝隙处填充导电橡胶、在腔体内填充损耗介质的方法,可有效抑制缝隙电磁耦合和腔体谐振,可在腔体内部形成一个非常干净的电磁空间。
  (3)基于负载阻抗的复杂线缆束等效建模方法研究。腔体上不可避免的存在供电或信号线缆,线缆是典型的前门耦合通道。由于线缆横截面尺寸远小于电磁波波长,因此可以用集中参数电路模型来求解线缆的响应,但是线缆长度又往往和传播电磁波波长相比拟,为了计算的准确又需要运用电磁场理论来研究场线耦合。由于“路”方法的局限性,而“场”方法又太过复杂,为此本文从“路”的角度提出一种复杂线缆束等效建模方法,然后利用“场”的方法对简化的线缆模型进行数值分析。通过数值仿真对比,显示该方法可明显简化复杂线缆束的建模过程、降低模型规模,以方便后续的场线耦合分析。
  (4)基于模式匹配及BLT方程的腔体电磁耦合计算方法研究。孔腔耦合和场线耦合是电磁耦合计算的典型问题,本文基于模式匹配及BLT方程理论,提出一种计算带孔阵腔体内传输线电磁耦合的解析计算方法。将外部激励源对腔体内传输线的耦合分解为孔腔耦合和场线耦合两个过程,腔体内任意点的场强由模式匹配理论及矩量法计算得到,腔体内的场线耦合由Agrawal模型构建BLT方程进行计算。与测试数据对比得出,模式匹配理论可以准确计算腔体内部电磁场。与CST数值仿真数据对比得到,该方法可以准确计算任意入射波激励下线缆终端负载上的电流响应且计算效率高,可用于腔体内场线耦合的研究。
  本文提出的腔体结构电磁耦合通道等效建模和计算方法可用于电子产品结构设计阶段的电磁兼容仿真和分析。同时,本文研究的诸多电磁耦合通道结构参数对腔体电磁兼容特性的影响规律,可为电子产品电磁兼容测试及结构整改提供理论依据。
[博士论文] 李桂萍
无线电物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:手征介质因其特殊的物理特性在微波和光学领域已经获得了广泛地研究和应用,电磁波与手征介质相互作用是当前国际学术界一个研究热点。本论文基于电磁场理论研究了手征介质的电磁散射和光力问题。
  本论文将主要采用Mie级数解法、时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法和传播矩阵方法(Propagation Matrix Method,PMM),对电磁波在手征介质中的电磁传播、散射、辐射光压和增益等特性进行了理论上的深入研究,探讨其在隐身和光学微操控等工程中的应用。主要研究内容为:
  第一,基于Mie级数解研究了单个手征异向介质球的电磁散射,同时模拟了金属球被双各向同性手征异向介质(Chiral Metamaterials,CMM)覆盖的双层球电磁散射;推导并实现了可用于计算单层和双层含色散均匀手征异向介质球的单、双站散射的Mie级数解;通过数值计算并比较了手征异向介质覆盖层的介电系数或磁导系数单负、介电系数和磁导系数双负以及手征参数等对金属球同极化和交叉极化散射的影响。Mie级数解的计算结果表明:(ⅰ)手征异向介质球折射率增加时,谐振引起的更多表面模式会影响其散射。由于手征异向介质球的负折射特性,因此与相同尺寸金属球相比,手征异向介质球的前向散射明显更大,而后向散射则正好相反。(ⅱ)相较于普通介质覆盖层而言,手征异向介质覆盖的金属球的手征参数通常可缩减大尺度双站角的雷达散射截面,因而手征介质是一种潜在的电磁吸波材料。
  第二,基于辅助差分时域有限差分法模拟了平面波入射时,色散增益手征介质板和手征介质柱的电磁场和洛伦兹力密度分布。首先,从本构关系出发,引入电磁色散和手征参数,推导了用于计算手征介质电磁特性的基于辅助差分方程(ADE:Auxiliary Differential Equation)的时域有限差分方法。分别用Drude、Lorentz和Condon模型来模拟手征介质,给出了色散手征介质中频域电、磁极化强度与感应电、磁极化强度和耦合电、磁极化强度之间的关系;推导了描述手征介质中场与流的微分方程组,并将其离散后获得三维、二维和一维ADE-FDTD递推表达式。其次,推导了手征介质中含束缚电荷、电流和束缚磁荷、磁流密度的时均洛伦兹力密度表达式。通过与文献结果对比,验证了辅助差分方程-时域有限差分法和洛伦兹力密度方法的正确性。最后编制程序仿真了增益手征介质板和手征介质柱的电磁场和光力分布情况,讨论了电磁流和电磁荷对洛伦兹力密度的贡献。数值结果表明:(ⅰ)特定厚度的手征增益介质板的交叉极化透射系数比同极化透射系数大;手征介质交叉极化波束缚电流产生的梯度力比散射力大从而将手征板向入射波源方向吸引;讨论了平面波照射下,含不同介质参数手征介质的介质板中复杂的拉力和推力密度。(ⅱ)平面波入射时,耦合的交叉极化波在手征介质柱中产生了一个会聚点,从而捕获该色散增益(参数满足Im2(κ)>|Im(ε)Im(μ)/(ε0μ0)|)的手征介质柱,该捕获力主要归因于手征参数的磁电耦合特性和交叉极化波电磁流的贡献。(ⅲ)普通介质覆盖增益手征介质的捕获主要归因于手征介质交叉极化波产生的束缚电流,内部手征介质层对捕获洛伦兹力密度无贡献。本部分研究工作可为手征介质在光镊和手征参数测量等的工程应用提供理论指导。
  最后,用传播矩阵方法计算多层非均匀、含各向同性手征介质板中的电磁散射和光力密度。从麦克斯韦方程和手征介质本构关系出发,将手征介质中的电磁波分解为互不耦合的特征模,利用电磁场连续性边界条件,推导出了多层手征介质板在同极化和交叉极化下的反射及透射系数的传播矩阵方法解析解。从麦克斯韦张量出发,推导了手征介质板的光力密度表达式,并与文献结果进行对比验证;最后简单计算了手征介质板中同极化和交叉极化下的反射系数、透射系数和光力密度。
[硕士论文] 魏姣
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:电磁态势评估对军民用通信、电子对抗、干扰源定位侦查等领域具有重要的研究价值,准确、高效、实用的电磁态势评估技术对上述领域的发展意义重大。
  目前,各种经验、半经验信道模型只能用于估计某种链路环境下的链路余量,不能用于电磁态势“精准”评估预测,以射线追踪法为主的精确性模型可以对场强进行精确计算,但其繁重的计算量以及对全路径地物分布数据库的需求都约束了此类方法的实际应用,满足不了复杂环境中场强预测的工程应用需求。
  本文提出一种准确、高效、工程实用的电磁态势评估方法,可实现无GIS帮助下电磁态势的“精准”评估,本文的主要研究内容如下:
  从电波传播角度对静态地形、地物的形态进行分类,对地物边界进行几何等效。分析了电磁态势评估对地物几何特性参数的需求,并对所需地物边界的几何特性参数进行了研究和总结,为场强的精确计算奠定了几何基础。
  通过对地形地物反射特性随介电参数的变化情况进行仿真分析,得出在电磁态势评估中实地测量获取地形地物电磁特性参数的必要性,基于此本文提出利用工程可操作性较强、较可靠的“垂直透射法”来测量与反演地物电磁特性参数,进而确定实际电波传播环境中地物边界的反、绕射系数,为场强的精确计算奠定基础。
  针对复杂地物环境提出一种实用电磁态势评估新方法,并基于电波传播场强计算理论,推导出此方法的数学模型。在多径确定方面,将场点周围可视区波束交叉空间内的地物划定为对场点场强有贡献的有效地物,利用激光测距获取地物特征点并对有效地物边界建模,在此基础上,根据射线追踪理论在有效地物边界上寻找有效多径来波;在场强计算方面,对预测区域划分可视区后,进一步将可视区划分为若干个直达波一致区,在借助一定测量手段获得各直达波一致区基准场并根据射线追踪法确定有效多径的基础上,利用测得的基准场推演计算某场点直达波与多径来波,根据数学模型计算所有来波信号在场点的叠加总场,综合各可视区场点场强预测结果得到预测区域的电磁态势分布。
  基于上述电磁态势评估方法,针对实际山地与建筑区场景进行电磁态势预测,通过将实测与预测结果的对比分析,验证了本文提出的电磁态势评估方法的准确性,该方法在实施过程中的高效性和简便性使其在电磁态势评估中具有较高的工程实用性。
  本文提出的电磁态势评估方法易于推广和实施,具有较高的预测效率与精确度,对于实际工程中电磁态势评估有很大的参考价值,对于电磁环境监测、未来5G移动通信系统网络规划与优化、电磁干扰源追踪定位等应用具有重要意义。
[硕士论文] 左胜
电子与通信工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着科学技术的发展与社会的进步,与电磁相关的问题变得越来越复杂,电磁仿真目标呈现电大尺寸、结构复杂、高集成度和系统化等特点,传统的电磁计算手段往往会面临计算资源不足或耗时过长等问题。近年来,高性能计算技术已逐渐应用于电磁计算领域,并已成功解决一批挑战性问题,但相比其他领域,高性能电磁计算在理论体系、应用范围等方面尚显不成熟,仍有许多值得研究的地方。
  本研究在实际工程应用需求的推动下,主要针对矩量法与有限元方法的并行计算技术进行了研究,以期利用当前分布式集群的计算能力和存储能力,提高矩量法和有限元方法的电磁仿真计算能力和效率。针对当前计算机异构发展的趋势,研究了矩量法的可扩展异构并行计算。利用GPU( Graphic Processing Unit)通用编程标准CUDA( Compute Unified Device Architecture)中提供的CONTEXT技术、MIC(Many Integrated Core)中环境变量的概念,提出了一种适用于CPU(Central Processing Unit)/GPU与CPU/MIC两种平台的通用异构并行编程模型,满足了异构并行矩量法可跨节点对静态负载均衡的要求。数值结果表明,基于该并行编程模型设计的异构并行矩量法程序,可获得理想的加速倍数并具有良好的可扩展性。实际工程应用中,已知电磁流分布采用积分方程计算近场或远场是十分常见的场景,当近场点或远场点数目非常庞大时,这一过程是非常耗时的。对采用并行多层快速多极子加速这一过程进行了研究,总结出了较为详细的并行多层快速多极子加速场计算的理论和并行策略。通过数值算例,与传统的积分方程计算方式进行对比,验证了并行多层快速多极子的加速效果。引入一种目前在国内较为新颖的有限元网格截断技术—有限元迭代积分方程法,该方法在减少有限元吸收边界区域未知量的同时,又能保持有限元矩阵的稀疏性和带状性。采用有限元方法计算复杂、电大尺寸问题时,其存储需求极高,计算耗时极长,对其进行了MPI(Message Passing Interface)+OpenMP(Open Multi-Processing)的并行化实现。最终,采用1152 CPU核实现了目前商业软件ANSYS HFSS难以高效解决的64单元大型基站天线及其馈电网络一体化仿真分析。
[博士论文] 郑宇腾
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近几十年来,计算电磁学已被广泛应用于电子、通讯、遥测、遥控等众多领域,为工程设计及科学研究提供了电磁场的仿真模拟工具。随着科学技术的进步,尤其是电子技术的飞速发展,对于电磁仿真工具求解能力的要求也在不断提高。本文研究的多尺度问题正是计算电磁学面临的热点问题之一。多尺度问题是指待求目标不仅兼具电大问题巨大的未知量,还包含电小尺度亚波长的复杂精细结构。因而在使用电磁场数值算法求解时会遇到新的问题和挑战。本文主要研究积分方程的多尺度问题。从多尺度问题的混合形式快速算法、中低频多尺度问题中积分方程的稳定性以及平面分层结构中的多尺度电磁问题三个角度出发分别进行详细的阐述。
  本研究主要内容包括:⑴针对混合形式的多尺度快速算法进行了研究。研究以低频稳定的快速笛卡尔展开方法为基础,通过转换使其与多层快速多极子方法相融合,弥补了多层快速多极子方法在求解多尺度问题时效率降低的缺陷。研究中涉及了几个关键技术点,其中包括:微分算子对笛卡尔张量的影响、混合快速方法的构建方式、体表积分方程的混合快速算法以及混合快速算法的预条件技术。最终基于体表方程形成了可用于求解电、磁及金属复合材质的混合形式多尺度快速算法求解器。⑵分析了赫姆霍兹分解对电场积分方程低频崩溃问题的意义。通过引入约束条件的方式,推导了可用于低频问题求解的改进型的电场积分方程。进而引入微扰法解决了改进型电场积分方程在极低频下求解不精确的问题。利用对阻抗矩阵元素的级数展开,整合了电场积分方程、增广电场积分方程以及增广电场积分方程微扰法三种方法,形成了覆盖中频、低频以及极低频的高效阻抗矩阵填充算法,形成了适用于宽带问题的高效矩量法求解器。另外,通过增广电场积分方程和混合形式多尺度快速方法构建出适用于中、低频多尺度问题的快速求解器。⑶针对平面分层结构的特点,研究了两种模式匹配方法。分别为基于谱域模式匹配方法的严格耦合波分析,以及基于二维有限元方法的数值模式匹配方法。⑷研究了参数连续变化条件下的快速计算方法。研究了基于紧缩基函数方法的模式降阶方法。研究了矩量法阻抗矩阵在求解宽频带问题时的仿射分解方式,将紧缩基函数方法应用于宽频带下矩量法的高效计算求解。研究了通过矩阵方程右端项预估解向量特性的预估技术,从而将紧缩基函数方法应用于入射平面波角度变化时矩量法的高效求解计算。
[硕士论文] 余乐
电路与系统 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:基于磁偶极子模型对目标的定位是一种具有高精度、多维度、无视线问题的定位技术,也称为电磁定位技术。它不仅能定位出目标点的空间位置信息(x,y,z),而且还能定位出目标点的姿态角(α,β,γ)。因此该技术广泛应用于医疗手术导航、移动设备导航、机器人、虚拟实现等领域。根据对国内外大量文献与产品研究,电磁定位技术在国外已经有相关成熟的产品,而反观国内现状,还仅仅出于理论研究与实验探索阶段。
  本文的工作内容主要分为四个方面:
  (1)首先,本文利用磁偶极子理论建立起电磁定位计算模型,再根据法拉第电磁感应定律建立起接收传感器的感应电动势与定位目标点的位置和姿态6个未知参数之间的关系。由于磁偶极子模型在目标点距离发射源比较远时,模型才能成立,所以本文就定位目标点到发射源的距离对定位的误差做出了分析。
  (2)其次,为了将电磁定位技术的工程应用问题转换为数学问题。本文对求解电磁定位非线性方程组的相关算法进行了研究,包括高斯-牛顿法、L-M算法、遗传算法。利用数值分析软件MATLAB对以上算法进行了仿真分析。
  (3)再次,设计一个电磁定位系统,同时完成了该系统中有关的硬件电路与软件程序的设计。该系统大体分为三个部分,分别为发射系统、接收系统、数据处理系统。发射系统主要作用是建立起定位系统所需的磁场分布环境;接收系统的主要功能是把定位目标点的电磁信号转换为有用的电压信号;数据处理系统的主要功能是采集接收信号与参考信号,并利用NI公司的LabVIEW软件平台对采集的信号进行数字滤波等处理。
  (4)最后,搭建了实验平台并进行了测试。包括对目标点的电压波形的采集与显示,以及采集信号数字滤波前后的波形显示。对测试值与真实值进行了比较,当发射信号频率为1kHz,目标点距离在12厘米到70厘米内时,位置平均误差在3.5厘米内,姿态角平均误差在10度内,以及对误差的来源做出了详细的描述。
[博士论文] 宋连宁
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:在信息技术全面发展的今天,计算电磁学已经被应用并且深刻影响到了遥测、遥感、无线通信、纳米技术等不同领域,一直以来计算电磁学的主要任务之一是为各领域层出不穷的新需求提供新的电磁场的仿真工具。在这其中,针对多尺度问题的快速精确求解器吸引了众多学者的关注。复源点波束(CSB)作为麦克斯韦方程组的精确解,因其在近轴区的高斯波束形态,一直以来在高频渐进领域有着广泛的用处。随着用复源点波束展开任意源技术的提出,复源点波束开始在积分方程领域崭露头角。将复源点波束应用到积分方程中,可以利用其天然的方向性降低远区耦合的代价,同时又可以利用其等效过程有效地处理多尺度问题。本文以复源点波束在积分方程中的应用为研究的主要内容,重点研究了如何利用其加速矩量法,以及利用其求解多尺度问题。具体的研究内容如下:
  本文首先回顾了积分方程的基本理论,总结了复源点波束的特点,介绍了任意目标的复源点波束等效原理,推导了用复源点波束展开任意源的远区匹配方法,详细介绍了利用复源点波束展开来加速电场积分方程(EFIE)和磁场积分方程(MFIE)的复源点波束-矩量法(CSB-MoM)。
  随后,为了降低CSB-MoM计算电大目标时的复杂度,充分利用了复源点波束的方向性和波束位置的对称性,获得了相邻层间波束递推的聚合矩阵,实现了多层复源点波束展开方法,并在此基础上实现了加速矩量法迭代的多层复源点波束方法(MLCSB)。针对MLCSB中的关键过程,提出了使用截断奇异值分解(TSVD)来压缩聚合和转移算子矩阵,并且证明了该压缩方式同复源点波束的辐射能力相关,可以通过调整截断值,在不影响结果可信度的情况下,牺牲少量精度来提高计算效率。
  接下来,针对多尺度问题中常见的电场积分方程的低频崩溃问题,本文提出了多层复源点(MLCSP)方法来加速增广电场积分方程(AEFIE)。该方法首先使用复源点的矢量位和标量位分别展开AEFIE的矢量位和标量位,以克服在等效过程中的低频崩溃问题;随后使用远区匹配,构建了相应的聚合矩阵以实现多层算法,提高计算效率。经过分析和验证,该方法具有O(N)的复杂度,且具有良好的频率稳定性。
  最后,充分利用了转移因子的物理意义,提出了自适应多层复源波束方法,并将该方法用于多目标散射计算中。针对目标间的多尺度,采用区域分解的思想在每个目标上独立进行八叉树结构划分;对单个目标区域使用多层复源波束方法进行自耦合矩阵同电流矢量的计算,同时获得目标上电流的复源点波束展开;不同大小的目标区域之间,直接使用其复源点波束进行自适应地转移耦合计算。又因为在目标间转移时仅有少量波束是有效的,还提出了局部远场聚合的方法来减少计算量。
  本文系统而完整地研究了复源波束方法及其在积分方程中的应用,充分利用其方向性,加速了矩量法的远区计算,利用其等效过程,实现了对多尺度、多目标和低频问题的高速求解,为积分方程提供了新的计算工具。
[硕士论文] 刘嘉国
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:混合算法均是取彼之长、补己之短。高频方法结合积分方程方法能克服各自局限、发扬各自优势,特别适合求解电大尺寸和精细结构并存的电磁问题。往往在电大尺寸部分使用高频方法,而在精细结构部分使用积分方程方法,这样就可以扬长避短。在满足所需精度的同时,大大提高计算的速度和节省计算的内存等。本文就是围绕这类电磁问题而展开,研究主要内容可以归纳如下:
  一、基于剪裁NURBS参数曲面的研究。首先介绍矩量法(MoM)和物理光学法(PO)基本理论,再针对平面几何建模的不足,引入NURBS参数曲面建模。发现使用物理光学在矩形参数曲面上计算电磁散射时,无法剔除冗余面元的贡献而造成误差太大,引入了剪裁NURBS参数曲面。相比未剪裁曲面,在剪裁NURBS参数曲面上散射场的计算具有非常高的准确性,同时给出了相应的算例来验证。
  二、基于高效迭代混合算法的研究。针对在传统矩量法和物理光学混合(MoM-PO)中,物理光学区域对矩量法区域的耦合矩阵占用了大量内存和时间,提出一种高效迭代混合算法(EI-MoM-PO),它是一种直接更新矩量法区域的电压矩阵来进行迭代计算,能在相同网格的情况下,保持良好精度的同时还能节省计算资源;为了扩大计算能力,在原来MoM区域引入多层快速多级子,形成EI-MLFMA-PO,进一步节省内存和时间,并求解电大尺寸的电磁问题;最后首次提出一种针对具有大量近似平面结构目标混合算法时,提出两套剖分网格的形式来对PO区域进行高效消隐,它具有简单、高效的特点。
  三、基于积分区域分解方法(IE-DDM)结合PO的研究。IE-DDM采取“分而治之”的思想,它一方面可以针对不同的子区采取更加适合的计算方法,并拥有天然并行的优势。在另一方面,不同子区可以采取非共性的网格来进行剖分计算。本文在积分区域分解方法的框架下,针对电大尺寸和复杂精细结构是整体还是分开两种情况,提出使用两种方式加入物理光学方法。前者采用目标整体分区,后者分开目标采用矩量法区域内部分区。由物理光学方法的加入极大地丰富和充实了积分区域分解方法的框架,在以后计算具有电大光滑尺寸的复合结构时大大提高了求解速度,同时为后续加入有限元等其他求解器做铺垫,为更进一步求解复杂多尺度问题提供一种可能。
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