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应用实例

卢内堡电介质透镜

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卢内堡透镜的变体是由两个同心介质球体形成的。内球的相对介电常数为 1.7,半径为 125 毫米,外球的相对介电常数为 1.4,半径为 250 毫米。球体后方 100 毫米处有一块 600 x 600 x 10 毫米的介质板,其相对介电常数为 2,代表封装透镜的塑料盒表面。图 1 所示的完整结构是用垂直极化的 15 GHz 平面波照射的,该波沿 y 轴传播,发源于透镜与介质板相反的一侧。图 2 显示了完整几何结构的横截面。考虑到介电常数,完成的几何结构每边长达数十个波长。如此巨大的电学结构曾经是一项艰巨的挑战;然而,计算机技术和 FDTD 方法的进步使这一模拟在今天变得非常合理。一台运行XFdtd的现代 4 核工作站可以在不到两小时的时间内求解。

为了满足自由空间中的库朗极限,我们选择了 1.9 毫米的统一基本单元尺寸,并在外球面上设置了 1.5 毫米的自动网格区域。在密度较高的球体材料中,该网格区域将产生每个波长 10 个以上的单元。在 +/-x、+/-z 和 -y 方向的所有边上都使用了吸收 PML 边界,并填充了 10 个自由空间单元。+y 方向有 30 个单元的自由空间填充。生成的网格占 7640 万个单元,模拟需要 3.2 GB 内存。

影片显示了电场随时间变化的动画序列。影片开始时将几何体切到球体中心,以帮助提供参考点。然后隐藏几何体,以便观察透镜内的电场。在动画的边界周围可以看到场的不连续性。这是本例中使用的全场/散射场模拟技术造成的。全场/散射场模拟采用混合方法,同时计算模拟边界附近的散射场值和模拟空间其余部分的全场值,可见的场不连续性就是计算中的散射场部分。影片清晰地展示了这种结构的聚焦效果。

图 3 显示了通过透镜中心和塑料板顶面的稳态 E 场大小。

图 1:完成的实体几何图形

图 1:完成的实体几何图形

 

图 2:带网格的几何体截面图

图 2:带网格的几何体截面图

 

图 3:稳态电场幅度

图 3:稳态电场幅度

 


 

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