Higher-order FDTD Schemes for Waveguides and Antenna Structures:Higher-order FDTD Schemes for Waveguides and Antenna Structures (Synthesis Lectures on Computational Electromagnetics) (Paperback)by
Theodoros D. Tsiboukis (Author),
Nikolaos V. Kantartzis (Author),
Constantine Balanis (Editor)
Paperback: 120 pages
Publisher: Morgan & Claypool Publishers; 1 edition (May 17, 2006)
Language: English
ISBN-10: 1598290282
ISBN-13: 978-1598290288
Product Dimensions: 9.1 x 7.5 x 0.6 inches
Product Description
This publication provides a comprehensive and systematically organized coverage of higher order finite-difference time-domain or FDTD schemes, demonstrating their potential role as a powerful modeling tool in computational electromagnetics. Special emphasis is drawn on the analysis of contemporary waveguide and antenna structures. Acknowledged as a significant breakthrough in the evolution of the original Yee's algorithm, the higher order FDTD operators remain the subject of an ongoing scientific research. Among their indisputable merits, one can distinguish the enhanced levels of accuracy even for coarse grid resolutions, the fast convergence rates, and the adjustable stability. In fact, as the fabrication standards of modern systems get stricter, it is apparent that such properties become very appealing for the accomplishment of elaborate and credible designs.
[
本帖最后由 drjiachen 于 2008-12-15 11:01 编辑 ]
Contents
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Time-Domain Modeling in Computational Electromagnetics . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The FDTD Method forWaveguide and Antenna Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Essential Principles and Evolution Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
1.2.2 Inherent Shortcomings and Efficiency Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 The Higher Order FDTD Formulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.3.1 Merits and Performance Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Basic Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Conventional Higher Order FDTD Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
2.3 Development of the Basic Conventional Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.4 Higher Order FDTD Modeling of Boundaries and Material Interfaces . . . . . . .17
2.4.1 Maximum Accuracy and Optimized Compact Schemes. . . . . . . . . . . . . .17
2.4.2 Implicit Methods for Complex Cartesian Domains. . . . . . . . . . . . . . . . . .20
2.4.3 One-Sided Difference Operators for Homogeneous
Dielectric Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.4 Treatment of Inhomogeneous Dielectric Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.5 Derivative Matching with Fictitious Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
2.5 Dispersion-Optimized Higher Order FDTD Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.1 Modified (2, 4) Scheme with Improved Phase Accuracy . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.2 Angle-Optimized FDTD Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.3 Dispersion-Relation-Preserving FDTD Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.4 Design of Controllable Dispersion-Error Techniques . . . . . . . . . . . . . . . .42
2.5.5 Coefficient-Modification Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 Higher Order FDTD Schemes in Curvilinear Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
3. Higher OrderNonstandard FDTD Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
vi CONTENTS
3.2 The Nonstandard Finite-Difference Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.1 Discretization of theWave Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
3.2.2 Discretization of Maxwell’s Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 Development of the Higher Order Nonstandard Forms
in Cartesian Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
3.3.1 Theory of the Precise Spatial/Temporal Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.2 Higher Order Nonstandard Leapfrog-Type Integrators . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.3 Alternative Approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
3.4 Generalized Higher Order Curvilinear FDTD Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.1 Formulation of the Nonorthogonal Div-Curl Problem . . . . . . . . . . . . . . .75
3.4.2 The Topologically Consistent Higher Order
Nonstandard Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.3 Systematic Construction of Multidirectional Tessellations. . . . . . . . . . . .80
3.4.4 Extension to Non-Cartesian and Unstructured Grids . . . . . . . . . . . . . . . .85
3.5 Dispersion Error and Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
3.5.1 The Enhanced Dispersion Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
3.5.2 The Modified Stability Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.6 Issues of Practical Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
4. Absorbing Boundary Conditions andWidened Spatial Stencils . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2 Higher Order FDTD Formulation of Analytical ABCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3 Higher Order PML Absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.1 Conventional Realization in Cartesian Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.2 Nonstandard Curvilinear Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
4.4 Widened Spatial Stencils and Dissimilar Media Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4.1 The Ghost-Node Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
4.4.2 Self-Adaptive Compact Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.3 Treatment of Arbitrarily Curved Material Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . 113
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
5. Structural Extensions and Temporal Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2 Modeling of Lossy and Dispersive Media with Higher Order
FDTD Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.1 Lossy Formulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2.2 Dispersive Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
CONTENTS vii
5.3 Improvement via the Correction of Material Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.4 Enhanced Spatial Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4.1 Alternative Stencil Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
5.4.2 Improvement Through the Dispersion Relation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
5.5 Generalizing Temporal Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
5.5.1 Higher Order Leapfrog Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
5.5.2 Higher Order Multistage Runge–Kutta Integrators . . . . . . . . . . . . . . . . 139
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
6. Hybrid and Alternative Higher Order FDTD Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2 Hybrid Second-Order and Higher Order FDTD Techniques. . . . . . . . . . . . . . .143
6.3 Discrete Singular Convolution and Symplectic Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.4 The Higher Order ADI-FDTD Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
6.4.1 Main Motives and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
6.4.2 Generalized Theoretical Establishment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4.3 Stability and Dispersion-Error Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
6.5 Higher OrderWeighted Essentially Nonoscillatory Schemes
in the Time Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.5.1 Development of the Three-Dimensional Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . .157
6.5.2 Modeling of Media Discontinuities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
7. Selected Applications inWaveguide Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.2 Excitation Schemes and Open-End Truncation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.3 Multimodal Higher Order FDTD Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
7.4 Applications – Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
7.4.1 BasicWaveguide Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.4.2 Three-Dimensional Realistic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186
8. Selected Applications in Antenna Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.2 Excitation Issues and Feeding Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
8.3 Analysis of Essential Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
8.4 Contemporary Antenna Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.4.1 Microstrip and Cavity-Backed Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
viii CONTENTS
8.4.2 Dielectric Resonator Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200
8.4.3 Fractal Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.4.4 Metamaterial-Loaded Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210
期待中
Higher Order FDTD Schemes for Waveguide and Antenna Structures
ص
[ 本帖最后由 drjiachen 于 2008-12-15 15:51 编辑 ]
太强了，佩服啊，这么好的资料
好书！！！谢谢楼主分享！！:31bb
楼主真是强大啊 很多刚有电子版的书就下载到了
thanks very much!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
楼主发的都是经典的好书啊，赞一个
:27bb :27bb :27bb :27bb
:31bb :31bb :31bb :31bb
谢谢楼主分享！！:30bb :30bb
好书！！感谢楼主提供分享!!!!
:15bb:15bb:15bb:15bb:15bb:15bb
:14bb:14bb:14bb:14bb:14bb:14bb:14bb
好资料，想看看，呵呵，谢谢分享！
:11bb :11bb :11bb
感谢楼主分享
:11bb :11bb :11bb :11bb :11bb
下过了。。。
再支持一个
:31bb :31bb
又见Balanis。。。。。。。。。
这么专业的书，是要下载 的
:51bb :51bb :51bb
thank you for the book,boss
这么好的书楼主怎么弄到的？
支持楼主 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
谢谢分享！！！！！！！！！！！！！！！！
thank you for the job
谢谢版主分享！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
EOFOE ,激发看见撒打开就干净到福建港口干净考虑考虑了
楼主真是强大啊 很多刚有电子版的书就下载到了
thank you for the job,just wait for downloading
太强了，佩服啊，这么好的资料:27bb :11bb
正在研究。。。。。。。。。。。。。。。。。
谢谢啊。。。。。。。。。。。。。。。。
太强了，佩服啊，这么好的资料:27bb :27bb
谢谢
好书
:27bb :27bb
一本好书,感射楼主提供!!!!!!!!
:24bb :24bb :24bb :24bb
think you very much!
经典好书！谢谢!!!
:11bb :11bb :11bb
FDTD的书，收藏之！
又是本没见过的书，真是学无之境，感谢楼主分享！:11bb :30bb
gooooooooooooooooooooooood
好资料，想看看，呵呵，谢谢分享！
谢谢！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
：cacakiki9de
也需要这份资料……
顶顶顶顶顶顶顶顶的淡淡的顶顶顶顶顶顶顶顶的的的
研究一下 谢谢楼主分享 共同进步
好书，感谢楼主的辛勤工作！！:11bb
高阶的FDTD？？？ 看看再说，没有编写过，不知道效果怎么样？
太强了，佩服啊，这么好的资料。。。
投影片 1Using FDTD to Illustrate the Behavior of
Double Negative Materials
好书！！！谢谢楼主分享！！
非常感谢精彩的电子书！感谢楼主的无私奉献！
:27bb :11bb :30bb :30bb
太强了，佩服啊，这么好的资料, thanks a lot!
不错的资料，谢谢楼主。
谢谢。。。。。。。。。。。。。。。。
:29bb :29bb :29bb :29bb
牛年就应发牛书。。。。。。。。。。。。
顶
:14bb:14bb
:23bb
好东西 真厉害 谢谢
好东西，顶。。。。。。。。。。。。。。
好资料，想看看，呵呵，谢谢分享！
:21bb:22bb:23bb:24bb
:15bb:16bb
好书，多谢了！
thanks very much!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
谢谢谢谢谢谢
好东西，谢谢；啦
下载看一下，应该有借鉴意义~:31bb
:14bb:14bb
很不错，谢谢你
谢谢！！！！！！！！！
感谢楼主！！！！！
正好需要用到類似的相關文獻
下來看看是否有用到
多謝
很好看看收藏了
看看 {:6_939:}
好书，顶……&
好书收藏了,谢谢!
这书想看看，先谢啦
下来看看，学习学习
This is a high level book for FDTD!
{:6_923:}{:6_922:}
以前翻过这本书，觉得比较难，谢谢了
以前翻过这本书，觉得比较难，谢谢了
Thank you for your sharing
24小时过了没有，还不让我回复么？
天啦，真的让我等了24个小时。
不过还是值的，我求这本书2、3年了。
下载完毕，在此致谢！
支持一下，帮顶
感谢楼主提供分享!!!!
{:7_1234:}
这个要看啊～
hello，我可以回复了吗饿？
楼主能不能给个下载这些资料的网址啊，有些资料总是很难找到
好好，新东西，一定要看看
Higher Order FDTD Schemes for Waveguide and Antenna Structures
gvkjhnl.jn.;'/k,m
谢谢慷慨的楼主
多谢楼主分享
多谢楼主
是一本什么样的书呢？想看一看。
:16bb 期待
谢谢分享
谢谢分享
{:soso_e100:}
Very good
谢谢分享，不错
good thx!!
thank you
好书！！！谢谢楼主分享！！{:7_1234:}
正在研究FDTD 谢谢楼主
Higher-order FDTD Schemes for Waveguides and Antenna Structures
看看，学习学习，谢谢楼主了！
我回复了
下下来学习，楼主真牛有这么多好书
好东西。。。
好东西。。。
非常感谢
谢谢楼主了，学习学习
看了LZ的帖子，我只想说一句很好很强大！
据说是好书 下来学习一下！！！！！！！！！！
而复核人和干扰如果嵌入供热供热
一本好书！！！
佩服啊，这么好的资料'是好书
这么好的资料'是好书
好书！！！谢谢楼主分享
这么好的资料
Higher-order FDTD Schemes for Waveguides and Antenna Structures: hh.jpg
