[发明专利]一种层状结构的全各向异性媒质的仿真方法及相关组件

说明书

本发明公开了一种层状结构的全各向异性媒质的仿真方法及相关组件，其中，方法包括：建立层状结构的全各向异性媒质的电磁场模型，以及建立所述全各向异性媒质的3D几何模型；对3D几何模型赋予材料属性；设置初始条件和边界条件；获得全各向异性媒质中的亥姆霍兹方程；通过对亥姆霍兹方程的推导，获得单一方向上的电场分量的常微分方程，从而获得全各向异性媒质中的四个不同的特征值；通过给定电场分量的表达形式，获得在三维情况下的其他场分量的表达形式；构造全各向异性媒质中的电磁场传递矩阵，并计算出反射系数和透射系数，实现仿真过程。本发明可快速获取反射系数和透射系数，能对层状全各向异性媒质进行有效的能量传输预测。

技术领域

本发明涉及电磁学和材料学领域，特别涉及一种层状结构的全各向异性媒质的仿真方法及相关组件。

背景技术

多层各向同性媒质结构的研究，已经渗透到电磁领域以及声学领域当中。随着石墨烯、钙钛矿等光学各向异性媒质的出现，他们也得到了仿真模拟。虽然电磁各向异性媒质早已被发现和得到实验验证，但是多层全各向异性媒质其复杂过程而无法得到有效仿真。

为了更好地对电磁传播与材料特性的深入发展，当前的最大热点是如何在采用平面电磁波入射的特性来进行快速获取能量传播的反射系数和透射系数，由于涉及到的平面电磁波具有含量丰富的频谱信息，如何将电磁波的单频问题扩展到多频问题中观察场传播的变化趋势。为了实现对材料分析和过程的模拟，更多选择现有商业仿真软件来进行仿真，而这些仿真软件一般都是采用计算电磁学最为常用且有效的有限元方法(FEM,Finite-Element Method)，这种方法早已广泛应用到微波电路、天线技术与目标电磁散射等领域中。由于计算机资源的有限性，需要采用完全匹配层(PML,PerfectlyMatched Layer)技术来进行截断处理，实现电磁波传播问题上的无界处理。虽然这种方法能对任意复杂模型均可有效处理，但是面对多层全各向异性媒质的问题时，无法克服自身缺陷，例如：低频崩溃、极其特殊的材料媒质(如：具有负折射性质的超材料)、执行时间过长、占用大量的计算机内存等具体问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种层状结构的全各向异性媒质的仿真方法及相关组件，旨在解决现有仿真方法无法对全各向异性媒质进行有效仿真以及占用内存大、执行时间长等问题。

本发明实施例提供一种层状结构的全各向异性媒质的仿真方法，其包括：

建立层状结构的全各向异性媒质的电磁场模型，以及建立所述全各向异性媒质的3D几何模型；

对所述3D几何模型赋予材料属性；

设置初始条件和边界条件；

采用全各向异性麦克斯韦方程组获得全各向异性媒质中的亥姆霍兹方程；

通过对亥姆霍兹方程的推导，获得单一方向上的电场分量的常微分方程，从而获得全各向异性媒质中的四个不同的特征值；

通过给定电场分量的表达形式，获得在三维情况下的其他场分量的表达形式；

构造全各向异性媒质中的电磁场传递矩阵，并计算出反射系数和透射系数，实现仿真过程。

进一步的，所述采用全各向异性麦克斯韦方程组获得全各向异性媒质中的亥姆霍兹方程，包括：

从全各向异性麦克斯韦方程组出发得到：

其中，E和H分别为电场强度和磁场强度，张量υ表示为：

其中，张量υ中的元素为υ_ij，i,j＝1,2,3；

获取全各向异性媒质中的亥姆霍兹方程：

其中，张量χ表示为：

张量χ中的元素为χ_ij，i,j＝1,2,3；