一种基于非均匀磁化等离子体的修正Z-FDTD算法

摘要

对已有的Z变换时域有限差分法(Z-transformation Finite Difference Time Domain,Z-FDTD)在电磁波与非均匀磁化等离子体中的传输特性分析的计算误差问题进行了研究，并探讨了一种修正计算误差的Z变换时域有限差分方法 (Modified Z-transform Finite Difference Time Domain, MZ-FDTD)，以提升Z-FDTD方法对非均匀磁化等离子体的适用性。对MZ-FDTD和Z-FDTD之间的计算误差问题，通过严格的公式推导求得该误差的计算公式，并引入误差分析因子，对比分析了该误差受空间步长和非均匀磁化等离子体的物理特性的影响特征，在充分的误差分析与网格参数对比后，以电磁波在非均匀磁化等离子体中的传输特性为分析目标，举例说明了MZ-FDTD的优越性。研究结果表明，相比于经典Z-FDTD，通过MZ-FDTD方法计算得到的数值结果具有更高的计算准确度，较低的运行时间和较少的运行内存占用。此外，对电磁波在非均匀等离子体中传输特性分析的举例说明也证明了相比于Z-FDTD，优化的Z-FDTD方法无论是在较低频段还是较高频段都保持较好的稳定性。在今后的工作中，使用MZ-FDTD方法研究非均匀磁化等离子体问题将会获得更好的计算结果，这项工作中的误差分析方法也将对某些计算电磁学在等离子体中的应用与优化工作起到一定的帮助作用。

关键词

非均匀磁化等离子体 / Z-FDTD / 算法修正

基金资助

甘肃省科技计划资助(20JR10RA080); 西北师范大学青年教师能力提升计划(NWNU-LKQN-17-14)