耦合模理论-coupled mode theory
《耦合理论》课件
有限差分法
总结词
有限差分法是一种将偏微分方程离散化 为差分方程的方法。
VS
详细描述
有限差分法通过将连续的时间和空间变量 离散化为有限个离散点,并使用差分近似 代替微分,将偏微分方程转化为离散的差 分方程组。然后,使用迭代或其他数值方 法求解该差分方程组,以获得近似解。
谱方法
总结词
谱方法是一种基于傅里叶级数或其它正交多 项式展开的数值方法。
详细描述
在电路中,耦合现象通常表现为信号的传递 和干扰。例如,变压器、电感和电容等元件 之间存在电磁耦合,这些耦合会导致信号的 传输和能量的损失。为了减小耦合效应,工 程师需要合理地设计电路布局和元件参数,
以优化电路性能。
建筑结构的耦合分析
总结词
建筑结构的耦合分析是指将结构视为一个整体,分析其各组成部分之间的相互作用和影 响。
02
根据影响和作用的范围,耦合可以分为局部耦合和全局耦合。局部耦合是指影 响和作用仅限于系统或组件的局部范围,而全局耦合则是指影响和作用遍及整 个系统或组件。
03
根据影响和作用的稳定性,耦合可以分为稳定耦合和不稳定耦合。稳定耦合是 指影响和作用在长时间内保持稳定,而不稳定耦合则是指影响和作用随时间变 化而变化。
时空耦合模型是指系统中各部分之间 的相互作用关系不仅与它们的状态变 量有关,还与时间和空间有关。
时空耦合模型在气候变化、地震预测 和城市规划等领域有广泛应用,例如 气候模式和城市交通网络等。
在时空耦合模型中,各部分之间的相 互作用力不仅与它们的状态变量成正 比,还与时间和空间有关,因此系统 状态的演化是时空相关的。
耦合的应用场景
01
在通信系统中,耦合可 以被用于描述信号传输 过程中的能量损失和干 扰现象。
BCS理论(BCS—“Bardeen,Cooper,Schrieffer”theory)物理中学百科
BCS理论(BCS—“Bardeen,Cooper,Schrieffer”theory)物理中学百科人才源自知识,而知识的获得跟广泛的阅读积累是密不可分的。
古人有书中自有颜如玉之说。
杜甫所提倡的读书破万卷, 下笔如有神等,无不强调了多读书广集益的好处。
这篇BCS理论(BCSBardeen,Cooper,Schrieffertheory)物理中学百科,希望可以加强你的基础。
BCS理论(BCSBardeen,Cooper,Schrieffertheory)BCS理论(BCSBardeen,Cooper,Schrieffertheory)这是美国物理学家巴丁(J.Bardeen),库珀(L.N.Cooper)和徐瑞弗(J.R.Schrieffer)(简称BCS)于1957年提出的、后为公认的超导电性微观理论,用电-声子机制解释了超导电性的成因和一系列物性,为此,他们于1972年获得诺贝尔物理学奖。
他们指出,晶体中电子和声子间的相互作用是基础,并对超导电性起主要作用,这个基础即电-声子机制的所在。
当有关电子态间的能量差小于声子能量`hbaromega`时,电子间由于交换虚声子所产生的相互作用是吸引的,这种吸引超过电子间排斥的屏蔽库仑作用时仍有净的有效吸引,这就有利于形成超导相,且在费米面(海)附近形成束缚的库珀电子对时(参见库珀电子对),电子间具有最强的净吸引力。
按此,晶体电子系统由BCS理论给出的对近似配对哈密顿(BCS哈密顿)可表示为:$fr{H}=sum_{bb{K}sigma}epsilon_bb{K}n_{bb{K}sigma}-sum_{bb{KK'}}$VKK'CK C-KC-KCK',而BCS基态波函数|〉0=$prod_bb{K}$(uK vKCK C-K |0〉式中K,分别为电子的波矢和自旋,,为两个相反方向自旋,K是以费米面为零点的电子动能,nK=CK CK为粒子数算符,C 和C分别为产生和湮灭算符,VKK'0表示为净相互作用吸引势矩阵元,|0〉为真空态,uK和vK分别表示对态(K,-K)空着的和占有的概率振幅,并由|〉0的归一化要求给出uK2vK2=1,且有:$u_bb{K}^2=1/2(1 frac{epsilon_bb{K}}{E_bb{K}})$$v_bb{K}^2=1/2(1-frac{epsilon_bb{K}}{E_bb{K}})$这里,$E_bb{K}=(epsilon_bb{K}^2 Delta^2)^{1/2}$为准粒子(正常电子)能量,也称激发能,其对应的态称激发态,(T)为与温度T有关的能隙参量,同时系统在T=0K时的基态能量为:$E_s(0)=sum_bb{K}[epsilon_bb{K}-(epsilon_bb{K} Delta^2(0))^{1/2}]$$ frac{Delta^2(0)}{V}$这里用了常量(平均)近似VKK'=V,而$fr{H}$中的V包括电-声子吸引相互作用势Vph和屏蔽库仑排斥的相互作用势(-Vc)。
第三章 模耦合理论及应用
B( z )
2
d 2 2 ( A( z ) B( z ) ) 0 dz
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
如果耦合区域在 0 z L范围内,而初始条 A(0) 1, B(0) 0 即:在起始处光功率在 件为 波导I处,即书上说的波导I被激励 如果 A(0) 0, B(0) 1 ,则是起始处在波导 II处。 则将模耦合方程求解得到:
3.1.1模耦合理论的基本概念—耦合方程
模耦合的基本思想:
有波导I和 II ,当它们离得充分远时,假设其 各自的简正模场分布为φaφb ,并分别以传输 常数βa βb进行传输,然后,将两个波导相互 靠近,简正模的场分布不再是φaφb,而是将 包含波导I、II 的整个体系看作是一个波导, 此时耦合波导体系中传输的将是两个新的简正 模φeφo传输常数φe φo 此是模耦合的基本 概念。 53页给出
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
则将模耦合方程求解得到:
A( z )
B( z ) e
iz
12
2 c 2
e iz sin ( c2 2 )1 / 2 2
2 1/ 2
cos(
2 c
)
z i 2 sin ( c2 2 )1/ 2 z ( c 2 )1/ 2
e
j ( b a ) z
表示两个模之间的耦合系数
表示两个模之间的相位匹配常数
3.1.1模耦合理论的基本概念—耦合方程
ab c f f b dxdy
* a II
其积分范围是波导II 的截面
C是 a , b 归一化相关常数
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
mim波导耦合谐振腔系统中fano共振效应及其传感特性研究
MIM波导耦合谐振腔系统中Fano共振效应及其传感特性研究摘要表面等离极化激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)为金属表面自由电子与入射光子相互作用产生的沿金属表面传播的电荷密度波,其具有突破光衍射极限的能力,使得在亚波长尺度对光进行操作成为可能。
随着研究的不断深入,基于SPPs的光子器件已经被广泛应用于光开关、滤波器、生化传感等领域。
基于金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导的SPPs微纳传感器因具有体积小、灵敏度高和易于集成等优点引起了人们的广泛关注。
最近研究表明基于波导耦合谐振腔结构能够产生一些新颖的非线性光学效应,如Fano共振、电磁诱导透明。
Fano 共振效应是一种弱耦合作用,其对结构参量和周围介质的变化异常敏感。
因此,利用SPPs波导耦合谐振腔结构实现的Fano共振效应来设计高灵敏SPPs传感器是一种非常有希望的途径。
本论文基于耦合模理论(Coupled Mode Theory,CMT)和有限元方法(Finite element method,FEM),研究了MIM波导耦合谐振腔结构中的Fano共振现象,并设计了三种基于Fano共振效应的高灵敏折射率传感器,主要工作简述如下:1、设计了MIM波导耦合齿形和圆环形谐振腔结构,利用有限元方法仿真分析了该结构传播特性和折射率传感特性,结果在波导耦合谐振腔结构中产生了Fano共振。
研究结果表明该结构折射率灵敏度为1057nm/RIU,FOM值为1016。
基于耦合模理论详细分析了该耦合结构Fano共振的产生机理。
此外,设计了两种衍生结构,在衍生结构的透射光谱中观察到了多个Fano共振峰,进一步研究了衍生结构的稳态磁场分布与结构参数对Fano共振线型的影响。
2、设计了MIM波导耦合矩形和圆环形谐振腔结构,采用有限元方法研究了该结构的传播特性,结果在透射光谱中观察到了非对称的Fano共振线型。
定向耦合 奇模 偶模-概述说明以及解释
定向耦合奇模偶模-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述定向耦合是一种特殊的耦合方式,它在电磁波传输中起到了至关重要的作用。
定向耦合器被广泛应用于通信系统、雷达系统和微波电路等领域,以实现信号的传输和控制。
定向耦合器的设计和优化是这些系统中关键的一环,对系统性能的提高有着重要的意义。
在定向耦合器的设计中,奇模和偶模是两个重要的概念。
奇模是指当有一个输入端口有信号输入时,其他未激励的端口上产生的信号响应;而偶模是指当有两个相邻的输入端口有信号输入时,其他未激励的端口上产生的信号响应。
在定向耦合器的工作过程中,奇模和偶模的特性不仅直接影响了耦合的效果,还与定向耦合器的互联性能和参数有一定的关系。
本文将从定向耦合的概念、奇模和偶模的特点以及它们的相互关系等方面进行详细阐述,并探讨定向耦合在实际应用中的价值。
通过对定向耦合的深入研究,我们可以更好地理解定向耦合器的工作原理和性能特点,进一步提高通信系统和雷达系统等领域中的传输效果和控制能力。
在接下来的章节中,我们将逐一探讨定向耦合的各个方面,并通过实例和实验结果进行说明。
通过本文的阅读,相信读者能够对定向耦合具有更深入的理解,并将其应用于实际工程项目中,提升系统的性能和可靠性。
同时,本文也将为相关研究人员提供一些参考,以便于他们在该领域开展更加深入的研究和实践工作。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容:文章结构部分旨在介绍本文的整体组织和内容安排,以便读者更好地理解和阅读本文。
本文按照以下结构展开:第一部分为引言部分。
首先,我们将对定向耦合、奇模和偶模的概念进行简要的介绍,帮助读者了解本文的主要研究领域。
接着,我们将详细描述本文的结构和组织方式,以便读者了解各个章节的内容和目的。
最后,我们将明确本文的目的,即为了传达和探讨定向耦合、奇模和偶模的重要性和应用价值。
第二部分为正文部分。
在本节中,我们将深入探讨定向耦合的概念,并对其特点进行详细阐述。
无线电传输在双线圈及四线圈系统中的耦合模理论
Transmission of Wireless Power in Two-Coil and Four-Coil Systems using Coupled Mode TheoryManasi Bhutada, Vikaram Singh, ChiragWartyDept. of Electrical and Electronics EngineeringIntelligent Communication LabMumbai, India无线电传输在双线圈及四线圈系统中的耦合模理论电气与电子工程系智能通信实验室印度,孟买姓名:学号:班级:日期:2016年7月2日Abstract—Wireless Power Transfer (WPT) systems are considered as sophisticated alternatives for modern day wired power transmission. Resonance based wireless power delivery is an efficient technique to transfer power over a relatively long distance. This paper presents a summary of a two-coil wireless power transfer system with the design theory, detailed formulations and simulation results using the coupled mode theory (CMT). Further by using the same theory, it explains the four-coil wireless power transfer system and its comparison with the two-coil wireless transfer power system. A four-coil energy transfer system can be optimized to provide maximum efficiency at a given operating distance. Design steps to obtain an efficient power transfer system are presented and a design example is provided. Further, the concept of relay is described and how relay effect can allow more distant and flexible energy transmission is shown.摘要——无线电源传输(WPT)系统被认为是复杂的现代有线输电的替代品。
无线电能传输技术及应用资料
无线电能传输技术简介
2007年,美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology) MIT) 的Marin Soljacic教授等人基于磁耦合谐振原理在中等距离无线电能传输 方面取得了新进展。他们“隔空”点亮了1盏离电源2m开外的60W灯泡 ,效率达到了40%,并在《Science》杂志上发表了其研究成果,引起了 世界轰动。随后,世界各地的研究人员对无线电能传输开展了越来越多 的研究。
美国两所大学与英特尔试 制成功人工心脏无线供电 系统
无线电能传输在植入医疗器械中的应用
植入式人工心脏无线电能传输临床试验中出现了几大问 题:
① ② ③ ④ 线圈方位敏感 环境参数敏感 植入性和便携性难题 电磁兼容问题
分布式FREE-D人工心脏无线电能传输概念系统
如果上述问题得不到妥善解决,就无法在患者自由活动的情况下提 供可靠而持续的无线电能传输,患者体内就需要植入备用电池,无 线电能传输可能就失去其优势。到目前为止,基于磁耦合谐振的人 工心脏无线电能传输系统离临床应用还很远。
无线电能传输在植入医疗器械中的应用
2011年,美国华盛顿大学、匹兹堡大学医学中心与英特尔宣布,利用磁耦合谐振 无线电能传输技术,共同试制出了植入式人工心脏使用的供电系统,该系统在一般的 直径为数十厘米谐振线圈的基础上进行了改进,在人工心脏上安装了直径4.3cm的接收 线圈,并且将其放入模拟人体组织环境的容器中,对能否从容器外部供电进行了实验 研究。结果显示,能够以80%的传输效率稳定施供电。如果把该技术与容量可为人工 心脏供电约2个小时的蓄电池组合使用,电源线就无需探出体外感染的风险会因此而骤 降。而且,在蓄电池未耗尽期问,患者还可以取下电源系统,可淋浴、可在泳池游泳 。而且该技术将不仅限于人工心脏,在其他的医学领域也会有较为广泛的应用。
耦合模理论
the initial conditions at t =0 are as follows:
A1 (0) = 1, A2 (0) = 0 ,
We can see the variations of the amplitudes of the two coupled pendulums in Fig.b
plot a graph to express the process as shown in Fig.b and Fig.c. The abscissa
represents the time, and the ordinate A represents the amplitude of each pendulum. If
fact that the pendulums are connected to a same string, and any vibration of one of the
pendulums will have an effect on the other through the string.
It has been recognized that coupled transmission lines, coupled electrical circuits,
now the abscissa represents distance instant of time.
Sometimes the coupling is not between the same kind of waves or oscillations, for
example, in a traveling wave tube, a space-charge wave and an electromagnetic wave
耦合波导理论
第二章线性电光效应的耦合波理论 2001年,She 等人提出一种全新的理论,它从麦克斯韦方程出发,考虑二阶非线性极化强度(也就是只考虑线性电光效应),忽略其余高阶极化强度,推出关于线性电光效应的耦合波方程,得到在电场作用下的晶体中光的两个独立电场分量的解析解。
这种方法,可运用于研究光在任意一个方向的电场作用下沿任意方向传播的各种线性电光效应的情况,并且不单可以用于研究光的振幅调制,也可以容易去解决光的相位调制问题。
另外对于给定的一个晶体(点群),能根据需要利用该理论进行优化设计。
这全新的耦合波理论相对折射率椭球理论来说,它的物理图象清晰,得到的结果是解析解,不用再作任何数学变换。
我们不单可以方便地进行优化设计,而且也可用于电光调制器等电光器件性能的分析。
它的出现拓展电光材料的选择范围和优化调制器的调制方式,从而引起了电光效应研究领域内新一轮的探索。
2.1 理论推导波在介质中传播时,能够通过介质内的非线性极化而相互作用将导致形形色色的非线性光学现象,如高次谐波、参量转换、受激散射等等。
电光效应就是其中的一种非线性光学现象。
电(波)与光(波)的互作用,实质上又可以看作是几个处于不同波段的电磁波在非线性介质中的波耦合过程,因此可以象非线性光学那样,通过求解耦合波方程来获得电光作用的有关知识。
对于普克尔效应,是入射波为光+)(ω电波)(m ω产生一个输出光波)(m ωω+的三波耦合过程。
对于电光效应,它涉及到的是光与物质的相互作用,光是由麦克斯韦方程或场方程描述,物质体系是由光学布洛方程描述。
于是我们采用类似非线性光学方法,首先给出相应的非线性极化强度,把电场所感生的附加极化矢量当成一个微扰量P ∆,再将它视为新的极化光源引入麦克斯韦波动方程,通过整理最后可得到相应的耦合波方程。
线性电光效应耦合波理论就是以麦克斯韦波动方程为基础和出发点推导出来的。
我们可以由麦克斯韦方程组和物质方程推导出:220222)()]([)(t t P t c t E t E NLS ∂∂-=∂⋅∂+⨯∇⨯∇με (2-1) 根据矢量运算规则,E E E 2)(∇-⋅∇∇=⨯∇⨯∇ (2-2)这样可得:2202222)()]([)()]([t t P t c t E t E t E NLS ∂∂-=∂⋅∂+∇-⋅∇∇με (2-3) ε 为介质的相对介电张量,0μ为真空中的磁导率,c 为真空中的光速,E (t )为介质中的总电场强度,)(t P NLS 为只与电场强度E(t)有关的介质非线性极化强度,暂不考虑旋光效应。
多场耦合仿真模型参数优化技术
多场耦合仿真模型参数优化技术1.参数优化技术在多场耦合仿真模型中起着至关重要的作用。
Parameter optimization technology plays a crucial role in multi-field coupled simulation models.2.通过参数优化技术,可以提高仿真模型的准确性和预测能力。
Parameter optimization technology can improve the accuracy and predictive ability of simulation models.3.合理选择和调整参数是优化技术的关键之一。
Reasonable selection and adjustment of parameters are key to optimization technology.4.参数优化技术可以缩短仿真模型的计算时间。
Parameter optimization technology can reduce the computation time of simulation models.5.优化技术可以帮助找到最佳参数组合,从而提高模型的性能。
Optimization technology can help find the optimal parameter combination, thus improving the performance of the model.6.参数优化技术需要结合实验数据进行验证和调整。
Parameter optimization technology needs to be validated and adjusted with experimental data.7.基于参数优化技术的仿真模型能够更好地预测实际情况。
Simulation models based on parameter optimization technology can better predict real situations.8.优化技术可以通过自动化方法来寻找最佳参数组合。
耦合模理论的推导公式
CMT 可得
a1(t) (j 1)a1(t) jK 12a2(t) FS(t) a2(t) (j 2 1)a2(t) jK 12a1(t)
(6) (7)
在上述公式中, 1, 2, L 分别为原线圈的损耗、负载线圈的损耗和
负载的吸收功率, K12 为两个线圈的耦合率, FS(t) 为励磁损耗(忽略不
所带的负载, K 2 和 K 3 分别为两个负载线圈的耦合系数.同理可得
U
R
j
L1
1 C
1
I
1
jM 2I 2
jM 3I 3
(10)
0
R
RL2
j
L
2
1 C
2
I
2
jM 2I 1
(11)
0
R
RL3
j
L
3
1 C 3
I
3
jM 3I 1
(12)
在谐振状态下的传输效率为
CT
P
I R 2 2 L2
在谐振状态下,
0
L1
1 0L1
,
L0 2
1 0L2
,
X
1
R,
X
2
R
,从而得到
CT
((RL
2M 2 RL R)R 2M 2 )(RL
R)
(5)
1.2 CMT 分析
CPT 系统中,常常只涉及稳态分析,在此也仅分析稳态特性。主
线圈的幅值在正弦时为一个常数;同理,次线圈的幅值也是一个常数, 两个时间域线圈 a1(t), a2(t) 的原始储能可分别表示为 a1(t) 2 , a2(t) 2 。由
( L 2)(( L 2)1 K 122
光波导理论研究现状
光波导理论研究现状凤兰【摘要】光波导可以被广泛应用在集成光学各个领域.对各种光波导的理论进行分析,并在此基础上提出更有效和更简便的理论分析方法,从不同的宏观角度出发,不同程度地回答光在光波导中传输时的行为及其构成等基本问题,对光波导理论的研究具有重要的实际意义.【期刊名称】《内蒙古石油化工》【年(卷),期】2014(000)019【总页数】2页(P25-26)【关键词】光波导;理论研究【作者】凤兰【作者单位】内蒙古电子信息职业技术学院,内蒙古呼和浩特010070【正文语种】中文【中图分类】TN252.011 集成光学发展的历史、现状和趋势光纤通信的发展,推动着人类社会向信息社会变革。
1970年第一根低损耗光导纤维的出现,翻开了人类通向信息社会的新的一页。
研究光如何在光纤和各种光波导中传输的理论,即光波导理论,则是光纤传输的基本理论,是它指导着光纤技术的前进[1]。
对于光在光纤和各种光波导里面的传输理论,是近二三十年的事情。
光波导理论源于微波波导理论。
20世纪50年代后期,电子学的发展,使人类对电磁波的利用推进到了微波波段,全世界都致力于微波波导的研究,包括我国,都曾大力研究微波圆波导传输,其中研究的最多的是介质薄膜波导和螺旋波导[2]。
从微波到光,是人类对电磁波利用的必然趋势。
光波导理论和微波理论有着密切的联系,然而二者也有截然不同的特点。
光波导不仅仅是微波波导尺寸的缩小,光在光纤中的损耗机理、光波导的弱导性及其他传输特性都与微波波导不同,所以光波导理论是一门独立的理论。
集成光学是20世纪60年代末才发展起来的一门新兴学科,它是现代光电子学的一个重要分支。
由于微电子技术的蓬勃发展,平面微细加工技术日益完善,以晶体和非晶体材料为衬底的光波导应运而生,使人们可能将光限制在与其波长相比拟的微小空间加以研究和利用。
当光被限制在介质波导中传播时,可以利用介质材料的电-光、声-光和磁-光等多种物理效应对其波导中传播的光进行控制或处理。
光电子理论与技术的五个前沿领域介绍
光电子理论与技术的五个前沿领域介绍摘要:人们都达成这样一个共识,即21世界时生物时代与光的时代。
光电子理论的研究已经有了很多的成果,来自不同领域的科学家都在各自的领域里对光电子的理论有一定的贡献,不断丰富着光电子理论的内容,而且在技术上已经有很大的应用。
光电子学在21世纪必定引导着技术革命的先潮。
现在以及未来交叉学科的研究必然会使得光电子学更进一步的发展。
本文主要就光电子理论与技术的五个前沿领域介绍:生物医学光子学,光纤通信技,集成光学,等离子体光学,微纳光学。
这五个方面的理论研究很成熟,而且实际应用的技术也非常之多。
其技术应用在生活,医疗的方面为我们所熟悉,此文特点在于对理论进行一些简单介绍,而注重的是这五个方面在实际中的应用举例,以开阔视野为主要目的。
关键字:光电子理论生物医学光子学光纤通信技集成光学等离子体光学微纳光学Abstract: People have reached a consensus that the 21st century when the era of biological age and light. Optoelectronics research has had a lot of theoretical results, the scientists from different fields in their respective fields on the photoelectron contribution to the theory of a certain, and constantly enrich the content of photoelectron theory, but also has great application of technology . Optoelectronics in the 21st century will lead the first wave of technological revolution. Current and future cross-disciplinary research is bound to make further development of optoelectronics. This review focuses on theory and technology of optoelectronic five fronts: Biomedical photonics, optical fiber communication technology, integrated optics, plasma optics, micro-nano optics. Theoretical Study of these five areas are mature and practical application of the technology is also very much. The technology used in life, the medical aspects familiar to us, the article is characterized by a brief introduction on some of the theory, and focus on five aspects is in the practical application example, the primary purpose to broaden our horizons.Keywords: Biomedical Photonics, Optoelectronics theory technology integrated optical fiber communication optical micro-nano optical plasma一.生物医学光子学生物医学光子学(Biomedical Photonics)作为光子学与生命科学交叉形成的新的学科分支,将研究对象直指高等生命活体,特别是人类生活中所面临的一些重大问题。
耦合过程及其多尺度行为的理论与应用研究
耦合过程及其多尺度行为的理论与应用研究一、概述耦合过程及其多尺度行为的理论与应用研究,是一个跨学科的综合性研究领域,涉及物理学、化学、生物学、工程学等多个学科。
耦合过程指的是两个或多个系统或过程之间相互作用、相互影响的现象,这种相互作用往往导致系统整体性质的改变和新现象的产生。
而多尺度行为则是指在不同时间或空间尺度上,系统或过程所表现出的不同特征和规律。
在自然界和工程实践中,耦合过程及其多尺度行为广泛存在,如气候系统中的大气海洋陆地相互作用、生物体内的代谢过程与基因表达的相互调控、材料科学中的多相流与界面反应等。
这些耦合过程不仅影响着系统的基本性质和功能,同时也是许多复杂现象和问题的根源。
深入研究耦合过程及其多尺度行为,对于揭示自然现象的本质、优化工程设计和推动科技进步具有重要意义。
在理论层面,耦合过程及其多尺度行为的研究需要借助数学、物理和计算科学等多学科的知识和方法。
通过建立数学模型和仿真算法,可以定量描述和分析耦合过程的动力学行为、多尺度特征以及参数影响等。
随着计算机技术的不断发展,高性能计算和大数据分析等技术的应用也为耦合过程的研究提供了新的手段和可能性。
在应用层面,耦合过程及其多尺度行为的研究成果在多个领域具有广泛的应用前景。
在气候预测和环境保护中,可以通过研究大气海洋陆地等系统的耦合过程来预测极端天气和制定减排策略在生物医学工程中,可以利用多尺度模拟和优化方法来设计更高效的药物和医疗器械在材料科学和能源领域,可以通过研究材料的多尺度结构和性能关系来开发新型材料和提高能源利用效率。
耦合过程及其多尺度行为的理论与应用研究是一个充满挑战和机遇的研究领域。
通过深入探索和理解耦合过程的本质和规律,我们可以为自然现象的解释、工程设计的优化以及科技进步的推动提供有力的理论支撑和实践指导。
1. 耦合过程的概念与定义作为一种广泛存在于物理、生物、社会等系统中的现象,是指两个或多个系统、部分或元素之间存在的相互作用、相互关联以及能量或信息交换的过程。
fdtd计算偶极子的耦合模式
FDTD(有限差分时域)方法是一种广泛应用于计算电磁场问题的数值求解方法。
在电磁场问题中,偶极子的耦合模式是一个重要的研究课题。
偶极子的耦合模式可以应用于天线设计、射频电路设计、电磁遥感等领域。
本文将介绍如何使用FDTD方法来计算偶极子的耦合模式。
1. 研究背景在电磁场问题中,偶极子是一种常见的辐射源。
偶极子的耦合模式是指多个偶极子之间相互作用后形成的新的辐射模式。
研究偶极子的耦合模式可以帮助我们更好地理解多天线系统的工作原理,优化天线布局,提高天线阵列的性能。
对偶极子的耦合模式进行准确计算和分析具有重要的理论和实际意义。
2. FDTD方法简介FDTD方法是一种时域求解电磁场问题的数值计算方法,它通过对Maxwell方程组进行差分离散,利用时域电场和磁场的离散方程进行交替迭代,最终得到电磁场在空间中的分布。
FDTD方法结合了时域和空域的离散,并且具有较好的数值稳定性和收敛性,因此被广泛应用于天线设计、电磁散射、射频电路设计等领域。
3. 计算偶极子的耦合模式对于具有多个偶极子的系统,我们可以利用FDTD方法来计算偶极子之间的耦合模式。
我们需要对偶极子进行建模,考虑偶极子的结构、周围介质、激励方式等因素。
我们可以利用FDTD方法对多个偶极子进行串联或并联的方式进行求解,得到偶极子之间的耦合模式。
在计算过程中,需要考虑偶极子之间的相对位置、偶极子的激励幅度和相位等因素。
4. 分析结果和应用通过对偶极子的耦合模式进行FDTD计算,我们可以得到偶极子之间的相互辐射模式、辐射功率耦合系数、相互阻抗等重要参数。
这些参数对于多天线系统的设计和优化具有重要的指导意义。
在天线阵列设计中,我们可以根据偶极子的耦合模式来优化天线的布局,提高整个天线阵列的辐射效率和波束特性。
在射频电路设计中,我们可以根据偶极子的耦合模式来优化天线和射频电路的匹配,提高系统的整体性能。
5. 总结通过FDI方法计算偶极子的耦合模式,可以帮助我们更好地理解和优化多偶极子系统的性能。
耦合式光电振荡器的理论与实验研究
耦合式光电振荡器的理论与实验研究徐伟;金韬;池灏【摘要】In order to study coupled optoelectronic oscillators ( COEO) further, the mode selection theory of COEO was expounded .The phase matching condition to maintain optimum mode-locked state wasgiven .The affecting factors of phase noise of radio frequency signal were analyzed .The experiment of COEO based on polarization-maintaining mechanism was conducted .By adjusting the polarization-maintaining variable optical fiber delay lines in the optical ring cavity and the optoelectric microwave oscillation loop to change the cavity length , the relationship between cavity length and oscillation frequency wasobtained .Meanwhile, by using the frequency discrimination method , phase noise performances of 5GHz radio frequency ( RF) signals under different operating conditions were measured and the effective factors were studied .The experimental results demonstrate that oscillation mode depends on the cavity length of optical ring cavity .Optical signal polarization, phase matching and loop length have influence on the phase noise of the RF signals . The coupled optoelectronic oscillator of 5GHz RF signal and phase noises of -136dBc/Hz at 10kHz offset frequency is obtained , whose phase noise is the lowest in our country as far as we know .%为了研究耦合式光电振荡器,阐述了耦合式光电振荡器的模式选择理论,给出了维持最佳锁模状态的相位匹配条件,分析了影响射频信号相位噪声的因素,进行了基于保偏机制的耦合式光电振荡器的实验研究。
双脊波导定向耦合器耦合器设计412
双脊波导宽带定向耦合器设计摘要定向耦合器是微波系统中广泛使用的微波器件,在功率测量、微波传输系统,反射计及双工器等中有着广泛的应用。
由于定向耦合器应用场合及条件的不同,其种类很多而且差异性极大。
从结构上可分为波导、带状线、微带线、同轴线耦合器;从耦合形式上分为小孔耦合及缝隙耦合定向耦合器。
现代电子系统、测量系统以及一些微波系统要求实现宽带,这种趋势对各种微波器件提出了更高的带宽要求,所以对宽带定向耦合器的研究具有重要的的现实意义。
本文对脊波导、矩形波导、耦合方式进行分析的基础上,设计一款符采用非对称十字孔耦合定向耦合器。
通过分析及仿真知脊波导与矩形波导相比截止频率更低,相同尺寸情况下脊波导具有更宽的频带;非对称十字孔耦合在带宽方面比小孔耦合具有更宽的带宽更高的优势。
本论文对双脊波导定向耦合器及同轴波导转换器进行全面分析研究,主要工作如下:1.介绍了定向耦合器的种类、耦合机理主要性能参数等,在此基础上研究了双脊波导及矩形波导的传输特性,并利用HFSS软件给出了研究仿真实例。
2.设计一款采用非对称十字孔缝耦合定向耦合器,并对小孔孔径、孔间距以及孔边距对耦合器参数的影响进行分析。
3.设计一款双脊波导与同轴之间转换的同轴波导转换器,并对其阻抗匹配、带宽特性进行研究。
4.自己看看有没有要增加的研究内容或创新点。
关键词:定向耦合器双脊波导非对称十字孔宽带AbstractThe directional coupler is applied widely to Microwave Devices in MicrowaveSystem, for example there are all directional couplers in power measurement, microwave transmission system, reflect-meter, double stitch and duplexer. As the directional coupler has a wide use under different conditions. The directional coupler has a great many kinds and the otherness is large. In structure the coupler can be made in wave-guide strip-line microcircuit and coaxial axis. In coupling mode small aperture coupling is used most widely.Home and abroad the research of coupler is ripe, especially the research of wave-guide coupler is Pinakamatagal and the kinds are the most. However, the researches of double-ridge waveguide directional coupler are few. Modern microwave systems have a trend that more and more wide band is needed. Because the request of bandwidth is more and more wider in modern electronic system measurement system and other microwave systems, the trend promote the research of more wide band microwave devices, so the more wide band research has a greatly significant. Also this trend also promotes the research of coupler. In this article we will use the different principles of design of waveguide directional coupler for reference, we adopt the form of double-ridge waveguide to design high-power and broadband directional coupler. (Here we use the WRD650 standard form)As we know that the double-ridge waveguide has lower cut-off frequency than rectangular waveguide, the double-ridge waveguide also has wider single model bandwidth and lower impedance. So the double-ridge form has superiority. In the design first we adopt the circular holes coupling mode to acquire advantages and disadvantages in this mode. Then we change to adopt unsymmetrical cross hole to design the coupler. Comparing cross hole and circular hole we can find that the unsymmetrical cross hole is better than circular hole. By theory analysis, numerical calculation and electromagnetism simulating software we compare the results and improve the property . For the perfect target we also take several particular actions to improve the capability of double-ridge waveguide coupler.In this article, we have a comprehensive analysis and research to double-ridge waveguide directional coupler. The specific work is as follows:1.According to the basic coupler theory we apply the double-ridgedwave-guide to coupler design and analysis the superiorities of double-ridgedirectional coupler design.2.First adopting conventional sketched holes to design double-ridgedirectional coupler, then adopting improving form of unsymmetrical crossholes. Compare the forms, Double-Ridge Waveguide Directional Coupler inthe form of unsymmetrical cross hole is superior.3.Optimizing parameters of hole radius, hole distance and hole location,arriving at the best data.4.Analysis the effect when the structure of Double-Ridge Waveguide ischanged little, and find the sensitive factors of the coupler indicators.5.Design the converter between the Double-Ridge Waveguide and Coaxialline. Solve matching problem of impedance between Double-RidgeWaveguide and Coaxial line6.By simulation software, simplify the calculation of radius of holes. Onlyknowing the proportion of hole radiuses, we optimize the best data bysimulation software.目录摘要 (1)Abstract (1)目录 (3)第一章引言 (5)1.1研究背景与意义 (5)1.2双脊波导定向耦合器的研究状况 (7)1.3国内外动态 (8)1.4本论文的重要工作和章节安排 (9)第二章定向耦合器的理论基础 (10)2.1定向耦合器的结构特点 (10)2.2定向耦合器的技术指标 (12)2.3单孔耦合理论 (16)2.4相位叠加理论 (17)2.5 多孔耦合 (18)2.6 重要参数的设计 (21)第三章双脊波导定向耦合器的设计与研究 (23)3.1双脊波导的特征及参数 (23)3.2单孔耦合设计 (28)3.3双脊波导多孔耦合设计 (30)3.4非对称十字孔耦合器的设计 (36)3.5本章小结 (37)第四章定向耦合器结构尺寸对特性参量的影响 (38)4.1 孔径大小对耦合器的影响 (38)4.2孔边距对耦合器的影响 (38)4.3孔间距对特性的影响 (40)4.4双脊波导的长边和窄边以及脊深度微小变化的影响 (42)4.5波导厚度的影响 (45)4.6 本章小结 (46)第五章同轴波导转换器设计与研究 (47)5.1 探针激励波导结构 (47)5.2 转换接头的模型设计 (50)5.3本章小结 (52)第六章总结 (53)参考文献 (54)致谢 (57)攻硕期间取得的研究成果 (58)第一章引言1.1研究背景与意义在微波系统中定向耦合器是一种用途广泛的四端口微波元件,在功率监视装置和接收机的混频器中都要应用定向耦合器。
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Mode expansion Single-waveguide mode coupling Multiple-waveguide mode coupling Two-mode coupling Codirectional coupling Contradirectional coupling Phase matching
References: This lecture follows the materials from Photonic Devices, Jia-Ming Liu, Chapter 4.
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Coupled-mode theory
Coupled-mode theory deals with the coupling of spatial modes of different spatial distributions or different polarizations, or both. The normal mode fields spatial dependence in a lossless waveguide at a single frequency can be given as
ˆ ( x, y ) exp(i z ) E (r ) A ( z ) E
ˆ ( x, y ) exp(i z ) H (r ) A ( z ) H
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Single-waveguide mode coupling
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Single-waveguide mode coupling
E i 0 H H iE iP
The fields in the perturbed waveguide are governed by these two equations with P 0. The normal mode fields of the unperturbed waveguide also satisfy these two equations with P = 0.
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Power and orthogonality
The normal modes are orthogonal and can be normalized to have the orthonormality relation. Except for evanescent fields, the energy of the fields in a waveguide flows only in the longitudinal direction. The intensity of a waveguide mode is given by
The orthogonality relation or the orthonormality relation indicate that power cannot be transferred between different modes in a linear, lossless waveguide. For anisotropic or lossy waveguides, the orthogonality conditions for modes of such waveguides have other forms.
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Single-waveguide mode coupling
Using the two Maxwell’s equations, we have
* * * ( E1 H 2 E* H ) i ( E P E P 1 1 2 2 1) 2
If we take (E1, H1) to be those of the perturbed mode fields and (E2, H2) to be the normal mode fields, we have P1 = P and P2 = 0. Substituting these into the above equation and integrating both sides of the resultant equation over the cross section of the waveguide, we have
where the plus sign is for forward-propagating modes while the minus sign is for backward-propagating modes. The electric and magnetic field patterns of a particular mode are represented by the normalized mode field distributions E(x, y) and H(x, y). Here is the Kronecker delta function for discrete modes. For a nonplanar waveguide, = mn and = m’n’, and mm’ nn’ For a planar waveguide, = m, = m’, and mm’
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Power and orthogonality
For TE and TM modes, the power obtained by integrating I(x, y) can be given as 2 2 PTE E dxdy 0
PTM 1 2 H dxdy ( x, y ) 2
ˆ ( x, y ) exp i ( z ) E (r ) A E
ˆ ( x, y ) exp i ( z ) H (r ) A H
where E and H are normalized mode fields satisfying the orthonormality relation, and the summation sums over all discrete indices of the guided modes (and integrates over all continuous indices of the radiation and evanescent modes). In an ideal waveguide where these modes are defined, the normal modes do not couple. Then, the expansion coefficients A are constants that are independent of x, y and z.
E (r ) E ( x, y ) exp i ( z ) H (r ) H ( x, y ) exp i ( z )
The two Maxwell’s equations become
E i 0 H
H iE
The normal modes with fields given by E(r) and H(r) are characteristic solutions of Maxwell’s equations.
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Mode expansion
When there is a spatially dependent perturbation to a waveguide, the modes defined by the unperturbed ideal waveguide are no longer exact normal modes of the perturbed waveguide. They can now be coupled by the perturbation as they propagate along the waveguide. If the fields are still expanded in terms of the normal modes of the unperturbed waveguide, the expansion coefficients are no longer constants of propagation but vary with z as the fields propagate down the waveguide:
ˆ ( E H * E* H ) z ˆ I ( Sion of x and y. The power, P, of the mode is obtained by integrating I(x, y) over the entire transverse cross section of the waveguide.
Consider the coupling between normal modes in a single waveguide that is subject to some perturbation. The spatially dependent perturbation to the waveguide can be represented by a perturbing polarization P(r) at frequency . The following Maxwell’s equations are used
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Power and orthogonality
For TE modes, the orthonormality relation can be given as