脊位于窄边的单脊波导传输特性
摘 要:文章用有限差分理论获得场的差分方程组的通用矩阵形式,分析了脊位于窄边的单脊波导本征值问题,获得了脊位于窄边的单脊波导的截止波长一系列数据,对脊波导器件的应用有一定的实际意义。
关键词:有限差分法;脊波导;本征值
引言
导波系统可以导引电磁波在其中传播,人们希望能够获得简单并且精确求解脊波导的计算方法,但对高次模却无能为力,特别是当脊很薄和脊沟很窄时,其精度受很大限制。
1 原理
图1是脊位于窄边的单脊波导结构图。假设脊波导内为空气,且纵向均匀,则波导内的场满足亥姆霍兹方程(为方便起见,记?准代表HZ或EZ)。
通过理论分析,可以得出以场量?准i(?准1,?准2,·,?准n)为未知数的n个差分方程,由此构成的差分方程组以矩阵形式表示为
(1)
式中[A]为系数矩阵;[?准]是以网格节点上的待求场量?准i(?准1,?准2,·?准n)为分量的列向量,即本征向量;kC是本征值,?姿C=■是截止波长,文章采用双重迭代法求本征值kC。
2 数值计算结果
设宽边a,窄边b=0.45a,下面是计算机编程得到的数据:?姿C/a是归一化截止波长。
2.1 s/b=0.3 b/a=0.45
d/a c/b=0.1 c/b=0.2 c/b=0.3 c/b=0.35
2.2 s/b=0.5 b/a=0.45
d/a c/b=0.1 c/b=0.2 c/b=0.3
2.3 s/b=0.6 b/a=0.45
d/a c/b=0.1 c/b=0.2
3 结果分析
3.1 当脊宽s/b和脊高d/a固定,且d/a<0.4,随着脊从波导的窄面移到中心处位置期间归一化截止波长?姿c/a有微弱减小,当在中心位置时,得到稳定的归一化截止波长?姿c/a;但当d/a>0.3且s/b<0.5时,随着脊从波导的窄面移到中心处位置期间归一化截止波长?姿c/a递增,当在中心位置时,得到最大的归一化截止波长?姿c/a;当d/a>0.3且s/b>0.4时,随着脊从波導的窄面移到中心处位置期间归一化截止波长?姿c/a递增,当趋近于中心位置时,归一化截止波长?姿c/a会保持在某一稳定值。
3.2 当脊位置c/b和脊高d/a固定,d/a<0.4时,随着脊宽s/b从0.1到0.9归一化截止波长?姿c/a递减;当d/a>0.3和s/b<0.6时,随着脊宽s/b从0.1到0.9归一化截止波长?姿c/a递增;当d/a>0.3和s/b>0.5时,随着脊宽s/b从0.1到0.9归一化截止波长?姿c/a递减。
3.3 当脊位置c/b和脊宽s/b固定,随着脊高d/a从0.1到0.9,归一化截止波长?姿c/a先递减后递增。
参考文献
[1]邓素芬,杨...
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