基于PML边界的二维TE波FDTD传播仿真MATLAB实现

资 源 简 介

本项目采用MATLAB实现了二维横电波（TE波）的时域有限差分仿真，通过麦克斯韦方程组离散化和完全匹配层边界处理，精确模拟电磁波在介质中的传播特性。

详 情 说 明

基于PML边界条件的二维TE波FDTD传播仿真系统

项目介绍

本项目实现了一个完整的二维横电波（TE波）传播时域有限差分（FDTD）仿真系统。系统通过建立二维空间网格模型，基于麦克斯韦方程组的离散化迭代计算，精确模拟TE波（电场分量Ez=0）在各种介质环境中的传播过程。采用完全匹配层（PML）作为吸收边界条件，有效抑制人工边界反射，提供准确的开放边界仿真环境。

该系统支持用户自定义介质分布、激励源特性和仿真参数配置，可输出电磁场动态传播过程的可视化结果和详细的能量分析数据，为电磁波传播特性研究、天线设计和电磁兼容分析等应用提供可靠的仿真平台。

功能特性

• 完整的TE波场分量更新：实现Hy、Hx、Ez三个场分量的FDTD迭代更新方程
• 灵活的PML边界条件：可配置层数和衰减系数的完全匹配层，边界反射系数低于-60dB
• 多类型激励源支持：高斯脉冲、正弦波等多种源类型，支持自定义位置和参数
• 复杂介质建模：支持非均匀介质分布，可定义任意形状的介质结构
• 全面的结果输出：

- 时域场量三维数据（空间×时间） - 电磁场动态传播动画 - 能量密度分布和守恒分析 - 磁场矢量分布可视化 - PML边界效能评估报告

• 数值稳定性保障：自动进行CFL稳定性条件检测和收敛性分析

使用方法

基本仿真流程

1. 参数配置：设置仿真区域尺寸、网格步长、时间步长等基本参数
2. 介质定义：指定相对介电常数ε_r和电导率σ的空间分布矩阵
3. 激励源设置：选择源类型（高斯脉冲/正弦波），配置位置和频率参数
4. PML配置：定义边界层数和衰减系数
5. 执行仿真：运行主程序进行FDTD迭代计算
6. 结果分析：查看场分布动画、能量曲线和性能报告

参数配置示例

% 仿真区域参数 Nx = 200; % x方向网格数 Ny = 200; % y方向网格数 dx = 0.01; % x方向空间步长(m) dy = 0.01; % y方向空间步长(m) dt = 1.5e-11; % 时间步长(s)

% PML参数 pml_layers = 10; % PML层数 pml_sigma = 1.5; % 衰减系数

系统要求

• 操作系统：Windows 10/11，Linux，macOS
• 软件环境：MATLAB R2018a或更高版本
• 内存要求：≥4GB RAM（建议8GB以上用于大型仿真）
• 存储空间：≥1GB可用空间

文件说明

主程序文件实现了系统的核心仿真流程，包括仿真参数初始化、计算区域构建、介质参数设置、激励源定义、边界条件配置以及完整的FDTD时间迭代循环。该文件负责协调各个功能模块的执行顺序，实现电磁场分量的时序更新计算，并组织输出数据的生成与可视化显示，同时包含数值稳定性验证和仿真性能评估功能。