FDTD Solutions-PML

FDTD Solutions和MODE Solutions中的varFDTD最常用的边界条件就是PML。PML全称是Perfectly matched layer即完美匹配层,是由法国科学家Berenger于1994年提出的。在FDTD发展的过程中,这个边界条件是一个重要的里程碑。在此之前,如何仿真电磁波传输到无限远的问题,已经有几种边界条件将仿真区截断,但是都不是很理想,也就是都有一定量的反射,这些反射波又返回仿真区域物体相互作用,严重影响仿真的精度。在正确设置和PML上入射角不是非常大的情况下,我们软件提供的PML可以达到非常低的反射。需要说明的是,所有软件仿真时都需要把PML区域考虑进去,因此,为了减小内存需求,一般来说应该在基本满足仿真精度的前提下尽可能选取少层数。

 

PML是最常用的边界条件,其作用是吸收入射到其上面的电磁场,相当于场无阻挡地传播到无限远。
实际的PML有一定的反射,曾经有用户测试FDTD Solutions,PML反射率可以小到1E-12。由于仿真还有其它误差源,一般不必要苛求PML的反射率到如此小的程度,只要PML对仿真结果的影响小到一定程度就可以了。
一般建议,PML应该离开物体(更准确地说应该是折射率变化的地方)半个波长左右,有时可以更小。其次,PML应该位于均匀网格区域,另外,PML的参数(一般是层数)要合适以便能吸收足够的场,这个对仅提高网格精度的仿真更为重要,因为网格变细后,如果层数不改变,总厚度只有几十个纳米,吸收性能可能变差。
要检查PML的设置(位置,层数)是否得当,可以将PML变远(即增加仿真区大小),或增加层数,看看结果的变化是否显着,差别 否可以接受如果不能,应该调整PML的设置。
缺省的设置一般建议使用拉伸坐标PML如果入射角比较大,可以选用陡的角度;如果在采取其它措施后仿真仍然发散,可以选用稳定对于熟练用户,可以选择Custom,这个选项需要调整PML的其它参数。实际上Steep Angle和Stabilized就是针对特殊情况而定制的PML。

Q:网格覆盖可以包括pml吗?我发现pml会变得更薄呢,这样会影响仿真结果吗?

A:一般不建议在PML附近用很细的覆盖网格。这是因为,原来的PML的层数是按照一般网格精度设置的,基本保证PML的反射不影响仿真结果。如果网格变细,PML的总厚度也变细,而PML对电磁场的有效吸收不仅取决于层数,也取决于总厚度。

在PML附近一般用覆盖加粗网格使得PML有足够的厚度,这一句提示在PML之前立即增加网格尺寸

此外,覆盖网格一般用于分辨细小的物体,例如薄层,空隙等不能被auto nonuniform mesh足够分辨的地方,或者场变化非常剧烈的地方。

 

软件缺省的也是我们极力推荐的是stretched-coordinate PML。为了方便用户使用,我们将这种技术分为几种情况,届时只要选取合适的PML就可以了:

  1. Standard
    该设置针对大多数应用能够在使用最少层数情况下提供很好的吸收。一般情况下物体应该穿透PML。如果物体仅延伸到PML里面一部分(例如一些光子晶体器件),有可能产生仿真发散,此时可以选用Stabilized

  2. Stabilized
    为了降低仿真发散的可能性,此PML选用更多的层数但是更缓慢的吸收。

  3. Steep Angle
    当仿真区的电磁场一较大角度入射到PML上时,例如一些周期结构,对PML要求更高,此时可以选用

  4. Custom
    前面三种PML的材料参数都是固定的,用户只能调整层数。对于有经验的用户,可以通过调整PML的材料参数实现更好的性能。

根据需要,用户可以将所有需要PML的方向设置为相同的PML,例如散射问题,也可以设置为不同的PML,例如环形谐振腔器件。不同方向可以使用不同的PML, 例如x方向两边都使用 Stabilized:
FDTD Solutions-PML_第1张图片
当然前提是通过诊断知道发散是x方向PML引起的,例如可以用视频监视器查看。

如何选?只有StretchedPML才有上面4个选项。一般情况下,所有方向的PML选用同种类型和层数,当然根据需要也可以不同方向选择不同的类型,例如

FDTD Solutions-PML_第2张图片


此时需要不能选Same Settings On All Boundaries,然后点击对应坐标下的Profile那一栏的Standard(缺省的都是Standard)

偶尔需要使用Uniaxial AnisotropicPML:
FDTD Solutions-PML_第3张图片
一般是StretchedPML无论如何调整都得不到需要的效果时才用它测试。

此外,实际的PML匹配层经过离散后仍然有一定的反射,因此使用时,既不要对它有苛刻的要求,例如要求反射率不能高于1E-6(也是可以做到的,不过没有必要),也要注意其反射对结果的影响。后者可以通过增加PML的距离等检查。

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