【波导】波导分路器_合路器的二维有限差分时域模拟附matlab实现

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🔥 内容介绍

一、引言

波导分路器与合路器作为微波与光波技术体系里的关键构成，在现代通信、雷达以及传感器系统中承担着不可或缺的功能。分路器负责将单一输入信号精准拆分为多个输出信号，合路器则执行相反操作，把多个输入信号整合为一个输出信号。传统设计波导分路器 / 合路器多依赖经验公式与电路理论，但面对复杂波导结构，这些手段在性能预测的精准度上有所欠缺。随着计算技术的迅猛发展，数值模拟方法，尤其是有限差分时域法（FDTD），为波导器件的设计与优化工作提供了极为得力的工具。二维有限差分时域法（2D FDTD），作为 FDTD 方法在二维空间维度的应用，能够高效模拟波导分路器 / 合路器的工作原理与性能表现，为相关器件的深入研究与改进升级筑牢理论根基并提供可靠的数值模拟参照。

二、波导分路器 / 合路器的工作原理与类型

2.1 工作原理

波导分路器 / 合路器的运作基于电磁场在波导结构内部的传播与相互作用机制。以分路器为例，当输入信号进入波导系统，信号所携带的电磁场会依据波导的几何形状、尺寸规格以及介质参数等条件，以特定模式进行传播。在分路节点位置，电磁场会发生重新分布现象，一部分能量沿着特定路径被引导至各个输出端口，进而达成信号分路的目标。合路器的工作过程与之相反，多个输入端口的电磁场在合路区域相互叠加、耦合，最终汇聚为一路输出信号。

2.2 常见类型

1. 基于多模干涉的定向耦合器：这类器件借助两个相互靠近的耦合波导，利用它们之间的电磁场耦合效应来实现信号分配。在耦合区域内，光信号在两个波导间反复耦合、传输，通过精准调控波导的长度、间距以及其他结构参数，能够达成预期的功率分配比例。

1. 基于功率分流的 T 型结：T 型结是在主波导上引入分支结构，当信号传输至 T 型节点时，电磁场发生分裂，部分能量沿着分支波导传播，实现信号的分路；在合路场景下，来自不同分支波导的信号在 T 型节点处合并，进入主波导输出。

1. 基于分支线的功率分配器：通过设置多个分支线，各分支线之间的电磁场产生干涉现象，合理设计分支线的长度、宽度以及它们之间的相位关系，能够使输入信号均匀分配到各个输出端口。

三、二维有限差分时域法（2D FDTD）的理论基础

3.1 FDTD 方法概述

FDTD 方法是一种时域有限差分算法，其核心思路是对麦克斯韦方程组进行空间与时间维度的离散化处理，将原本连续的电磁场问题转化为一系列可通过数值计算求解的差分方程。相较于频域方法，FDTD 方法能够直观呈现电磁场随时间的动态演变过程，并且对复杂边界条件与非均匀介质具备出色的处理能力，这使其在电磁场模拟领域获得了极为广泛的应用。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

% Copyright/Licensing :- For educational and research purposes only. No

% part of this program may be used for any financial benefit of any kind

% without the consent of the instructor of the course.

%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% "A 3dB waveguide splitter/coupler using 2D FDTD"

% 

%              A waveguide splitter combiner is made of 3 parallel ridges 

% with a small gap in between. Due to modal nature of light, light passed

% into the central waveguide, leaks into the neighboring waveguides in an 

% analytically fathomable coupling length. The formulation of this coupling 

% length is given in the reference [1]. The leaked light travels back into 

% the central waveguide in another coupling length and this goes on and on. 

%                

%              In this program, a 20 micron x 8 micron platform is taken

% with 3 parallel horizontal ridge waveguides (made of silica i.e n=1.5) of 

% 1 micron width and 20 microns length lying on the centre of the 8 micron 

% width of the platform. They are separated by a distance of 0.25 microns. 

% The region in between and surrounding that of the waveguides are filled 

% with air of refractive index, n=1. 

%

%             The smallest dimension in this case is the separation between 

% the waveguides i.e 0.25 microns which is again divided into 'factor' number

% of space steps in the 2D FDTD program below and all dimensions in the

% structure including source wavelength are modeled using this smallest 

% dimension iin terms of numer of space steps.

🔗 参考文献

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2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类

2.4 CNN|TCN|GCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类

2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类

2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类

2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类

2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类

2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类

2.10 DBN深度置信网络时序、回归预测和分类

2.11 FNN模糊神经网络时序、回归预测

2.12 RF随机森林时序、回归预测和分类

2.13 BLS宽度学习时序、回归预测和分类

2.14 PNN脉冲神经网络分类

2.15 模糊小波神经网络预测和分类

2.16 时序、回归预测和分类

2.17 时序、回归预测预测和分类

2.18 XGBOOST集成学习时序、回归预测预测和分类

2.19 Transform各类组合时序、回归预测预测和分类

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🌟图像处理方面

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🌟 通信方面

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