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计算电磁学结课论文
《计算电磁学》学习心得
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桑dog
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前言
计算电磁学是科技的重要领域它的研究涉及到应用计算机求解电磁方程它的重要性基于麦克斯韦方程——唯一的可以描述小到亚原子大到天体尺度的所有物理现象的方程,。
而且,麦克斯韦方程式对于结果拥有很强的预测能力:
对于一个复杂问题的麦克斯韦方程的解通常可以准确的预知实验结果。
因此,麦克斯韦方程的解对于提高我们对复杂系统之物理现象的洞察力和设计复杂系统的能力均有极大帮助所以,成功求解麦克斯韦方程式拥有广泛的应用前景:
例如纳米技术,电脑微电子电路,电脑芯片设计,光学,纳米光学,微波工程,遥感,射电天文学,生物医学工程,逆散射和成象等等。
这篇文章的安排如下：
第一章介绍了计算电磁学的重要意义以及发展状况。
第二章介绍了计算电磁学中解决问题的方法分类。
第三章对主要的数值方法进行了简介。
第四章展望了计算电磁学的发展趋势。
第1章计算电磁学的重要性
在现代科学研究中，“科学试验，理论分析，高性能计算”已经成为三种重要的研究手段[]。
在电磁学领域中，经典电磁理论只能在11种可分离变量坐标系中求解麦克斯韦方程组或者其退化形式，最后得到解析解。
解析解的优点在于：
●可将解答表示为己知函数的显式，从而可计算出精确的数值结果;
●可以作为近似解和数值解的检验标准;
●在解析过程中和在解的显式中可以观察到问题的内在联系和各个参数对数值结果所起的作用。
这种方法可以得到问题的准确解，而且效率也比较高，但是适用范围太窄，只能求解具有规则边界的简单问题[]。
当遇到不规则形状或者任意形状边界问题时，则需要比较复杂的数学技巧，甚至无法求得解析解。
20世纪60年代以来，随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法也迅速发展起来，并在实际工程问题中得到了广泛地应用，形成了计算电磁学研究领域，已经成为现代电磁理论研究的主流。
简而言之，计算电磁学是在电磁场与微波技术学科中发展起来的，建立在电磁场理论基础上，以高性能计算机技术为工具，运用计算数学方法，专门解决复杂电磁场与微波工程问题的应用科学。
相对于经典电磁理论分析而言，应用计算电磁学来解决电磁学问题时受边界约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题。
原则上来讲，从直流到光的宽广频率范围都属于该学科的研究范围。
近几年来,电磁场工程在以电磁能量或信息的传输、转换过程为核心的强电与弱电领域中显示了重要作用。
[]
第2章计算电磁学的分类
2.1时域方法与谱域方法
电磁学的数值计算方法可以分为时域方法（TimeDomain或TD）和频域方法（FrequeneyDomain或FD）两大类。
时域方法对Maxwell方程按时间步进后求解有关场量。
最著名的时域方法是时域有限差分法（FiniteDifferenceTimeDomain或FDTD）。
这种方法通常适用于求解在外界激励下场的瞬态变化过程。
若使用脉冲激励源，一次求解可以得到一个很宽频带范围内的响应。
时域方法具有可靠的精度，更快的计算速度，并能够真实地反应电磁现象的本质，特别是在诸如短脉冲雷达目标识别、时域测量、宽带无线电通讯等研究领域更是具有不可估量的作用。
频域方法是基于时谐微分、积分方程，通过对N个均匀频率采样值的傅立叶逆变换得到所需的脉冲响应，即研究时谐（TimeHarmonic）激励条件下经过无限长时间后的稳态场分布的情况，使用这种方法，每次计算只能求得一个频率点上的响应。
过去这种方法被大量使用，多半是因为信号、雷达一般工作在窄带。
当要获取复杂结构时域超宽带响应时，如果采用频域方法，则需要在很大带宽内的不同频率点上的进行多次计算，然后利用傅立叶变换来获得时域响应数据，计算量较大；如果直接采用时域方法，则可以一次性获得时域超宽带响应数据，大大提高计算效率。
特别是时域方法还能直接处理非线性媒质和时变媒质问题，具有很大的优越性。
时域方法使电磁场的理论与计算从处理稳态问题发展到能够处理瞬态问题，使人们处理电磁现象的范围得到了极大的扩展。
频域方法可以分成基于射线的方法（Ray-based）和基于电流的方法（Current-based）。
前者包括几何光学法（GO）、几何绕射理论（GTD）和一致性绕射理论（UTD）等等。
后者主要包括矩量法（MoM）和物理光学法（PO）等等。
基于射线的方法通常用光的传播方式来近似电磁波的行为，考虑射向平面后的反射、经过边缘、尖劈和曲面后的绕射。
当然这些方法都是高频近似方法，主要适用于那些目标表面光滑，其细节对于工作频率而言可以忽略的情况。
同时，它们对于近场的模拟也不够精确。
另一方面，基于电流的方法一般通过求解目标在外界激励下的感应电流进而再求解感应电流产生的散射场，而真实的场为激励场与散射场之和。
基于电流的方法中最著名的是矩量法。
矩量法严格建立在积分方程基础上，在数字上是精确的。
其实，我们并不能判断它是一种低频方法或者是高频方法，只是矩量法所需要的存储空间和计算时间随未知元数的快速增长阻止了其对高频情况的应用，因而它只好被限定在低频至中频的应用上。
物理光学法可以认为是矩量法的一种近似，它忽略了各子散射元间的相互祸合作用，这种近似对大而平滑的目标是适用的，但是目标上含有边缘、尖劈和拐角等外形的部件时，它就失效了。
当然，对于简单形状的物体，PO法还是一个常用的方法，毕竟，它的求解过程很迅速，并且所需的存储空间也非常少（O（N））。
2.2积分方程法与微分方程法
从求解的方程形式又可以分成积分方程法（IF）和微分方程法（DE）。
IE法与DE法相比，特点如下：
●IE法的求解区域维数比DE法少一维，误差仅限于求解区域的边界，故精度高；
●IE法适宜于求解无限域问题，而DE法用于无限域问题的求解时则要遇到网格截断问题；
●IE法产生的矩阵是满的，阶数小，DE法所产生的矩阵是稀疏的，但阶数大；
●IE法难处理非均匀、非线性和时变煤质问题，而DE法则可以直接用于这类问题。
因此，求解电磁场工程问题的出发点有四种方式：
频域积分方程（FDIE）、频域微分方程（FDDE）、时域微分方程（TDDE）和时域积分方程（TDIE）。
计算电磁学也可以分成基于微分方程的方法（DifferentialEquation）和基于积分方程的方法（IntegralEquation）两类。
前者包括FDTD、时域有限体积法FVTD、频域有限差分法FDFD、有限元法FEM。
在微分方程类数值方法中，其未知数理论上讲应定义在整个自由空间以满足电磁场在无限远处的辐射条件。
但是由于计算机只有有限的存贮量，人们引入了吸收边界条件来等效无限远处的辐射条件，使未知数局限于有限空间内。
即便如此，其所涉及的未知数数目依然庞大（相比于边界积分方程而言）。
同时，由于偏微分方程的局域性，使得场在数值网格的传播过程中形成色散误差。
所研究的区域越大，色散的积累越大。
数目庞大的未知数和数值耗散问题使得微分方程类方法在分析电大尺寸目标时遇到了困难。
对于FEM方法，早期基于节点（Node-based）的处理方式非常有可能由于插值函数的导数不满足连续性而导致不可预知的伪解问题，使得这种在工程力学中非常成功的方法在电磁学领域内无法大展身手，直到一种基于棱边（Edge-based）的处理方式的出现后，这个问题才得以解决。
积分方程类方法主要包括各类基于边界积分方程（BoundaryIntegralEquation）与体积分方程（VolumeIntegralEquation）的方法。
与微分类方法不同，其未知元通常定义在源区，比如对于完全导电体（金属）未知元仅存在于表面，显然比微分方程类方法少很多;而格林函数（Green’sFunction）的引入，使得电磁场在无限远处的辐射条件己解析地包含在方程之中。
场的传播过程可由格林函数精确地描述，因而不存在色散误差的积累效应。
2.3计算电磁学常用方法汇总
2.4几种主要方法之间的比较
这里对计算电磁学中几种主要的数值方法进行简单的比较，即时域有限差分法（FDTD）、有限元（FEM）、矩量法（MoM）、多极子法（MMP）、几何光学绕射法（GTD）、物理光学绕射法（PTD）和传输线法（TLM）。
表31计算电磁学中几种主要的数值方法比较
性能
MoM
GTD/PTD
MMP
FDTD
FEM
TLM
使用求解的问题
天线建模、线建模和表面结构、导线结构问题
大电尺寸结构的范围的应用
直接计算，不需要中间步骤
可以直接求解麦克斯韦方程
电的和物体几何尺寸的特性可分开定义和处理
所有的场分量可以在同一点进行计算
数值建模特点
可以对任意结构形状的物体上的电流结构建模
在高频散射问题中非常有效，例如雷达散射截面问题
不需要存储空间形状参数
可以克服FDTD中必需的阶梯建模空间问题
可用于非均匀煤质建模和分析
适于计算电磁场的区域
辐射条件允许求解在辐射物体外的任何地点的E和H场
满足远区平面波近似的空间，节省计算机资源
很容易对非均匀煤质的场问题建模
适于分析复杂结构，对内部EM问题建模有效
适于分析复杂结构，对表面域建模很有效
适于研究的问题
计算天线参数、输入阻抗、增益、雷达问题
对内部复杂煤质问题可以有效地建模
可以对非均匀煤质问题建模
比FDTD有较小的数值色散误差
数值建模中存在的问题
对内部区域建模问题困难大
几乎不提供有关天线参数的信息
场强以外的其它参数必须进行计算
对无边界问题需要吸收边界条件处理
对无边界问题需要对边界进行建模
比FDTD使用更多的计算资源
计算机实现遇到的问题
在非均匀煤质中会遇到困难，要用大量的内部资源，所以，通常只用于低频问题
只在高频有效，不能提供任何电流分布的情况
计算密集型，占用的计算量和内存都很大，使用者必须熟悉多极子理论
计算密集型，有数值色散误差，内存量大
计算密集型，处理开放区域内的封闭面上的未知场点问题难
带宽受色散误差限制，不能解围绕散射体和需要大空间的问题
计算场强以外的其它物理量的能力
只能计算远区场
计算场传播和电流分布等参数很难
同FDTD
第3章最主要数值方法介绍
3.1有限元法
3.1.1历史
有限元方法是在20世纪40年代被提出,在50年代用于飞机设计。
后来这种方法得到发展并被非常广泛地应用于结构分析问题中。
目前,作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法,有限元法已非常著名。
3.1.2原理
有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。
应用变分原理,把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题,利用对场域的剖分、插值,离散化变分问题为普通多元函数的极值问题,进而得到一组多元的代数方程组,求解代数方程组就可以得到所求边值问题的数值解。
一般要经过如下步骤:
●区域离散化。
即将场域或物体分为有限个子域，如三角形、四边形、四面体、六面体等；
●选择插值函数。
选择插值函数的类型如多项式，用结点（图形定点）的场值求取子域各点的场的近似值。
插值函数可以选择为一阶（线性）、二阶（二次）、或高阶多项式。
尽管高阶多项式的精度高，但通常得到的公式也比较复杂；
●方程组公式的建立。
可以通过里兹方法或者迦辽金方法建立；
●选择合适的代数解法求解代数方程,即可得到待求边值问题的数值解。
3.1.3特点
●最终求解的线性代数方程组一般为正定的稀疏系数矩阵；
●特别适合处理具有复杂几何形状物体和边界的问题；
●方便于处理有多种介质和非均匀连续煤质问题；
●便于计算机实现，可以做成标准化的软件包。
3.2矩量法
3.2.1历史
矩量法是计算电磁学中最为常用的方法之一。
自从二十世纪六十年代Harrington提出矩量法的基本概念以来，它在理论上日臻完善，并广泛地应用于工程之中。
特别是在电磁辐射与散射及电磁兼容领域，矩量法更显示出其独特的优越性。
3.2.2原理
矩量法的基本思想是将几何目标剖分离散，在其上定义合适的基函数，然后建立积分方程，用权函数检验从而产生一个矩阵方程，求解该矩阵方程，即可得到几何目标上的电流分布，从而其它近远场信息可从该电流分布求得。
矩量法可以分为三个基本的求解过程：
离散化过程－在这一过程中的主要目的是在于将算子方程化为代数方程。
针对算子方程
中算子
的定义域适当地选择一组线性无关的基函数（或称为展开函数）
，将未知函数
在算子
的定义域内展开为基函数的线性组合，并且取有限项近似，即：
再将此式代入到算子方程中，利用算子的线性性质，将算子方程转化为代数方程，即
于是，求解未知函数
的问题就转化为求解系数
的问题。
取样检验过程－为了使未知函数
的近似函数
与
之间的误差极小，必须进行取样检验，在抽样点上使加权平均误差为零，从而确定未知系数
。
在算子
的值域内适当选择一组线性无关的权函数（又称为检验函数）
，将其与上述代数方程取内积进行抽样检验，即
。
利用算子的线性和内积性质，将其化为矩阵方程，得到
于是求解代数方程的问题就转化为求解矩阵方程的问题。
矩阵的求逆过程
一旦得到了矩阵方程，通过常规的矩阵求逆或求解线性方程组，就可以得到矩阵方程的解，从而确定展开系数
，得到原算子方程的解。
3.2.3特点
●矩量法是基于电磁场积分方程的数值方法，积分方程的主要优点在于，一方面由于格林函数的引入，电磁场在无限远处的辐射条件已经解析的包含在积分方程之中，这样未知量之间的关系可以准确的得到，避免数值色散；另一方面，它产生的未知数的数目一般都比微分类方程少很多，比较适用于计算电大尺寸的电磁散射。
●它是一种精确方法，其结果精度仅仅受到计算精度和计算模型精度的限制，因此它可以实现任意需要精度下的计算和求解；
●它是一种稳定的计算方法，在整个矩量法的求解过程中，不易出现类似于其它计算方法计算过程中出现的“伪解”问题，同时它所得到的矩阵条件数好，求解、求逆容易；
●对于金属表面，矩量法可以利用边界条件，直接简化计算，从而导出金属表面的积分方程，而其它方法则往往要完全计算整个实体的场分布，这就体现出矩量法在分析金属表面问题时的优越性。
●由于矩量法的全局性，矩量法所产生的矩阵为稠密矩阵，这样经典矩量法的数据存储量和计算复杂度都很高。
因此快速算法的研究成为矩量法应用研究中的一个热点；
题。
3.3时域有限差分算法
3.3.1历史
从Yee于1966年在解决电磁散射问题中时候提出最初思想到现在，时域有限差分算法已经经过了近四十年的发展。
在此期间，人们不断提出新的思想和方法来克服时域有限差分算法的以上缺点。
例如，在时间步进算法上，除了传统的Leap-Frog算法，还发展了线性多步时间步进算法如StaggeredBackwarddifferentiationtimeintegrator和staggeredAdams-Bashforthtimeintegrator、单步时间步进算法如Runge-Kutta算法和Symplecticintegratorpropagator、伪谱算法如采用Laguerre多项式、交替方向隐式时间步进算法，等等；在空间离散上，除了传统的基于Taylor级数展开定理的中心对称有限差分格式，还发展了DiscreteSingularConvolution（DSC）格式、Nonstandardfinitedifference、基于窗函数法的中心对称有限差分格式、最优有限差分格式、FFT，等等。
至此，时域有限差分算法已经形成了庞大的一个算法族。
3.3.2原理
时域有限差分（FDTD）是电磁场的一种时域计算方法。
传统上电磁场的计算主要是在频域上进行的,这些年以来,时域计算方法也越来越受到重视。
它已在很多方面显示出独特的优越性,尤其是在解决有关非均匀介质、任意形状和复杂结构的散射体以及辐射系统的电磁问题中更加突出。
FDTD法直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程,利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式,这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。
电场和磁场分量在空间被交叉放置,这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。
在笛卡儿坐标系电场和磁场分量在网格单元中的位置是每一磁场分量由4个电场分量包围着,反之亦然。
这种电磁场的空间放置方法符合法拉第定律和安培定律的自然几何结构。
因此FDTD算法是计算机在数据存储空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间进程上进行数字模拟。
而在每一个网格点上各场分量的新值均仅依赖于该点在同一时间步的值及在该点周围邻近点其他场前半个时间步的值。
这正是电磁场的感应原理。
这些关系构成FDTD法的基本算式,通过逐个时间步对模拟区域各网格点的计算,在执行到适当的时间步数后,即可获得所需要的结果。
3.3.3特点
直接时域计算。
FDTD直接把含时间变量的Maxwell旋度方程在Yee氏网格空间中转换为差分方程。
在这种差分格式中每个网格点上的电场（或磁场）分量仅与它相邻的磁场（或电场）分量及上一时间步该点的场值有关。
在每一时间步计算网格空间各点的电场和磁场分量，随着时间步的推进，即能直接模拟电磁波及其与物体的相互作用过程。
FDTD把各类问题都作为初值问题来处理，使电磁波的时域特性被直接反映出来。
这一特点使它能直接给出非常丰富的电磁场问题的时域信息，给复杂的物理过程描绘出清晰的物理图像。
如果需要频域信息，则只需对时域信息进行Fouricr变换。
为获得宽频带的信息，只需在宽频谱的脉冲激励下进行一次计算。
广泛的适用性。
由于FDTD的直接出发点是概括电磁场普遍规律的Maxwell方程，这就预示着这一方法具有最广泛的适用性。
近几年的发展完全证实了这点。
从具体的算法看，在FDTD的差分式中被模拟空间电磁性质的参量是按空间网格给出的，因此，只需设定相应空间点以适应参数，就可模拟各种复杂的电磁结构。
媒质的非均匀性、各向异性、色散特性和非线性等能很容易地进行精确模拟。
由于在网格空间中电场和磁场分量是被交叉放置的，而且计算用差分代替了微商，使得介质交界面上的边界条件能自然得到满足，这就为模拟复杂的结提供了极大的方便，任何问题只要能正确地对源和结构进行模拟，FDTD就应该给出正确解答，不管是散射、辐射、传输、透入或吸收中的哪一种，也不论是瞬态问题还是稳态问
节约计算机的存储空间和计算时间。
很多复杂的电磁场问题不能计算往往不是没有可选用的方法，而是计算条件的限制。
当代电子计算机的发展方向是运用并行处理技术，以进一步提高计算速度。
并行计算机的发展推动了数值计算中并行处理的研究，适合并行计算的发展将更多地发挥作用。
如前面所指出的，FDTD的计算特点是，每一网格点上的电场（或磁场）只与其周围相邻点处的磁场（或电场）及其上一时间步的场值有关，这使得它特别适合并行计算。
施行并行计算可使FDTD所需的存储空间和计算时间减少为只与N1/3成正比。
计算程序的通用性。
由于Maxwell方程是FDTD计算任何问题的数学模型，因而它的基本差分方程对广泛的问题是不变的。
此外，吸收边界条件和连接条件对很多问题是可以通用的，而计算对象的模拟是通过给网格赋予参数来实现，对以上各部分没有直接联系，可以独立进行。
因此一个基础的FDTD计算程序，对广泛的电磁场问题具有通用性，对不同的问题或不同的计算对象只需修改有关部分，而大部分是共同的。
简单、直观、容易掌握。
由于FDTD直接从Maxwell方程出发，不需要任何导出方程，这样就避免了使用更多的数学工具，使得它成为所有电磁场计算方法中最简单的一种。
其次，由于它能直接在时域中模拟电磁波的传播及其与物体作用的物理过程，所以它又是非常直观的一种方法。
由于它既简单又直观，掌握它就不是件很困难的事情，只要有电磁场的基本理论知识，不需要数学上的很多准备，就可以学习运用这一方法解决很复杂的电磁场问题。
这样，这一方法很容易得到推广，并在很广泛的领域发挥作用。
第4章结语
进人二十世纪九十年代以后，随着计算机内存的不断增加和计算速度的不断增快。
随着计算算法的深人研究，计算电磁学已发展成为一门非常重要的学科，它在很多工程领域的作用也将越来越来显著。
电磁学的数值计算方法远远不止以上所举，还有边界元素法、格林函数法等，在具体问题中，应该采用不同的方法，而不应拘泥于这些方法，还可以把这些方法加以综合应用，以达到最佳效果。
电磁学的数值计算是一门计算的艺术，他横跨了多个学科，是数学理论、电磁理论和计算机的有机结合。
原则上讲，从直流到光的宽频带范围都属于他的研究范围。
为了跟上世界科技发展的需要，应大力进行电磁场的并行计算方法的研究，不断拓广他的应用领域，如生物电磁学、复杂媒质中的电磁正问题和逆问题、医学应用、微波遥感应用、非线性电磁学中的混沌与分叉、微电子学和纳米电子学等。
参考文献
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