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I《计算电磁学》学习心得姓名：桑dog学号：班级：联系方式：II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。1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[1]。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[2]。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。[3]2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：3IE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。42.3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2-1计算电磁学中几种主要的数值方法比较性能MoMGTD/PTDMMPFDTDFEMTLM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所有的场分量可以在同一点进行计算5义和处理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FDTD6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7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：①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gfL中算子L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)nfff,,,21，将未知函数f在算子L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：Nnn