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• 有限差分時間領域法
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出版社： コロナ社

ISBN：9784339008845

商品编码：19873601

《计算电磁场与波动》 概述 《计算电磁场与波动》是一部系统性阐述现代计算电磁场理论与方法，特别是针对时域有限差分（FDTD）法进行深入剖析与应用的著作。本书旨在为从事电磁场理论研究、工程设计与科学计算的读者提供一套全面、深入且实用的方法论指导。全书围绕如何精确、高效地求解麦克斯韦方程组展开，重点聚焦于FDTD方法的核心原理、算法实现、模型构建、以及在各类实际工程问题中的广泛应用。 本书不仅仅停留在理论的罗列，而是通过大量的实例和详细的推导，将抽象的数学模型与具体的物理现象紧密结合，让读者在理解理论的同时，能够掌握实际操作的技巧。从基础的差分格式推导，到复杂的结构建模，再到结果的分析解读，本书力求做到循序渐进，易于理解。 核心内容 第一部分：电磁场理论基础与数值方法导论 在深入FDTD方法之前，本书首先回顾和梳理了电磁场理论的基本概念和数学框架。这包括： 麦克斯韦方程组的物理意义与数学形式： 详细阐述了电场、磁场、电位移、磁场强度之间的相互关系，以及它们在时空中的演化规律。通过矢量微积分和微分方程的形式，展示了麦克斯韦方程组作为电磁场动力学的基本语言。 电磁波的传播特性： 深入探讨了电磁波的产生、传播、反射、折射、衍射、散射等基本现象，并介绍了其在自由空间、介质中的行为。理解这些基础特性对于后续的数值模拟至关重要。 数值计算的必要性与挑战： 解释了为何解析解在许多复杂问题中难以获得，以及数值计算在现代科学技术中的不可替代性。同时，也指出了数值计算在精度、稳定性和效率方面的挑战。 数值方法概述： 简要介绍了有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、谱方法等主流的数值计算方法，并对它们各自的特点、适用范围和优缺点进行了初步的比较，为读者建立一个更宏观的数值计算方法视角，从而凸显FDTD法的独特优势。 第二部分：时域有限差分（FDTD）方法的核心原理与算法 这是本书的核心内容，对FDTD方法进行了详尽的介绍： 差分方程的推导： 详细推导了基于中心差分近似的麦克斯韦方程组的差分格式。重点阐述了Yee网格（交错网格）的概念，解释了如何通过将电场和磁场分量布置在网格的不同位置，从而实现空间和时间的离散化，以保证计算的稳定性和精度。 一维、二维、三维FDTD算法： 分别详细介绍了FDTD方法在不同维度上的算法实现。从最简单的准静态或均匀介质中的一维传播，逐步过渡到二维（平面波、圆波）和三维（复杂的偶极子、天线）问题。每一步都附有清晰的算法流程图和伪代码，便于读者理解和实现。 稳定性与收敛性分析： 深入探讨了FDTD算法的稳定性条件，特别是CFL（Courant-Friedrichs-Lewy）条件的含义及其推导过程。分析了数值色散和数值耗散现象，并提出了减小这些误差的策略，如提高网格分辨率、采用高阶差分格式等。 边界条件的处理： 详细介绍了在FDTD模拟中如何处理各种类型的边界条件，包括： 理想导体边界： 最基本的边界条件，易于实现。 介质边界： 如何处理不同介电常数和磁导率的介质之间的界面。 吸收边界条件（ABC）： 这是FDTD模拟的关键难点之一。本书会详细介绍各种ABC，如Mur ABC、PML（Perfectly Matched Layer）等，并分析它们在抑制数值波反射、模拟无限空间中的电磁波传播方面的优劣。PML的详细推导和实现将是重点。 源的建模： 讨论了如何在FDTD网格中引入电磁波源，包括： 集总源： 如电压源、电流源。 分布式源： 如平面波源、高斯脉冲源。 完全匹配层（PML）作为源： 一种更高级的源建模方式。 材料模型的实现： 讲解了如何在FDTD网格中模拟各种材料特性，如： 简单介质： 均匀、各向同性的介电和磁介质。 色散材料： 如洛伦兹（Lorentz）模型、德拜（Debye）模型，如何将其纳入FDTD框架。 非线性材料： 简要介绍如何处理一些简单的非线性效应。 损耗性材料： 如何模拟电导率、磁损耗等。 第三部分：FDTD方法的进阶技术与模型构建 本部分将FDTD方法的应用推向更广阔的领域，并介绍一些高级技巧： 不规则结构和复杂几何体的建模： 现实世界的许多问题涉及不规则形状。本书将介绍： 阶梯近似（Staircasing）： 最简单的处理方式，以及其误差分析。 亚单元技术（Sub-cell Techniques）： 如切角单元（Cut-cell）方法，用于更精确地模拟曲面边界。 载波（Carrier）模型： 在特定网格尺度下模拟微小结构。 高阶FDTD方法： 介绍如何通过提高差分格式的阶数来获得更高的精度，减少数值色散，从而允许更大的网格尺寸。 非结构网格FDTD方法： 讨论了在非结构网格上实现FDTD方法的可能性和挑战。 并行计算与优化： 随着计算规模的增大，并行计算成为必然。本书将探讨如何将FDTD算法并行化，以在多核CPU或GPU上实现加速。 后处理与结果分析： 讲解如何从FDTD模拟结果中提取有用的信息，如S参数、远场方向图、功率流密度、能量密度等，以及如何进行可视化分析。 模型验证与误差估计： 强调了验证数值结果的重要性，包括与解析解、实验数据或其它数值方法的比较。 第四部分：FDTD方法的典型应用 本书通过大量实际案例，展示了FDTD方法在各个工程领域的强大威力： 微波与射频工程： 天线设计与分析： 偶极子天线、微带天线、喇叭天线等的设计与近场、远场计算。 波导与谐振腔： 模式分析、损耗计算。 滤波器与耦合器： 传输系数、反射系数的计算。 电磁兼容性（EMC）与电磁干扰（EMI）： 屏蔽效能、辐射发射与敏感性分析。 光子学与光学： 光波导与光栅： 光信号的传输、耦合、衍射。 超材料与负折射率材料： 电磁波的奇异传播现象。 纳米光学结构： 等离激元、表面增强拉曼散射（SERS）等。 光学器件设计： 透镜、菲涅尔波带片等。 电磁散射与目标识别： 雷达截面积（RCS）计算： 各种形状目标（如飞机、汽车）的RCS计算。 目标特性分析： 散射场分布、散射机理研究。 隐身技术分析。 生物医学电磁学： 微波成像与诊断： 组织介电参数测量、肿瘤探测。 射频消融治疗： 肿瘤治疗中的热效应模拟。 生物组织中的电磁波吸收与分布。 电子器件与集成电路： 信号完整性（SI）与电源完整性（PI）分析： 传输线效应、串扰、地弹。 封装与互连的电磁效应。 高频器件的电磁建模。 总结 《计算电磁场与波动》是一部内容丰富、结构严谨、理论与实践相结合的著作。它不仅深入浅出地介绍了FDTD方法的核心理论与算法，更通过大量的实例分析，指导读者如何将该方法应用于解决实际工程问题。本书适合于高等院校相关专业的本科生、研究生，以及在通信、电子、光学、航空航天、国防等领域的工程技术人员和研究人员阅读。通过研读本书，读者将能够掌握强大的计算工具，深入理解电磁现象的本质，并有效地进行电磁场相关的设计与分析工作。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验非常独特，仿佛一位经验丰富的老教授在耐心细致地讲解一门高深的学问。它不是那种一上来就抛出大量概念和公式的书，而是从最基础的物理原理出发，一步步构建起FDTD方法的理论框架。作者在解释每一个概念时，都力求深入浅出，并且会不断地强调其物理意义。我尤其喜欢书中对于“网格”和“时间步”的讨论，这关系到FDTD算法的稳定性和精度，作者给出了非常详尽的解释，甚至连一些容易出错的细节都一一指出。读这本书，你会感觉到作者不仅仅是想让你记住公式，更是想让你真正理解FDTD方法背后的逻辑和原理。这种“润物细无声”的教学方式，让我在不知不觉中就掌握了FDTD的核心要义。而且，书中穿插的一些历史典故和发展脉络，也让阅读过程更加有趣。

评分☆☆☆☆☆

《数值电磁场解析FDTD法》这本书，拿到手里感觉沉甸甸的，不是那种轻飘飘的科普读物，而是实打实的干货。我是在做一些射频器件仿真的时候，被FDTD这个词频繁提及，所以抱着学习的心态入手的。翻开目录，首先映入眼帘的就是一系列严谨的数学推导，什么麦克斯韦方程组、差分格式，这些都是基础，但作者处理得非常清晰，一步步地引导读者理解FDTD方法的核心思想。我尤其喜欢书中对离散化过程的详细讲解，包括空间离散和时间离散的原理，以及各种边界条件的实现方法。这些内容对于理解FDTD算法的精度和稳定性至关重要。而且，书中还介绍了不同类型的FDTD算法，比如2D、3D以及一些改进算法，这让我对FDTD方法的应用范围有了更深的认识。虽然书中的数学公式很多，但作者并没有让人觉得晦涩难懂，而是用了很多图示和例子来辅助说明，这对于我这种非数学专业背景的读者来说，简直是福音。读完一部分，你会感觉自己真的掌握了一种强大的工具，能够去分析和解决实际的电磁场问题。

评分☆☆☆☆☆

如果你对电磁场仿真感到好奇，或者正在为解决实际的电磁问题而苦恼，《数值电磁场解析FDTD法》这本书绝对值得你深入探索。它不是一本“速成”的书，需要你投入时间和精力去细细品味，但相信我，这份投入绝对是值得的。我花了大概一个月的时间，每天抽出一点时间来阅读和消化，现在回想起来，收获是巨大的。书中对于FDTD算法的每一次迭代和优化，背后都蕴含着作者多年的研究心血。我最喜欢的是书中的一些“案例分析”，作者会结合实际的工程问题，一步步演示如何运用FDTD方法来求解，这比纯理论的讲解要生动和实用得多。读完这本书，我感觉自己对电磁场仿真的理解提升到了一个新的高度，也更有信心去应对未来的挑战。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在微波工程领域摸爬滚打多年的工程师，我一直在寻找一本能够系统性地梳理FDTD算法的权威著作。《数值电磁场解析FDTD法》无疑满足了我的期望。它不仅仅是一本介绍算法的书，更是一本关于如何“理解”和“运用”FDTD方法的书。作者的讲解非常有条理，从基本概念到高级应用，层层递进，逻辑清晰。我特别欣赏书中关于FDTD算法的“哲学”层面的讨论，比如算法的优势和局限性，以及它在不同场景下的适用性。这让我能够更客观地看待FDTD方法，而不是盲目地将其视为万能的解决方案。此外，书中还介绍了FDTD方法与其他数值方法的比较，如FEM、MoM等，这有助于读者根据具体问题选择最合适的仿真工具。对于有一定FDTD基础的读者来说，这本书提供了更深入的洞察，帮助你从“会用”迈向“精通”。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我惊艳的地方在于它对FDTD算法的“工程化”解读。我之前看的一些教材，往往停留在理论层面，讲完算法原理就结束了。但《数值电磁场解析FDTD法》不一样，它深入探讨了在实际仿真中会遇到的各种问题，比如网格划分策略、吸收边界条件（PML）的实现细节、以及如何处理复杂几何结构等等。特别是关于PML的部分，作者不仅介绍了不同类型的PML，还给出了具体的实现代码思路，这对于我这种想直接上手进行仿真的人来说，价值千金。书中还花了很大的篇幅讲解如何优化FDTD算法，以提高计算效率和精度，例如并行计算、自适应网格等。这些内容让这本书不仅仅是一本理论书，更像是一本“葵花宝典”，能够帮助读者快速地将FDTD方法应用到实际工程项目中。我个人在阅读过程中，经常会对照着书中的讲解，在仿真软件中进行一些小规模的测试，效果非常好，大大缩短了我的学习曲线。