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计算电磁学时域有限差分法

本书主要讲述了计算电磁学中时域有限差分(FDTD)方法的基本原理、高效算法及其编程实现,深入浅出地介绍了高等电磁理论基础、FDTD方法工作原理、完美匹配层吸收边界算法、电磁波束激励算法、电磁材料模拟算法、仿真过程和后期处理,以及给出了以上各部分内容的编程方法和技巧。

作者:林志立
定价:79
印次:1-2
ISBN:9787302541356
出版日期:2019.12.01
印刷日期:2020.07.24

本图书主要讲述了计算电磁学中时域有限差分(FDTD)方法的基本原理、高效算法及其编程实现,深入浅出地介绍了高等电磁理论基础、FDTD方法工作原理、完美匹配层吸收边界算法、电磁波束激励算法、电磁材料模拟算法、仿真过程和后期处理,以及给出了以上各部分内容的编程方法和技巧。该书配有一维、二维和三维时域有限差分方法的MATALB原始代码和详细注释,并给出了若干典型电磁和光学问题案例的建模仿真、编程思路和仿真结果。

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前言 时域有限差分(finitedifference timedomain,FDTD)法由美籍华裔伊(K.S.Yee)于1966年首次提出,是一种基于离散有限差分来近似代替连续偏导数推导得到麦克斯韦旋度方程的更新公式,并通过时域循环迭代获得电磁场时空分布的数值计算方法。FDTD方法是一种功能强大的时域电磁算法,通过一次仿真即可获得一定频带内被仿真器件的频率响应特性。同时,FDTD方法对应的各电磁分量更新公式中包含被仿真媒质的电磁参量,只需赋予对应网格节点相应的材料参数,就能模拟各种具有复杂结构形状和复杂材料特性的电磁学和光学问题。近三十年来,随着计算机硬件技术的发展,FDTD方法的研究和应用得到了迅猛发展,每年数以千计并且数量不断增长的关于时域有限差分方法的研究和工程应用文献足以验证这一点。由于该方法的易用性、通用性和实用性,FDTD方法已经成为一种能有效解决各类电磁学和光学问题的数值计算工具,在计算电磁学、微波工程、光学工程等众多学科领域得到了广泛的应用。 本书共分为8章。第1章简要介绍了计算电磁学及其主要计算方法,重点阐述了时域有限差分法的基本特点、发展历史和应用领域,及其相比于其他计算电磁学方法的特色和优势。第2章主要回顾了以麦克斯韦方程组和物质本构关系为代表的电磁场理论,为后续介绍FDTD方法打下坚实的电磁理论基础。第3章主要介绍了FDTD方法的工作原理,对有限差分格式近似计算连续导数、时空离散特点、空间网格剖分、麦克斯韦旋度方程的更新公式,以及FDTD方法的稳定性条件和仿真精度进行了详细的论述。第4章主要阐述了FDTD方法中可用于截断计算区域的三种边界条件,重点介绍了完全匹配层吸收边界条件。第5章主要介绍了FDTD方法的电磁波源,包括时谐电磁波源、脉冲电磁波源、平面电磁波源以及基于电流和磁流的电磁波激励算法。第6章主要讲述了各类材料的FDTD仿真算法,重点介绍了色散材料的各种高精度数值仿真算法。第7章主要讨论了FDTD仿真参数提取及仿真结果后处理,主要包括电磁波功率和能量参数的提取、电磁波电磁场时频域变换以及仿真过程和结果可视化编程。第8章展示了若干典型电磁学和光学问题的FDTD编程仿真案例,给出了一维、二维和三维电磁问题进行FDTD时域电磁仿真的完整MATLAB源代码、注释说明以及仿真结果。 本书的形成离不开作者在FDTD方法领域十余年的学习和研究积累。作者首次接触FDTD方法是2008年在瑞典皇家工学院做博士后期间,当时需要用FDTD方法实现对负折射率平板透镜成像特性的高精度数值模拟仿真。十余年来,作者一直利用FDTD方法从事电磁场数值计算领域的教学和科研工作,取得了诸多创新性研究成果,积累了丰富的FDTD方法算法开发及其MATLAB编程仿真经验。 本书相比于其他介绍FDTD方法图书的特色之处有: (1) 将麦克斯韦旋度方程和物质本构关系的更新公式分离开来,从而极大方便了模块化编程; (2) 给出了原始的完整FDTD仿真MATLAB代码,并有详细的注释。 由于作者水平有限和时间关系,书中难免有不足和错漏之处,欢迎广大读者对本书提出宝贵意见和建议,以期再版时得以改进和完善。 本书的出版得到了国家自然科学基金项目(61101007)、福建省杰出青年科学基金项目(2015J06015)、福建省本科高校重大教育教学改革研究项目(FBJG20190124)以及华侨大学中青年教师科技创新资助计划(ZQNYX203)的研究工作和经费资助支持,在此一并表示感谢。 林志立2019年9月于华侨大学厦门校区

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  • 林志立,男,博士,教授,IEEE、OSA、SPIE Senior Member。2013年人才引进调回福建老家到华侨大学(厦门校区)信息科学与工程学院工作。申请人长期从事计算电磁学、计算光子学等领域研究,先后主持有国家科技重大专项课题、国家863项目、国家自然科学基金、福建省杰出青年科学基金、教育部留学回国人员科研启动基金、福建省新世纪优秀人才计划等科研项目10多项。现为国际期刊《Frontiers in Computational Physics》(ISSN: 2296-424X)编委,已在国内外光电领域著名期刊发表学术论文97篇,其中SCI收录70篇,EI收录72篇。
  • 本书主要介绍了计算电磁学时域有限差分(FDTD)法的理论基础、方法原理、高效算法和编程实现,重点阐述了FDTD的算法开发和基于MATLAB软件的编程技术。本书对于FDTD方法初学者不可多得的入门书,也是计算电磁学领域科研人员和高校师生具有重要参考价值的图书资料。
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  • 目录

    第1章绪论

    1.1计算电磁学简介

    1.1.1计算电磁学的形成

    1.1.2计算电磁学的特点

    1.1.3计算电磁学的意义

    1.2计算电磁学的重要数值计算方法

    1.2.1矩量法

    1.2.2有限元法

    1.2.3有限差分法

    1.3时域有限差分法的特点、发展和应用

    1.3.1时域有限差分法的特点

    1.3.2时域有限差分法的发展历史

    1.3.3时域有限差分法的应用领域

    1.4本书内容的安排

    参考文献

    第2章电磁理论

    2.1矢量分析

    2.1.1矢量代数与微分算符

    2.1.2标量场的方向导数和梯度

    2.1.3矢量场的散度和旋度

    2.1.4标量场和矢量场的拉普拉斯运算

    2.2电磁场论

    2.2.1亥姆霍兹定理

    2.2.2电场的散度和旋度

    2.2.3磁场的散度和旋度

    2.3物质本构关系

    2.3.1电介质的极化与介电常数

    2.3.2磁介质的磁化与磁导率

    2.3.3导电媒质的传导特性与电导率

    2.4麦克斯韦方程组

    2.4.1麦克斯韦方程组的微分形式

    2.4.2麦克斯韦方程组的积分形式

    2.4.3电磁场边界条件

    参考文献

    第3章工作原理

    3.1二阶中心差分格式

    3.2电磁场量时空离散

    3.3电磁场量更新公式

    3.4稳定性条件

    3.5数值色散

    参考文献

    第4章边界条件

    4.1理想电导体边界条件

    4.2理想磁导体边界条件

    4...

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