计算电磁学 论文

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计算电磁学摘 要:作为一门交叉学科,计算电磁学结合了计算机技术、数值计算学和电磁学等相关学科的知识,正经历着日新月异的发展。各种各样的计算方法层出不穷,由此诞生的各种商业DEA软件如HFSS、CST、FECO、ADS等在工程领域中得到了广泛的应用,为解决各种复杂的工程问题提供了有力的帮助,极大地缩短了研究周期,降低了成本和提高了稳定性。计算电磁学是指对一定物质和环境中的电磁场相互作用的建模过程,通常包括麦克斯韦方程计算上的有效近似。计算电磁学被用来计算天线性能,电磁兼容,雷达散射截面和非自由空间的电波传播等问题。计算电磁学的主要思想有,基于积分方程的方法,基于微分(差分)方程的方法,及其他模拟方法。关键词:计算电磁学,麦克斯韦方程,雷达散射截面Computational ElectromagneticsAbstract: As an interdisciplinary, computational electromagnetics combines the knowledge of computer technology, numerical calculus and electromagnetics and other related disciplines, is experiencing the ever-changing development. A variety of computing methods emerge in an endless stream, the birth of a variety of commercial DEA software such as HFSS, CST, FECO, ADS, etc. in the field of engineering has been widely used to solve a variety of complex engineering problems provide a strong help , Greatly shortening the research cycle, reducing costs and improving stability. Computational electromagnetism is the modeling process for the interaction of electromagnetic fields in a given substance and environment, usually including the effective approximation of the Maxwell equation. Computational electromagnetism is used to calculate antenna performance, electromagnetic compatibility, radar cross section and non-free space radio propagation problems. The main ideas of computational electromagnetics are based on the integral equation method, the method based on differential (differential) equation, and other simulation methods.Key word: computational electromagnetics, Maxwell equation, radar cross section第一章 引言1864年Maxwell在前人的理论(高斯定律、安培定律、法拉第定律和自由磁极不存在)和实验的基础上建立了统一的电磁场理论,并用数学模型揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律,这就是著名的Maxwell方程。在11种可分离变量坐标系求解Maxwell方程组或者其退化形式,最后得到解析解。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。对于不规则形状或者任意形状边界则需要比较高的数学技巧,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发展起来,并得到广泛地应用,相对于经典电磁理论而言,数值方法受边界形状的约束大为减少,可以解决各种类型的复杂问题。第二章 电磁场基本理论人们注意到电磁现象首先是从它们的力学效应开始的。库仑定律揭示了电荷间的静电作用力与它们之间的距离平方成反比。 A.M.安培等人又发现电流元之间的作用力也符合平方反比关系,提出了安培环路定律;谡庥肱6偻蛴幸Χ墒掷嗨,S.D.泊松、C.F.高斯等人仿照引力理论,对电磁现象也引入了各种场矢量,如电场强度、电通量密度(电位移矢量)、磁场强度、磁通密度等,并将这些量表示为空间坐标的函数。但是当时对这些量仅是为了描述方便而提出的数学手段,实际上认为电荷之间或电流之间的物理作用是超距作用。直到M.法拉第,他认为场是真实的物理存在,电力或磁力是经过场中的力线逐步传递的,最终才作用到电荷或电流上。他在1831年发现了著名的电磁感应定律,并用磁力线的模型对定律成功地进行了阐述。1846年,M.法拉第还提出了光波是力线振动的设想。J.C.麦克斯韦继承并发展了法拉第的这些思想,仿照流体力学中的方法,采用严格的数学形式,将电磁场的基本定律归结为4个微分方程,人们称之为麦克斯韦方程组。在方程中麦克斯韦对安培环路定律补充了位移电流的作用,他认为位移电流也能产生磁场。根据这组方程,麦克斯韦还导出了场的传播是需要时间的,其传播速度为有限数值并等于光速,从而断定电磁波与光波有共同属性,预见到存在电磁辐射现象。静电场、恒定磁场及导体中的恒定电流的电场,也包括在麦克斯韦方程中,只是作为不随时间变化的特例。电磁感应。法拉第的电磁感应实验将机械功与电磁能联系起来,证明二者可以互相转化。麦克斯韦进一步提出:电磁场中各处有一定的能量密度,即能量定域于场中。根据这个理论,J.H.坡印廷1884年提出在时变场中能量传播的坡印廷定理,矢量E×H代表场中穿过单位面积上单位时间内的能量流。这些理论为电能的广泛应用开辟了道路,为制造发电机、变压器、电动机等电工设备奠定了理论基础。麦克斯韦预言的电磁辐射,在1887年由H.R.赫兹的实验所证实。电磁波可以不凭借导体的联系,在空间传播信息和能量。这就为无线电技术的广泛应用创造了条件。  电磁场理论给出了场的分布及变化规律,若已知电场中介质的性质,再运用适当的数学手段,即可对电工设备的结构设计、材料选择、能量转换、运行特性等,进行分析计算,因而极大地促进电工技术的进步。  电磁场理论所涉及的内容都属于大量带电粒子共同作用下的统计平均结果,不涉及物质构造的不均匀性及能量变化的不连续性。它属于宏观的理论,或称为经典的理论。涉及个别粒子的性质、行为的理论则属于微观的理论,不能仅仅依赖
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