Intelligent Computer Techniques in Applied Electromagnetics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Wiak, Slawomir (EDT)/ Krawczyk, Andrzej (EDT)/ Dolezel, Ivo (EDT)

出品人:

页数:316

译者:

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价格:149

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isbn号码:9783540784890

丛书系列:

图书标签:

• Electromagnetics
• Computational Electromagnetics
• Intelligent Systems
• Machine Learning
• Artificial Intelligence
• Numerical Methods
• Computer Simulation
• Antenna Design
• Microwave Engineering
• Optimization Algorithms

电磁场应用中的计算方法探析 一本深入探讨现代电磁问题数值求解策略的专著 本书旨在为从事电磁场理论、计算电磁学、射频/微波工程、天线设计、电磁兼容性（EMC）以及相关领域研究与工程应用的专业人士，提供一套全面、深入且具有前瞻性的计算方法论。本书不涉及特定“智能计算机技术”的范畴，而是聚焦于传统与新兴数值方法在复杂电磁环境建模与仿真中的严谨应用与性能分析。 第一部分：电磁场基础与数值离散化理论 第一章：复习与前沿：现代电磁问题的数学特性 本章首先回顾麦克斯韦方程组在频域和时域下的形式，强调其在非均匀介质、复杂边界条件下的偏微分方程（PDE）特性。重点讨论了电磁系统解的适定性（Well-posedness）问题，特别是在高频和高导电率介质中的病态性（Ill-posedness）表现。我们将分析传统解析解方法的局限性，为引入数值方法奠定理论基础。本章还会触及基于势函数的求解方法，如磁矢量势 $mathbf{A}$ 和电标量势 $phi$ 的耦合体系，以及在处理磁屏蔽和涡流问题时的特殊考量。 第二章：有限差分法（FDM）的精细化：从时域到频域 本章详述有限差分方法（FDM）在求解亥姆霍兹方程和时域有限差分（FDTD）中的核心算法。我们将超越标准的交错网格（Yee Cell）结构，深入探讨高阶差分格式（如5阶、7阶精度）在降低数值色散和提高计算效率方面的潜力。特别关注非结构化网格上的FDM实现（例如，用于处理复杂几何边界）以及完全匹配层（PML）的最新发展，包括其在吸收波边界条件方面的参数优化与稳定性分析。针对频域问题，本书详细阐述了复频率依赖的稳定性分析方法。 第三章：有限元方法（FEM）的几何鲁棒性与单元设计 有限元方法（FEM）因其处理复杂边界和非均匀材料的能力而成为主流。本章专注于电磁学中的FEM应用。核心内容包括： 1. 高阶形函数与高斯积分：如何选择合适的形函数（如兰格-朗日多项式）以保证解的连续性和满足麦克斯韦方程组（即满足Lorentz Gauge或Coulomb Gauge）。 2. 边界积分方程（BIE）的耦合：探讨如何将有限元域与无限域的边界积分方程（通常使用纳皮尔（Nédélec）或塞尔格（Serre）元）有效耦合，以模拟开放区域问题。 3. 时域有限元（TFEM）：讨论TFEM在处理瞬态电磁事件中的优势与挑战，尤其是时间积分方案（如Newmark法或龙格-库塔法）的稳定性与精度权衡。 第四章：边界元方法（BEM）的优势与挑战 边界元方法（BEM）主要通过将问题转化为积分方程来求解，极大减少了计算域的维度。本章详细解析了电磁散射、辐射问题中BEM的应用。重点分析了格林函数（Green's Function）的选取及其在不同介质中的构造方法。本书深入探讨了BEM在处理大尺度问题时出现的奇异积分与共振现象，并介绍了诸如快速多极子方法（FMM）和对偶互易法（DMM）等加速技术在BEM中的集成策略。 第二部分：大规模问题的求解器与加速技术 第五章：矩量法（MoM）与快速算法的性能优化 矩量法（Method of Moments, MoM）在天线分析和散射问题中占有重要地位。本章详细阐述了MoM的矩阵构建过程，包括对线性方程组的直接求解和迭代求解。核心内容集中在大规模MoM矩阵的降阶与加速： 1. 快速傅里叶变换（FFT）加速：在平坦或周期性结构中利用FFT加速矩阵向量乘积（MVM）。 2. 多尺度与多频段MoM：如何构建适用于宽带仿真的矩阵求解框架。 3. 卡尔曼滤波与迭代求解器的收敛性：讨论预处理技术（如代数多重网格ADM/AMR）在提升MoM求解速度中的作用。 第六章：混合方法与多物理场耦合仿真 现代电磁问题往往需要与其他物理场（如热场、机械应力、半导体载流子输运）耦合求解。本章系统介绍几种关键的混合数值策略： 1. FEM-MoM混合策略：用于精确模拟馈源与复杂结构之间的相互作用。 2. 多尺度建模：如何在宏观（如系统级PCB布局）和微观（如器件级电磁效应）之间无缝切换求解尺度。 3. 非线性与时变问题：处理材料的非线性特性（如铁磁体饱和）或时间依赖的源激励，采用的隐式/显式时间步进方案对比。 第七章：求解线性系统的高效迭代方法 对于任何基于网格的电磁求解器（FEM, FDM, MoM），最终都归结于求解大型、稀疏、非对称线性方程组 $mathbf{Ax}=mathbf{b}$。本章深入分析了： 1. Krylov子空间方法：详细对比GMRES, BiCGSTAB, QMR等在电磁学求解中的适用性。 2. 预处理器设计：重点介绍代数多重网格（AMG）在电磁矩阵上的性能，以及基于不完全LU分解（ILU）和Schur补的块预处理技术。 3. 并行计算的挑战：讨论如何高效地划分电磁网格、实现矩阵向量乘积的并行化，以及通信开销的最小化策略。 第三部分：特定应用领域的数值建模与误差控制 第八章：电磁兼容性（EMC）与辐射建模的挑战 EMC仿真要求高精度地捕捉低频磁场耦合、高频辐射泄露以及瞬态大电流效应。本章关注： 1. 瞬态分析的稳定性与精度：在FDTD中处理尖锐脉冲时，时间步长的选择与数值色散的抑制。 2. 屏蔽效能（SE）的精确计算：如何利用高保真度的边界条件（如PEC、PMC或复合表面阻抗模型）来模拟屏蔽体的性能。 3. 系统级仿真（Co-simulation）：将电路级（SPICE）仿真结果与全波（EM）仿真结果进行有效集成的方法。 第九章：电磁超材料与超表面（Metasurfaces）的数值表征 超材料的有效参数（$epsilon_{eff}, mu_{eff}$）依赖于其亚波长结构。本章探讨如何通过数值方法提取这些参数： 1. 均匀化（Homogenization）技术：如何设计单元结构并在周期性边界条件下（PBC）使用FEM/FDM提取宏观等效参数。 2. 表面电导率模型的精确表示：在数值网格中准确捕捉金属化结构的表面电流。 3. 对离散化误差的敏感性分析：由于超材料结构微小，对网格精度的要求极高，本章将讨论如何量化和控制这种敏感性。 第十章：电磁场求解器的验证、确认与不确定度量化（V&V/UQ） 本书最后强调了计算结果的可靠性。本章不涉及具体计算技术，而是专注于评估方法论： 1. 基准问题与标准参考解：如何利用已知的解析或高精度参考数据（如IEEE标准）来验证求解器的正确性。 2. 网格收敛性分析：系统地评估网格尺寸对解的收敛速度和最终误差的贡献。 3. 输入参数不确定度的传播：如何将材料参数、几何尺寸的误差，通过数值模型传播到最终的输出结果（如散射截面或耦合系数）中，从而提供一个量化的不确定度区间。 本书全面覆盖了从基础的差分、积分方程方法，到先进的迭代求解器和多物理场耦合技术，旨在为工程师和研究人员提供一把理解和驾驭复杂电磁计算挑战的利器。

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