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作者:
王秉中，邵维编著
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出版社:
科学出版社
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ISBN:
9787030752390
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出版时间:
2023-03
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装帧:
平装
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开本:
16开
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ISBN:
9787030752390
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出版时间:
2023-03
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定价
￥168.00
品相
全新
上书时间2024-01-10
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商品描述：
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目录
第1章 绪论 1 1.1 计算电磁学的产生背景 1 1.1.1 高性能计算技术 1 1.1.2 计算电磁学的重要性 2 1.1.3 计算电磁学的研究特点 2 1.2 电磁场问题求解方法分类 4 1.2.1 解析法 4 1.2.2 数值法 5 1.2.3 半解析数值法 6 1.3 当前计算电磁学中的几种重要方法 7 1.3.1 有限元法 7 1.3.2 时域有限差分法 9 1.3.3 矩量法 11 1.4 电磁场工程专家系统 12 1.4.1 复杂系统的电磁特性仿真 12 1.4.2 面向CAD的复杂系统电磁特性建模 14 1.4.3 人工智能专家系统 15参考文献 15 第一篇 电磁仿真中的有限差分法 第2章 有限差分法 21 2.1 差分运算的基本概念 21 2.2 边值问题（静态场）的差分计算 24 2.2.1 二维泊松方程差分格式的建立 24 2.2.2 介质分界面上边界条件的离散方法 26 2.2.3 边界条件的处理 28 2.2.4 差分方程组的特性和求解 30 2.2.5 数值算例 33 2.3 特征值问题（时谐场）的差分计算 42 2.3.1 纵向场分量的亥姆霍兹方程 42 2.3.2 数值算例 44参考文献 50 第3章 频域有限差分法 51 3.1 FDFD基本原理 51 3.1.1 Yee的差分算法和FDFD差分格式 51 3.1.2 介质交界面上的差分方程 53 3.1.3 数值色散 54 3.2 吸收边界条件 56 3.2.1 频域单向波方程和Mur吸收边界条件 57 3.2.2 边界积分方程截断边界 59 3.2.3 基于解析模式匹配法的截断边界条件 64 3.3 总场/散射场体系和近远场变换 67 3.3.1 总场/散射场中的激励源引入 67 3.3.2 近区场到远区场的变换 68 3.4 数值算例 71 3.4.1 特征值问题的求解 71 3.4.2 散射问题的求解 79参考文献 83 第4章 时域有限差分法Ⅰ——差分格式及解的稳定性 84 4.1 FDTD基本原理 84 4.1.1 Yee的差分算法 84 4.1.2 环路积分解释 88 4.2 解的稳定性条件 90 4.3 非均匀网格 92 4.3.1 渐变非均匀网格 93 4.3.2 局部细网格 95 4.4 共形网格 98 4.4.1 细槽缝问题 98 4.4.2 弯曲理想导体表面的Dey-Mittra共形技术 99 4.4.3 弯曲理想导体表面的Yu-Mittra共形技术 100 4.4.4 弯曲介质表面的共形技术 101 4.5 半解析数值模型 102 4.5.1 细导线问题 102 4.5.2 增强细槽缝公式 103 4.5.3 小孔耦合问题 105 4.5.4 薄层介质问题 107 4.6 良导体中的差分格式 110参考文献 112 第5章 时域有限差分法Ⅱ——吸收边界条件 113 5.1 Bayliss-Turkel吸收边界条件 113 5.1.1 球坐标系 113 5.1.2 圆柱坐标系 115 5.2 Engquist-Majda吸收边界条件 116 5.2.1单向波方程和Mur差分格式 116 5.2.2 Trefethen-Halpern近似展开 121 5.2.3 Higdon算子 122 5.3 廖氏吸收边界条件 123 5.4 Berenger完全匹配层 126 5.4.1 PML媒质的定义 126 5.4.2 PML媒质中平面波的传播 127 5.4.3 PML-PML媒质分界面处波的传播 129 5.4.4 用于FDTD的PML 131 5.4.5 三维情况下的 PML 135 5.4.6 PML的参数选择 138 5.4.7 减小反射误差的措施 139 5.5 Gedney完全匹配层 142 5.5.1 完全匹配单轴媒质 142 5.5.2 FDTD差分格式 146 5.5.3 交角区域的差分格式 151 5.5.4 PML的参数选取 152参考文献 153 第6章 时域有限差分法Ⅲ——应用 154 6.1 激励源技术 154 6.1.1 强迫激励源 154 6.1.2 总场/散射场体系 157 6.2 集总参数电路元件的模拟 160 6.2.1 扩展FDTD方程 160 6.2.2 集总参数电路元件举例 161 6.3 数字信号处理技术 164 6.3.1 极点展开模型与Prony算法 164 6.3.2 线性及非线性信号预测器模型 165 6.3.3 系统识别方法及数字滤波器模型 167 6.4 应用举例 169 6.4.1 均匀三线互连系统 169 6.4.2 同轴线馈电天线 171 6.4.3 多体问题 173 6.4.4 同轴-波导转换器 175 6.4.5 波导元件的高效分析 177 6.4.6 传输线问题的降维处理 179参考文献 185 第7章 无条件稳定的FDTD方法 186 7.1 ADI-FDTD法 186 7.1.1 ADI-FDTD差分格式 187 7.1.2 ADI-FDTD解的稳定性 192 7.1.3 ADI-FDTD的吸收边界条件 197 7.1.4 应用举例 206 7.2 LOD-FDTD方法 216 7.2.1 二维LOD-FDTD差分格式 216 7.2.2 二维LOD-FDTD解的稳定性 219 7.2.3 Berenger的PML媒质中的LOD-FDTD格式 221 7.2.4 LOD-FDTD中的共形网格技术 223 7.2.5 高阶LOD-FDTD方法 224 7.2.6 应用举例 228 7.3 Newmark-Beta-FDTD方法 231 7.3.1 Newmark-Beta-FDTD差分格式 231 7.3.2 Newmark-Beta-FDTD解的稳定性 235 7.3.3 Newmark-Beta-FDTD的数值色散分析 237 7.3.4 应用举例 238参考文献 240 第二篇 电磁仿真中的矩量法 第8章 矩量法基本原理 245 8.1 矩量法原理 245 8.1.1 矩量法基本概念 245 8.1.2 矩量法中的权函数 246 8.1.3 矩量法中的基函数 246 8.2 静电场中的矩量法 248 8.2.1 一维平行板电容器 248 8.2.2 一维带电细导线 249 8.2.3 二维带电导体平板 250参考文献 251 第9章 空域差分-时域矩量法 252 9.1 SDFD-TDM法 252 9.1.1 SDFD-TDM法的基本原理 252 9.1.2 基于分域三角基函数和Galerkin法的SDFD-TDM法 255 9.2 Laguerre-FDTD法 261 9.2.1 Laguerre-FDTD法公式体系 261 9.2.2 Laguerre-FDTD法二阶Mur吸收边界条件 266 9.2.3 实数域的Laguerre-FDTD法二维全波压缩格式 267 9.2.4 非正交坐标系的Laguerre-FDTD法 270 9.2.5 色散介质中的ADE-Laguerre-FDTD法 274 9.2.6 Laguerre-FDTD法的色散分析和关键参数选取 277 9.2.7 区域分解Laguerre-FDTD法及在散射中的应用 280参考文献 284 第10章 积分方程方法 286 10.1 积分方程和格林函数 286 10.1.1 积分方程的推导 286 10.1.2 三维格林函数 287 10.1.3 二维格林函数 288 10.2 磁矢量位和远场近似 289 10.2.1 磁矢量位 289 10.2.2远场表达式 290 10.3 表面积分方程 292 10.3.1 理想导体散射场的等效原理 292 10.3.2 理想导体的表面积分方程 292 10.4 细导线的线积分方程 295 10.4.1 细线近似 295 10.4.2 细线天线的激励源 296参考文献 297 第11章 矩量法应用 298 11.1 一维线天线的辐射 298 11.1.1 Hallen积分方程的求解 298 11.1.2 Pocklington方程的求解 300 11.2 二维金属目标的散射 302 11.2.1 二维金属薄条带的散射 302 11.2.2 二维金属柱体的散射 305 11.3 三维金属目标的散射 307 11.4 周期结构的散射 309 11.4.1 子全域基函数法原理 309 11.4.2 阻抗矩阵的快速填充计算 311参考文献 315 第12章 基于压缩感知理论的矩量法 316 12.1 压缩感知理论 317 12.2 基于压缩感知理论的矩量法原理 318 12.2.1 权函数冗余性与解的稀疏性 318 12.2.2 数学描述 319 12.2.3 物理解释 320 12.2.4 计算复杂度分析 321 12.3 数值算例 321 12.3.1 带电细导线的电荷密度分布 321 12.3.2 带电导体平板的电荷密度分布 323 12.3.3 Hallen积分方程求解双臂振子天线 325 12.3.4 二维金属圆柱散射 325 12.4 压缩感知矩量法方程的快速构造和求解 326 12.4.1 阻抗矩阵快速填充的基本思想 326 12.4.2 阻抗矩阵快速填充方法的数学描述 327 12.4.3 压缩感知矩量法方程的快速求解 328 12.4.4 计算复杂度分析 329 12.4.5 计算实例 330参考文献 334 第三篇 电磁建模中的人工神经网络第13章 人工神经网络模型 339 13.1 生物神经元 339 13.2 人工神经元模型 340 13.2.1 单端口输入神经元 340 13.2.2 活化函数 340 13.2.3 多端口输入神经元 343 13.3 多层感知器神经网络 343 13.3.1 单层前传网络 343 13.3.2 多层前传网络 344 13.4 多层感知器的映射能力 345 13.5 多样本输入并行处理 346 13.6 极限学习机……第14章用回传算法训练多层感知器第15章神经网络建模的试验设计第16章知识人工神经网络模型第17章基于传递函数的神经网络模型应用第18章物理启发的神经网络第四篇电磁设计中的优化方法第19章空间映射优化方法第20章遗传算法第21章拓扑优化算法参考文献
内容摘要
第1章绪论 1.1计算电磁学的产生背景 1.1.1高性能计算技术 现代科学研究的基本模式是“科学实验、理论分析、高性能计算”三位一体。在国际高技术竞争日益激烈的今天，高性能计算技术已经成为体现一个国家经济、科学和国防实力的重要标志，成为解决挑战性课题的一个根本途径。因此，在全球范围展开的高性能计算技术的竞争又呈白热化态势。 硬件和软件是高性能计算技术的两个组成部分。 从硬件方面来看，以计算技术开发领先的美国为例，为了保持其在世界上的领先地位，它早在 1993年就由国会通过了高性能计算与通信（High Performance Computing and Communications， HPCC）计划。而后，美国国家科学基金会、能源部、国防部、教育部、卫生与公众服务部部、国家航空航天局、国家安全局、国家环境保护局、国家海洋和大气管理局陆续参与了这一计划。更快的运算速度、更大容量的内存是高性能计算机努力追求的目标。随着单处理机的速度越来越趋近物理极限，高性能计算机必须走大规模并行处理之路，大规模并行处理的突破口是并行计算机模型。此外，基于一些新材料、新工艺的新型计算机，如光互连技术、超导体计算机、量子计算机和分子计算机等的研究也在持续升温。 从软件方面来看，算法是软件的核心，是计算机的灵魂。对一个给定的计算机系统而言，其解决问题的能力和工作效率是由算法来决定的。目前计算机所做的信息处理大致分为一般问题和难解问题。对于一般问题，人们可以找到有效算法使计算机可以在能够容忍的时间和空间内解决这些问题。而对于难解问题，人们很难找到快速有效的算法。当被处理问题规模增大时，计算机的计算量有可能成百倍、成千倍呈指数型地增长，*终在时间和空间上超出计算机的实际计算能力。几十年来，计算机理论学者和算法专家一直在致力于寻找对一般问题的实时高性能算法和对大规模难解问题的快速算法。 科学和工程计算的高速进步，是 20世纪后半叶*重要的科技进步。随着计算机和计算方法的飞速发展，高性能科学和工程计算取得了日新月异的进步，几乎所有学科都走向定量化和精确化，从而产生了一系列的计算性学科分支，如计算物理、计算化学、计算生物学、计算地质学、计算气象学和计算材料科学等，而计算数学则是它们的联系纽带和共性基础。这就使得计算数学这个古老的数学科目成为现代数学中一个生机盎然的分支，并发展成为一门新的学科 ——科学与工程计算。 利用高性能计算机，可以对新研究的对象进行数值模拟和动态显示，获得由实验很难得到甚至根本得不到的科学结果。在许多情况下，或者是理论模型复杂甚至理论模型尚未建立，或者是实验费用昂贵甚至不能进行实验，计算就成为解决这些问题的唯一或主要手段。高性能计算技术极大地提高了高科技研究的能力，加速了把科学技术转化为生产力的过程，深刻地影响着人类认识世界和改造世界的方法与途径，正推动着当代科学向更纵深的方向发展。 高性能计算是我国在世界科技领域占有一席之地的学科方向之一。我们曾经在计算机硬件远落后于发达国家的不利条件下，充分发挥自己的智力优势，在核武器研制、火箭卫星发射、石油勘探、大地测量、水坝建筑、气象预报、生态环境监测等领域取得了举世瞩目的成绩。 1.1.2计算电磁学的重要性 与高性能计算技术发展同步，在电磁场与微波技术学科，以电磁场理论为基础，以高性能计算技术为工具和手段，运用计算数学提供的各种方法，诞生了一门解决复杂电磁场理论和工程问题的应用科学 ——计算电磁学（computational electromagnetics， CEM），它是一门新兴的边缘科学。 电磁场理论的早期发展是和无线电通信、雷达的发展分不开的，它主要应用在军事领域。现在，电磁场理论的应用已经遍及地学、生命科学和医学、材料科学和信息科学等几乎所有的技术科学领域。计算电磁学的研究内容涉及面很广，它渗透到电磁学的各个领域，与电磁场理论、电磁场工程互相联系、互相依赖、相辅相成。计算电磁学对电磁场工程而言，是要解决实际电磁场工程中越来越复杂的电磁场问题的建模与仿真、优化与设计等问题；而电磁场工程也为之提供实验结果，以验证其计算结果的正确性。对电磁场理论而言，计算电磁学研究可以为电磁场理论研究提供进行复杂的数值及解析运算的方法、手段和计算结果；而电磁场理论的研究也为计算电磁学研究提供了电磁规律、数学方程，进而验证计算电磁学研究所计算的结果。 计算电磁学对电磁场理论发展的影响绝不仅仅是提供一个计算工具的问题，而是使整个电磁场理论的发展发生了革命性的变革。毫不夸张地说，近二三十年来，电磁场理论本身的发展，无一不是与计算电磁学的发展相联系的。目前，计算电磁学已成为对复杂体系的电磁规律、电磁性质进行研究的重要手段，为电磁场理论研究开辟了新的途径，对电磁场工程的发展起了极大的推动作用。 1.1.3计算电磁学的研究特点 计算电磁学研究的第一步是对电磁问题进行分析，抓住主要因素，忽略各种次要因素，建立起相应的电磁、数学模型。在这一点上与电磁场理论的做法极为相似。在电磁、数学模型确定之后，就是要选择算法并使之在计算机上实现。 首先来讨论算法。对确定的数学模型，可以采用数值或非数值计算来求解。这项工作是计算数学讨论的主要内容，也是计算电磁学的基础。由于现代程序存储是通用数字电子计算机的内在特点，它实质上只能做比加法略多一些的运算和操作。而从实际问题建立起的复杂数学模型往往是以微分或积分方程等形式表示出来的。表面上，计算机所提供的处理能力与所要求解的问题的差距是相当大的。沟通这一鸿沟的就是算法。算法可以简单地认为是在解决具体问题时，计算机所能执行的步骤。算法将一个复杂问题化为简单问题，简单问题再化为基本问题，基本问题再化为计算机能够执行的运算。算法选取的好坏是影响到能否计算出结果、精度高低或计算量大小的关键。以快速傅里叶变换（fast Fourier transformation， FFT）为例，假设离散化后待处理的点数为 N，普通傅里叶变换算法需ON（2）次操作，快速傅里叶变换则只需 ON时，后者的计算速度是前者的50000倍。一般来说，算法（log2N）次操作。当N.106分析是计算机科学和计算数学的研究范畴，计算电磁学工作者只要应用它们即可。但是，如果计算电磁学工作者自己提出一个新算法，就仍有必要进行算法分析。 其次是算法的误差。一般来说，所有数值计算方法都存在误差，其来源有以下四个方面。 （1）模型误差。将实际问题归结为数学问题时，总要忽略一些主观上认为是次要的因素，加上这样或那样的限制。这种理想化的“数学模型”，实质上是对客观电磁现象的近似描述，这种近似描述本身就隐含着误差，这就是模型误差。 （2）观测误差。数学模型中常常包含着一些通过实验测量得到的物理参数，如介电常数、磁导率、电导率、电磁耦合系数等。这些实验测量参数不可避免地带有误差，这种误差称为观测误差。 （3）方法误差。在求解过程中，往往由于数学模型相当复杂而不能获得它的精确解；或者有些运算只能用极限过程来定义，而计算机只能进行有限次运算，这就必然引入了误差。这种误差是因为采用这样的数值求解算法而使运算结果与模型的准确解产生误差，因而也称方法误差或截断误差。例如，无穷级数就只能截取有限项计算，存在截断误差。 （4）舍入误差。由于计算机的有限字长而带来的误差称为舍入误差，也称为计算误差，在计算机上进行千千万万次运算以后，其舍入误差的积累也是相当惊人的。上述四方面所产生的误差是在进行任何一项计算中都必须考虑的，从而根据实际精度要求选择和设计出好的计算方法。 *后，还需考虑计算的收敛性和稳定性问题。 对算法、误差、收敛性及稳定性的研究属于计算数学的基本内容。计算电磁学在吸收计算数学研究成果的基础上，采用具有自身学科特色的研究方法，它在研究上的主要特点表现在以下几方面。 （1）计算电磁学工作者在选用计算方法时更多的考虑是在算法和计算结果的物理意义上，而计算数学工作者更感兴趣的是算法的逼近阶、计算精度、收敛性及稳定性等问题。这是由于计算电磁学是以要解决的电磁问题为出发点和归宿点，因而对算法的评价和偏爱程度就与计算数学并不总是一致的。计算电磁学有时采用较为简单可靠、物理意义清楚的算法，对复杂物理问题作各种近似。例如，对非线性问题用一系列线性化的问题去逼近；对非均匀介质用一批小的均匀介质的组合去逼近；对不规则几何形体用一批规则几何形体的组合来逼近等。 （2）计算电磁学的任务是寻求电磁规律、解决电磁问题，因而，它有时利用某些直观的电磁现象，加上逻辑推理、判断和实验，采用自身特有的方法，而可以不拘泥于数学上经严格证明得到的计算方法。 （3）计算电磁学工作者在使用计算机分析整理大量计算数据的基础上，还需得出物理结论，这些结论*好是以某种解析形式的近似解来表达。这样才有利于直接反映出电磁规律和理论的进一步推广使用。 1.2电磁场问题求解方法分类 求解电磁场问题的方法，归纳起来可分为三大类（其中每一类又包含若干种方法）：第一类是解析法；第二类是数值法；第三类是半解析数值法。 1.2.1解析法 电磁学是一门古老而又不断发展的学科。采用经典的数学分析方法是近百年电磁学学科发展中一个极为重要的手段。解析法包括建立和求解偏微分方程或积分方程。严格求解偏微分方程的经典方法是分离变量法，严格求解积分方程的方法主要是变换数学法。解析法的优点如下。 （1）可将解答表示为已知函数的显式，从而可计算出精确的数值结果。
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