计算电磁学及其在复杂电磁环境数值模拟中的应用和发展趋势-论文.pdf

《计算电磁学及其在复杂电磁环境数值模拟中的应用和发展趋势-论文.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第3I卷第4期计算物理Vo1．31．No．42014年7月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSJu1．．2014文章编号：1001—246X(2014)04-0379—11计算电磁学及其在复杂电磁环境数值模拟中的应用和发展趋势周海京，刘阳，李瀚宇，董烨，廖成。，董志伟，莫则尧(1．北京应用物理-9计算数学研究所，北京100094；2．中物院高性能数值模拟软件中心，北京1000883．西南交通大学电磁所，成都610031)摘要：概述计算电磁学的发展历程及其数值方法，并从学术研究、商业

2、软件以及专用软件三个层次论述国内外研究的最新进展．结合复杂电磁环境的应用介绍复杂电磁环境数值模拟平台的研究现状，最后提出未来发展趋势的几点设想．关键词：计算电磁学；复杂电磁环境；高性能计算中图分类号：0562文献标志码：R0概述O．1计算电磁学从研究手段(或研究途径)的角度考察，我们发现，电磁学的发展历程大致可以分为实验电磁学(1864年以前)，经典电磁学(1864年一1950年代)和计算电磁学(1950年代至今)三个阶段．实验电磁学是建立在来自实验的感性认识基础上的，这一阶段的标志性工作包括库伦、安培以及法拉第等实

3、验定律．1864年，苏格兰物理学家麦克斯韦在上述实验定律的基础上建立了麦克斯韦方程，揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律，使电磁学真正上升为一门理论，也标志着电磁学迈人经典电磁学的发展阶段．电子计算机发明之前，人们通过应用经典电磁理论求解具有规则边界简单问题(如球、圆柱、平面等)的解析解，获得电磁场问题的物理或工程上的解释或认知．这种方法效率高且可得到问题的准确解，如分离变量法、格林函数法、保角变换等，但适用范围太窄．为求解较复杂的电磁场问题，人们发展了渐进方法，如高频近似方法等．然而，面对工程电磁问题中越来

4、越复杂的边界条件时，解析或渐进方法往往无能为力．20世纪50年代以来，电子计算机技术飞速发展，计算机强大的计算能力使其取代了只依赖纸和笔的传统计算模式，成为科学和工程技术发展中不可或缺的计算分析工具．在计算机辅助下，电磁场数值计算方法能够求解形状复杂不规则的实际问题，其解在一定程度上满足了实际应用的精度．随着电磁场数值计算方法在实际工程问题中的广泛应用，计算电磁学研究领域已成为现代电磁理论研究的主流．概括来讲，计算电磁学是以电磁场理论为基础，以数值计算技术为手段，运用计算数学提供的各种数值方法，解决复杂电磁场理论和工

5、程问题，是目前电磁场与微波技术学科中十分活跃的一个研究领域．0．2计算电磁学数值方法目前，计算电磁学方法从名称上来分种类繁多，曾经有学者试图在现有算法基础上总结出计算电磁学族谱，其中列出有正式名称的算法就多达五十种之多．限于篇幅，本文只作概念性分类描述．从求解麦克斯韦方程的方法来分，可分为解析法、渐进法和数值法三类．解析法是指严格求解麦克斯韦方程的方法，通常只适用收稿日期：2013—12—02；修回日期：2014—03—05基金项目：国家重点基础研究发展计划(2013CB328904)，国家自然科学基金(612011

6、13和11305015)，中物院复杂电磁环境科学与技术重点实验室课题及国家自然科学基金委一中物院NSAF联合基金(U1330109)资助项目作者简介：周海京(1970一)，男，博士，研究员，中物院高性能数值模拟软件中心首席专家，主要从事高功率电磁学及计算电磁学的应用研究通讯作者：刘阳，E—mail：liu—yang@iapcm．ac．cn380计算物理第31卷于理想的边界条件，如分离变量法只能在十一种可以作变量分离的坐标系下进行求解．渐进法是指在极限条件下求解麦克斯韦方程的近似形式，如低频近似下退化为准静态问题和电路

7、问题，高频近似下的光学和准光学方法，包括几何光学法、物理光学法、几何／物理／一致绕射方法、高斯波束法等．而大部分计算电磁学方法则被归于数值方法，即用离散化方法通过计算机程序直接求得麦克斯韦方程及其衍生方程的数值解．在电磁学领域中，目标体的特征尺寸与波长之比是一个重要参数，即目标体的电尺寸．通常可以根据目标体的电尺寸大小将问题分为低频、中频和高频问题⋯．当目标体的特征尺寸远小于波长时，该问题属于低频问题，电路物理占据主导地位，可利用静态场或准静态场近似建立模型提高计算效率；当目标体的特征尺寸远大于波长时，该问题属于高频

8、问题，射线物理占据主导地位，高频渐近方法适用于该类问题；当Et标体的特征尺寸与波长可比拟时，电磁场是振荡且传播的，此时常采用波物理来理解和描述该问题．因此计算电磁学的数值方法从求解的问题可分为低频、中频和高频方法，如求解低频问题的低频多层快速多极子方法、求解中频问题的多层快速多极子方法以及求解高频问题的高频近似方法等．计算电磁学中的数值方法也可