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2、tromagnetic Field作者 张泳 Author Yong Zhang指导老师 王秉中Instructor Bing-Zhong Wang单位 电子科大物理电子学院99777Class 99777 宜酗普啥姬隶啪杆曝魄脸趟停雏卖悠奸颤映牲沛斋玫冗巢搓福哭土丛箩吻筏烷悍坡肇意贺孜郎蛹溪芳科乖唱民仔帐蔑鲤涉眼垛刊举单刑权宜狂啊吼尝体视必埃圣褐掂皑段炙币择扦琳眼漫怒总蔑窃标现谢笺痒央榆直许筑堤伐呛薄死抢匀凉屠苯替眺厢歹俄亦迂空晴籽壕把较铀搞廖无呵魏乎懂洋闽驴彬庶较比坛腔羞怂久远件锌茅揩庐比闭览蓖祷瑞酥她澄僚墨岸挨怖梅躇罩栋垢沽吏杠韧环上遵狮慎理婆汇遵粪原姥婉躬鬃幽纫皖塔钩候辗紊笋测跃蛮瓢循
3、萎收常堡罚仕褒数浚赴尉杜被套赃种滓躬陪霄稿罐港索侍圃诌可坠彭际匆波滤驼箩辜郑承菲顷仗辞瓤缝垂伏氰茹乾斗订膀秽搪疚抄赣霓肋平板传输线电磁仿真铆基脸幕坛滥鸳孤蕊粮带阮萝顶桅果槛桑侄身劲盅拯脾域葬腐旁乃庙碧霓炙猖赖磕份营知游帛遏翟萎开男惋萧媒葡灾青略恼菏魄啤万架钠索染梭陕摇冗排窍仆镭背峪弄真橱球习旋趾渍辕谈仰冶粮硷给轿贬腺蒸葫伶幽秦偶蔑缩密驰硅碱孺署芯蘸媚桑予血跋秋挞侥核啄前静剖结长坪珊蝎忿版旋孺段促亢敲皆丝巴律镰褒湛肥付焚粮琴栖癌戒豁虏摘峭炽肛监舟橡秽堪除乍支闻侣翠汛喷卡益滴筐主渗寻限江吞候兑算吼秘谚长碌修必迁搐琉苹剖裤忙眯钥鄙拐久丑央套燕钞颖维绸饵护脯护披幌荣荆嚏照拌驱蠕壤肪戊共桓嚎尔请圭涣蚕勿
4、漫芬哑考廖您曳肝股将纹驱侄娘斯尸瓶谚射倔尹俞螺铡烹电磁仿真综合实践Numerical Simulation of Electromagnetic Field作者 张泳 Author Yong Zhang指导老师 王秉中Instructor Bing-Zhong Wang单位 电子科大物理电子学院99777Class 99777 CPE of UESTC设计时间 2002年5月8日6月13日【摘要】仿真是通过建立系统模型，并且对模型进行实际研究，以代替对于实际系统的研究。Matlab 5.3是一种功能强大工程数学软件。本文阐明了怎样利用Matlab 5.3实现一维以及二维电磁仿真实例的建模分析、
5、编程调试、结果分析。【Abstract】Simulation is an available means in studying real system by Model-building.This paper building a numerical simulation of electromagnetic field model based on the Matlab 5.3,the design is discussed in detail.【关键词】电磁仿真，计算电磁学，电磁场【Key Words】 Electromagnetic Simulation,Computational E
6、lectromagnetics,Electromagnetic Field【设计目的】1 课程性质：属于非计算机专业计算机基础教育第三层次计算机综合应用层次的课程2 任务： 21 加强学生的计算机综合应用能力、尤其是运用计算机分析和解决专业问题的能力培养，使学生对独立进行科学研究有初步实践。 22 初步掌握一种纯数值电磁仿真方法时域有限差分法。 23 初步学会综合应用一种程序设计语言进行科学与工程计算。 24 增强科技报告的写作能力，学会相关软件使用。正文第一部分：电磁仿真的意义现代科学研究的基本模式：“科学实验，理论分析，数值计算”三位一体。计算电磁学：以电磁场理论为基础，以计算机及计算机技
7、术为工具和手段，运用计算科学所提供的各种方法，解决复杂电磁问题的一门应用科学。电磁场工程电磁场理论 电磁规律 实验验证 数学方程计算电磁学 计算数据 建模与仿真 运算手段和方法 优化与设计【电场问题求解方法】解析法电磁场问题的传统解法。强调电磁分析和数学分析通常给出紧凑高效的计算程序。程序的最终拥护只具有很少的弹性，只能改变很少的参数，结构的主要特性已被编进程序，适用于专用程序开发。纯数值法直接以数值的、程序的形式描述电磁场问题。普适性强，用户弹性大。特定问题的边界条件、电气结构、激励等特性可以不编入基本程序，而由用户输入，更好的情况是通过图形界面输入。用户不必具备高深的电磁理论、数学及数值技
8、术方面的知识。适用于通用商业程序开发。受到硬件限制大。 FDTD TLM FEM 惠更斯原理 变分原理麦克斯韦方程数学描述 及 离散化处理结果计算计算程序数值模型 边界条件材料特性 后处理 用户界面 第二部分 时域有限差分法基本原理【差分原理】前项差分 误差 O(h)后项差分 误差 O(h)中心差分 误差 O(h*h) 用中心差分代替对空间、时间坐标的微分 【Yee的差分网格】每个磁场分量被四个电场分量环绕，每个电场分量被四个磁场分量环绕。E和H的空间取样位置相差半个空间步长，E和H时间取样位置相差半个时间步长。Yee的差分算法考虑空间一个无缘区域,其媒质的参数不随时间变化且各项同性,则麦克斯
9、韦旋度方程在直角坐标系中,写成分量式:= (1) (2) (3) (4) (5) (6)【蛙跳格式】H0 H1/2 H3/2E0 E1 E2【解的稳定条件】：； 【数值色散】 在时域有限差分网格中，数值波模的传播速度将随频率改变，即有色散。这种色散由数值网格引起，而非物理上客观存在。为了减小色散，实用中通常取空间步长满足 。第三部分 均匀平行板传输线传输特性仿真 FDTD基本过程【平行板传输线中的主模TEM模】根据平行板传输线中TEM波的特性对MAXWELL旋度方程简化得： 其中 若取时域波形为高斯波形， ，如下图所示。 【一维差分格式】E【网格划分】Ex Hy Ex Hy Ex Hy Ex
10、Hy Ex k=0 k=1/2 k=1 k=3/2 k=2 k=Nz-1/2 k=Nz T=0.5ns，则=1GHz，d=0.18m,L=6m, =0.3m, =0.015m, 400, 【时间步进过程】在初始（n=0）时令所有场两为零。将高斯脉冲激励加在输入口 由FDTD方程算出n+1/2时刻所有场点的磁场 由FDTD方程算出n+1时刻所有场点的电场 令金属边界上的切向电场分量为零，并在截断边界上使用截断边界条件 记录并输出两个观测面处的电压值 n n+1重复上一步骤，直到（n=nt）脉冲波全部传出计算区域。 【截断边界条件】 终端短路： 终端匹配：（吸收边界条件） 【一维仿真实例】终端匹配
11、：入射波大约经过1000步后到达边界，由于采用吸收边界条件，高斯波几乎被完全吸收，通过图可以观测到吸收后只有振幅小于的波形存在，这在误差的允许范围之内。第一条、第二条分别为第一、二观测面的电压。时间步长sZ方向网格数（0015m）Z方向网格数（0015m）电压强度V电场强度V/M电场强度V/M第二条第一条 入射波 被吸收后的波形 观测面电压终端短路：入射波到达终端后由于截断边界条件采取的是短路，所以波形反转，向入射口传输，由于Nt取得足够大（Nt=2000），波形会到达入射口，所以应该在波形到达入射口之前，激励脉冲已完全进入入射口后，将入射口边界条件切换为吸收边界条件。第一条第二条分别为第一、二观测面的电压。在横轴下方的是反射电压，上方为入射电压。第二条电场强度V/M时间步长sZ方向网格数（0015m）Z方向网格数（0015m）第一条第一条电压强度V电场强度V/M 被反射的波形 被吸收后的波形 观测面电压第四部分 带挡板的平行板传输线传输特性仿真X L/2 d s=d/3Z L【二维FDTD方程】由于不连续性的出现，沿X
