FDTD方法与近远场外推技术详解

"本文档是关于有限差分时域法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）的基础知识，特别是其在近场和远场外推技术中的应用。" FDTD方法是一种数值计算方法，广泛用于电磁场问题的求解，特别是在天线设计、光子学、生物医学工程和无线通信等领域。它通过在时间和空间上离散化麦克斯韦方程来模拟电磁波的传播。在FDTD算法中，关键步骤包括定义问题空间、构建几何结构、设定源项和集总元件、设置输出参数以及执行时间步进循环。 在Chapter 3中，主要讨论了如何在Yee网格上构建对象。Yee网格是FDTD方法的基础，它是一种均匀的空间离散化网格，其中电场和磁场分量分别存储在不同的网格节点上，确保了电磁场的连续性。`fdtd_solve.m`脚本中，首先清空工作空间并初始化参数，然后定义问题空间（如尺寸、分辨率等），接着创建几何结构，这可能涉及设置不同材料属性的区域。同时，还需要定义源项和集总元件，例如天线或传感器，以及输出参数，如采样频率和观察区域。初始化完成后，FDTD问题的空间和参数准备就绪，可以开始模拟。 `initialize_fdtd_parameters_and_arrays`函数设置FDTD算法的基本参数，如时间步长、网格尺寸等。`initialize_sources_and_lumped_elements`处理源项，可能是脉冲源或持续源，以及集总元件，如电阻、电容和电感。`initialize_updating_coefficients`计算更新系数，这些系数用于在每个时间步长内更新电场和磁场。边界条件的设定（`initialize_boundary_conditions`）是关键，可以有完美匹配层（PML）来吸收外溢的电磁波，防止反射。输出参数的初始化 (`initialize_output_parameters`) 定义了数据如何被记录和保存。最后，`initialize_display_parameters`可能涉及到实时显示或动画。 Chapter 4则关注活动和被动集总元件。在`run_fdtd_time_marching_loop`函数中，实际的时间步进循环进行，这包括更新磁场（`update_magnetic_fields`）、捕获样本磁场（`capture_sampled_magnetic_fields`）和捕获其他感兴趣的物理量。这个循环将持续到预设的总时间步数(`number_of_time_steps`)。时间步进过程中的性能监控，如CPU时间的记录，也有助于评估模拟的效率。 这份文档深入介绍了FDTD方法的核心概念和实现细节，对于理解FDTD模拟近场和远场外推技术具有重要意义。通过掌握这些知识，读者能够建立自己的FDTD模型，解决各种电磁场问题。