《電磁場理論與計(jì)算》（第二版）共分9章，講述了電磁波傳播的若干基本原理，包括傳輸線、波導(dǎo)以及天線的基本理論、基本規(guī)律和基本方法，同時(shí)也講述了有關(guān)電磁波的計(jì)算方法，包括矩量法、變分法、時(shí)域有限差分法、有限元法等，內(nèi)容簡潔、深入淺出。書中有相應(yīng)的例題用于鞏固知識(shí)加深理解，還附有一些計(jì)算程序。
本書可供高等學(xué)校電子信息類專業(yè)高年級(jí)本科生、研究生教學(xué)使用，相近專業(yè)可以作為選修課程教材。本書也可供有關(guān)工程技術(shù)人員參考。
本書分為兩部分，第一部分為第1～5章，是與電磁場有關(guān)的傳輸線、波導(dǎo)理論以及與電磁輻射有關(guān)的天線基本理論、天線仿真，其可以作為本科生高年級(jí)階段電磁場的深入教材。第二部分為第6～9章，是關(guān)于計(jì)算電磁學(xué)的內(nèi)容，其可以作為高年級(jí)本科生階段計(jì)算電磁學(xué)課程的教材，也可作為研究生階段的基礎(chǔ)電磁計(jì)算理論教材。計(jì)算電磁學(xué)課程的教材比較少，希望本書能滿足大家的需要。本書的編寫意圖是希望學(xué)生可以較為容易地從第一部分課程過渡到第二部分課程。
雖然本書的第一部分介紹的是電磁場傳播理論，但其涵蓋的內(nèi)容與現(xiàn)有教材有所不同，這主要是因?yàn)楸究粕恼n程體系在過去二十年中有了較大的改變。許多大學(xué)已經(jīng)減少了必修課的數(shù)量，以便學(xué)生更為自由地取舍與學(xué)習(xí)，這就導(dǎo)致在大多數(shù)高校的電子信息類專業(yè)中，本科生只有一門電磁場的必修課程，因而研究生在入學(xué)時(shí)對(duì)基礎(chǔ)電磁理論的掌握情況差異很大，尤其是計(jì)算電磁學(xué)知識(shí)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，使不同層次的學(xué)生均能從中受益，本書的內(nèi)容既涵蓋基礎(chǔ)理論，也涵蓋傳輸線理論、波導(dǎo)理論、電磁場輻射有關(guān)的天線理論。
在撰寫本書時(shí)，筆者始終遵循下列原則。
① 本書并不是要作為一本包羅萬象的參考書。它應(yīng)包含足夠的傳輸線、波導(dǎo)、天線的基礎(chǔ)知識(shí)，使電子信息類專業(yè)的研究生在未來研究高級(jí)課題時(shí)有足夠的知識(shí)準(zhǔn)備，并且所有內(nèi)容應(yīng)該能在一學(xué)期內(nèi)講授完。因此，對(duì)該部分涵蓋的內(nèi)容進(jìn)行了非常仔細(xì)的篩選。
② 教材的形式應(yīng)該適合課堂教學(xué)和自學(xué)，而不是作為參考書使用。對(duì)于課堂教學(xué)，循序漸進(jìn)地介紹新思想和新概念通常更為合適，因此首先講傳輸線、波導(dǎo)、電磁輻射等。
③ 電磁理論是從麥克斯韋方程出發(fā)，以數(shù)學(xué)為工具推導(dǎo)發(fā)展而來的，因而在介紹每一部分內(nèi)容時(shí)，都應(yīng)該從麥克斯韋方程，或者基于麥克斯韋方程的定理開始。本書的第二部分介紹了幾種重要的計(jì)算電磁學(xué)方法，它們?cè)诠こ虘?yīng)用中得到了廣泛使用。這些方法包括有限差分法（特別是時(shí)域有限差分法）、有限元法和基于積分方程的矩量法，它們是電磁場數(shù)值分析中的三種最基本方法。學(xué)生在熟練掌握這三種方法后，可以很容易地學(xué)習(xí)其他數(shù)值方法。第二部分還介紹了求解積分方程的快速算法以及結(jié)合不同數(shù)值方法的混合方法，掌握這些技術(shù)就能更有效地處理復(fù)雜電磁問題。隨著計(jì)算電磁學(xué)這一電磁分析和仿真工具得到越來越廣泛的應(yīng)用，基于上述內(nèi)容的計(jì)算電磁學(xué)課程也越來越受歡迎。這門課程被許多非電磁方向甚至非電子信息類專業(yè)的學(xué)生選修。
書中第1章講述了傳輸線理論；緊接著第2章講了波導(dǎo)理論，主要是矩形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)以及同軸線波導(dǎo)；然后第3章講述了天線的輻射和基本參數(shù)概念；第4章講述了天線的仿真，舉例說明了HFSS軟件的用法，討論了分形天線的概念和設(shè)計(jì)方法，學(xué)生可以更好地理解電磁場的輻射原理；第5章討論了面天線，面元的輻射可以用數(shù)學(xué)方程來描述，它們滿足麥克斯韋方程，反射面天線是經(jīng)典的面天線之一，因此對(duì)該類型天線進(jìn)行了討論；第6章主要討論了矩量法，矩量法是經(jīng)典的計(jì)算電磁方法之一，給出了幾個(gè)矩量法的例子；第7章討論了變分法，該方法應(yīng)用非常廣泛，在電磁計(jì)算領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用；第8章討論了時(shí)域有限差分法，講述了該方法的基本原理，以及一維、二維和三維方法，給出了幾個(gè)應(yīng)用的例子，一個(gè)是計(jì)算微帶天線，一個(gè)是計(jì)算求解聲學(xué)問題，以及薛定諤方程的求解；最后第9章討論了有限元方法。
本書第7、第9章由陸艷蘋編著，其余章節(jié)均由單志勇編著。
由于筆者水平有限，書中不足之處在所難免，請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
編著者
2019年9月
第1章 傳輸線理論1
1.1 傳輸線基本概念與傳輸線方程 1
1.2 傳輸線的基本特性參量 7
1.3 均勻無耗傳輸線的工作狀態(tài)分析 11
1.4 Smith圓圖與阻抗匹配 15
習(xí)題與思考題 22
第2章 波導(dǎo)理論25
2.1 波導(dǎo)基本原理和分類 25
2.2 矩形波導(dǎo) 26
2.3 圓形波導(dǎo) 32
2.4 同軸線波導(dǎo) 38
2.5 波導(dǎo)激勵(lì)與諧振腔 41
習(xí)題與思考題 42
第3章 天線44
3.1 電基本振子與磁基本振子 44
3.2 偶極子天線 50
3.3 天線的基本特性參數(shù) 55
3.4 陣列天線 60
習(xí)題與思考題 68
第4章 天線仿真：一個(gè)分形天線的例子70
4.1 一般天線的建模步驟 70
4.2 一般天線仿真的優(yōu)化流程 70
4.3 一個(gè)例子：樹枝型分形天線建模過程與優(yōu)化仿真 71
習(xí)題與思考題 74
第5章 面天線75
5.1 基本面元天線的輻射 75
5.2 反射面天線 78
習(xí)題與思考題 82
第6章 矩量法83
6.1 引言 83
6.2 積分方程 84
6.3 格林函數(shù) 86
6.4 應(yīng)用一 擬靜態(tài)問題 96
6.5 應(yīng)用二 散射問題 98
6.6 應(yīng)用三 輻射問題 102
6.7 應(yīng)用四 人體對(duì)電磁波吸收效應(yīng) 110
習(xí)題與思考題 115
第7章 變分法116
7.1 線性空間的算子 116
7.2 變分法應(yīng)用 118
7.3 從微分方程中構(gòu)建函數(shù) 121
7.4 瑞利-里茨法 122
7.5 加權(quán)殘差法 127
7.6 特征值問題 133
7.7 實(shí)際應(yīng)用 137
習(xí)題與思考題 140
第8章 時(shí)域有限差分法146
8.1 時(shí)域有限差分法的基本原理 146
8.2 一維和二維時(shí)域有限差分法 148
8.3 三維時(shí)域有限差分法 152
8.4 解的穩(wěn)定性 155
8.5 FDTD 算法在聲學(xué)和量子力學(xué)中的應(yīng)用 157
8.6 FDTD 算法用于微帶天線的仿真 163
習(xí)題與思考題 166
第9章 有限元法173
9.1 有限元方法的基本思想 173
9.2 二維靜態(tài)場的有限元法 176
9.3 有限元問題的幾種求解方法 185
習(xí)題與思考題 187
參考文獻(xiàn) 188
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