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FDTD(时域有限差分)方法是计算电磁波传播的经典数值技术,特别适合模拟复杂介质中的辐射场行为。基于C++的实现可以充分利用面向对象特性构建高效仿真系统。
核心计算逻辑通常围绕Maxwell方程的时间步进展开。程序会维护电场和磁场的三维数组,通过中心差分格式交替更新这两个场量。每个时间步的计算包含磁场更新和电场更新两个阶段,其间需要处理边界条件(如PML吸收边界)和激励源的注入。
典型的类结构会包含以下几个关键模块:网格离散化处理类负责空间步长设置;材料属性类管理介电常数和磁导率分布;场量更新类封装Yee算法实现;源激励类处理高斯脉冲或正弦波等辐射源。性能优化方面会采用指针操作代替数组索引、循环展开等技术。
这类程序需要特别注意数值稳定性问题,时间步长必须满足CFL条件。并行计算版本通常采用MPI或OpenMP来加速大规模仿真,此时场量更新涉及数据交换边界的特殊处理。