基于MATLAB的均匀平面波仿真[运用分享]

1、教资 c 类 课程设计说明书课程设计说明书 常用软件课程设计常用软件课程设计 题目: 基于基于 MATLABMATLAB 的均匀平面波仿真的均匀平面波仿真 院（部）： 力学与光电物理学院 专业班级： 应用物理 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2017 年 7 月 2 日 教资 c 类 安徽理工大学课程设计（论文）任务书安徽理工大学课程设计（论文）任务书 力学与光电物理 学院 基础与应用物理 教研室 学号学号学生姓名学生姓名专业（班级）专业（班级）应物 题目题目基于 MATLAB 的均匀平面波仿真 设计设计 技术技术 参数参数 1、平面波知识的复习 2、MATLAB 程序的编写 3、课程设计说

2、明书的书写 设计设计 要求要求 要求完成设计说明书，内容包括： 1、设计背景与意义 2、设计原理 3、设计总结 工工 作作 量量 报告页数不少于 12 页，参考文献不少于六个。 工作工作 计划计划 6 月 19 日到 6 月 21 日进行可行性研究与软件选择；熟悉 MATLAB 软 件及其运行环境 6 月 22 日到 6 月 24 日建立关系表，模块设计 6 月 25 日到 6 月 26 日结构设计 6 月 27-28 日程序源代码编写、调试程序并编写 Word 文档和实现窗 口的截图 6 月 29-30 日提交课程设计 参考参考 资料资料 1 康颖等. 大学物理M. 长沙：国防科大出版社，1

3、996 2 同济大学数学研究室著. 高等数学M. 北京：高等教育出版社，1993 3 赵凯华. 新概念物理教程M. 北京：高等教育出版社，1994 4 孙玉发. 电磁场与电磁波M.安徽：合肥工业大学，2006 5 郝培峰，崔建江，潘峰. 计算机仿真技术M. 北京：机械工业出版社，2009 6 周建兴，岂兴明，矫津毅. MATLAB 从入门到精通M. 北京：人民邮电出版社，2008 7 李丽芬，云彩霞，郝鹏伟. 利用 MATLAB 图型技术实现电磁波的可视化J. 信息与电 脑，2016：4243. 指导教师签字指导教师签字 教研室主任签字教研室主任签字 2017 年 6 月 30 日 教资 c

4、类 安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表 教资 c 类 目录目录 学生姓名：学生姓名： 学号：学号： 专业班级：专业班级： 应用物理 课程设计题目：课程设计题目： 基于 MATLAB 的均匀平面电磁波仿真 指导教师评语：指导教师评语： 成绩：成绩： 指导教师：指导教师： 2017 年 7 月 6 日 教资 c 类 摘要摘要.5 5 1 1 绪论绪论.1 1 1.1 问题背景.1 1.2 课题研究意义.1 2 2 均匀平面电磁波均匀平面电磁波.3 3 2.1 定义与性质.3 2.2 理想介质中的均匀平面波方程.3 2.3 平面电磁波的瞬时值形式.6 3 3

5、 MATLABMATLAB 软件及其基本指令软件及其基本指令 .8 8 3.1 MATLAB 发展历史 .8 3.2 MATLAB 的功能与语言特点 .8 3.3 MATLAB 指令 .9 4 4 程序设计与运行程序设计与运行.1111 4.1 设计思路与框图.11 4.2 运行结果.12 5 5 项目总结项目总结.1313 6 6 参考文献参考文献.1414 教资 c 类 摘要 平面波是指场矢量的等相位面与波传播方向相垂直的无限大平面的一种电磁 波12。如果平面波在均匀一致且各向同性的理想介质中将形成均匀平面波。均 匀平面波是研究电磁波的基础，研究均匀平面波传输特性有十分重要的实际意 义。然

6、而直接观察均匀平面波是很难实现的，所以随着计算机的发展，仿真实 验正在不断的发展，仿真软件通过图形化界面联系理论条件与实验过程，同时 运用一定的编程达到模拟现实的效果。于是本文用 MATLAB 对均匀平面电磁波在 理想介质中的传播进行仿真模拟，从而可以更加形象的学习与理解电磁波的知 识。 关键词：电磁波; 均匀平面电磁波;理想介质; MATLAB; 仿真 教资 c 类 1 绪论 1.1 问题背景 1.1.1MATLAB1.1.1MATLAB 软件简介软件简介 MATLAB 是 matrix若取 y 轴与 E 方向一致，则只需后一组方程。 2.3 平面电磁波的瞬时值形式 假设一个均匀平面电磁波沿

7、 x 轴传播，电场 E 方向与 z 轴平行，由此，来 推导平面电磁波的瞬时值形式。 由亥姆霍兹方程： 0 22 kE 由于电场方向与 z 轴平行，可设， )(xEeEzz 得 0 2 2 2 z z Ek x E 其解为 kzjkzj zeAeA 21E 由边界条件决定，21, AA 1 11 j meEA 2 22 j meEA 于是，瞬时值形式为： （2-19）)cos(),( zkxtEetxEmzz 教资 c 类 与电场 E 相伴的磁场 H 可由求得，HjE EeHx 1 其瞬时值形式： )cos( 1 y kxtEeHmy 其中是媒质的本征阻抗。 于是，均匀平面波的瞬时值的表达式的一

8、般形式为： )cos(t)(x,H )cos(t)(x,E z z ymy zmz kxtEe kxtEe 教资 c 类 3 MATLAB 软件及其基本指令 MATLAB 是 MATrix LABoratory 的缩写，是一款由美国 MathWorks 公司出品 的商业数学软件。MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数 值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB 作为高性能、交互式的科学 计算工具，具有非常友好的图形界面，这使得 MATLAB 的应用非常广泛；同时 MATLAB 也提供了强大的绘图功能。 3.1 MATLAB 发展历史 70 年代中期，Cleve M

9、oler 和他的同事开发了 LINPACK 和 EISPACK 的 Fortran 子程序库； 70 年代末期，Cleve Moler 在新墨西哥大学给学生开线性代数，为学生 编写了接口程序，这程序取名为 MATLAB，即 MATrix LABoratory； 1983 年春天，工程师 John Little 与 Moler、Steve Bangert 一起开发了 第二代专业版 MATLAB； 1984 年，MathWorks 公司成立，MATLAB 正是推向市场； 1992 年，学生版 MATLAB 推出；1993 年，Microsoft Windows 版 MATLAB 面世； 1995

10、年，推出 Linux 版。 3.2 MATLAB 的功能与语言特点 3.2.13.2.1MATLABMATLAB 主要功能主要功能 1、基本的数据处理 2、优化和解方程 3、动态过程仿真：实时的和非实时的 4、数据来源：Excel、数据库、A/D 等等 教资 c 类 5、嵌入式的控制：Pc/104 和 DSP 6、神经元网络、小波分析、GA 等等 7、虚拟现实仿真 3.2.23.2.2MATLABMATLAB 语言特点语言特点 MATLAB 语言是一种交互性的数学脚本语言，其语法与 C/C+类似。它支持 包括逻辑（boolen）、数值（numeric）、文本（text）、函数柄（functio

11、n handle）和异质数据容器（heterogeneous container）在内的 15 种数据类型， 每一种类型都定义为矩阵或阵列的形式（0 维至任意高维） 执行 MATLAB 代码的最简单方式是在 MATLAB 程序的命令窗口（Command Window）的提示符处（ ）输入代码，MATLAB 会即时返回操作结果（如果有 的话）。此时, MATLAB 可以看作是一个交互式的数学终端，简单来说，一个功 能强大的“计算器”。MATLAB 代码同样可以保存在一个以.m 为后缀名的文本文 件中，然后在命令窗口或其它函数中直接调用。 MATLAB 语言具有下述显着特点： 1、具有强大的矩阵运

12、算能力：Matrix Laboratory（矩阵实验室），使得 矩阵运算非常简单。 2、是一种演算式语言 3、MATLAB 的基本数据单元是既不需要指定维数，也不需要说明数据类型 的矩阵（向量和标量为矩阵的特例），而且数学表达式和运算规则与通常的习 惯相同。 4、MATLAB 语言编程简单，使用方便。 3.3 MATLAB 指令 3.3.1基本指令 1、 clc ：擦去一页命令窗口光标回屏幕左上角 2、clear ：从工作空间清除所有变量 教资 c 类 3、Plot（plot3）：绘制二（三）维图形 Plot 函数可以接一些参数，来改变所画图像的属性（颜色，图像元素 等）。下面是一些属性的说明

13、 bblue（蓝色). point（点） - solid（实线） ggreen（绿色） o circle（圆圈） : dotted（点线) rred（红色）x x-mark（叉号） -. dashdot (点画线） ccyan（墨绿色） + plus(加号） - dashed(虚线） mmagenta（紫红色） * star（星号） yyellow（黄色） s square（正方形） kblack（黑色） d diamond（菱形） 3.3.23.3.2程序可能用到的的指令程序可能用到的的指令 grid on在画图的时候添加网格线。 hold on在当前图的轴（坐标系）中画了一幅图，再画另一幅

14、图时，原来的 图还在，与新图共存，都看得到 axis(xmin xmax ymin ymax) 用来设置 axes 的样式，包括坐标轴范围，可读 比例 zeros(size(x)生成与 X 相同大小的全零矩阵 stem(stem3)绘制二维（三维）函数针状图 pause(t)暂停 t 秒后继续执行程序 教资 c 类 4 程序设计与运行 4.1 设计思路与框图 图 4-1 程序设计框图 开始 初始化参量 设置时间 t 的初始值 计算 E(z,t),H(z,t)的值 刷新屏幕 绘制坐标系 绘制图形并着色设置质点形状位置 图形保持 tT? t=t+1 结束 教资 c 类 4.2 程序编写 打开 MA

15、TLAB 界面如图 4-2，新建脚本 图 4-2 MATLAB 打开界面 首先，对瞬时值表达式中的常量进行定义并赋值，代码如下： u0=4*pi*1e-7; %自由空间中的磁导率 e0=1e-9/(36*pi); %自由空间中的电介质常数 Z0=(u0/e0)0.5; %自由空间中的波阻抗 f=1e8; %电磁波的频率 w=2*pi*f; k=w*(u0*e0)0.5; %波数 phi_E=0; %初始相位设为 0 phi_H=0; EE=20; %电场振幅 HH=EE/Z0; %磁场振幅 代码界面如图 4-3 教资 c 类 图 4-3 常量赋值界面 利用电磁波瞬时值表达式画出电磁波图，并且写

16、一个循环，使电磁波传播能狗 像动画一样动起来。代码如下： for t=0:1:300 Ez=EE*cos(k*x-w*t*1e-9+phi_E); Hy=HH*cos(k*x-w*t*1e-9+phi_H); plot3(x,m0,Ez,b,LineWidth,2); hold on;grid on; plot3(x,Hy,m0,r,LineWidth,2); hold off xlabel(传播方向) ylabel(磁场 Hy) zlabel(电场 Ez) title(平面电磁波传播示意图,t=,num2str(t),ns,fontsize,14) drawnow pause(0.01) e

17、nd 代码截图界面如图 4-4. 教资 c 类 4-4 完整代码 4.3 运行结果 运行结果如下图 教资 c 类 4-2 程序运行结果 如图，蓝色的是电场传播的波，红色的是磁场传播的波。由图可得的结论有： 1、电场和磁场在空间相互垂直与传播方向，E、H、x 轴满足右手螺旋关系 （TEM 波）。 2、电场、磁场相位变化相同 3、电场、磁场的振幅不随传播距离增加而改变 教资 c 类 5 项目总结 这次课程设计是对我们学习常用软件课程结果的一次大检验。通过这次基 于 MATLAB 的均匀平面波仿真课程设计让我们更熟悉地掌握该软件的功能，灵活 运用 MATLAB 软件，加强对 MATLAB 软件强大的

18、图形处理功能，掌握利用 MATLAB 绘图功能做出相关函数曲线，从而运用 MATLAB 分析。在熟悉掌握编写 MATLAB 程序和操作的同时培养了我们的独立思考能力，钻研精神，解决问题能力和动 手能力。 本次课程设计中通过查阅资料，阅读程序并读写程序对 MATLAB 均匀平面电 磁波的仿真有了更深的了解。我同时也认识到了 MATLAB 功能并不只是图形的绘 制及波形的处理，有着很多方面的运用，如绘制函数，处理音频、图像数据， 创建用户界面等功能，实为一个功能强大的软件。 每一次课给我一种新的体验与感受，这次课程设计一样，平时都是啃课本， 很单调很乏味，但是，这次课设给了我们动手和自主学习的机会

19、，当然，在这 过程中不免会遇到困难，当时也会很困惑、沮丧，但问题总要解决的，所以自 己还是会去想办法，我想这也是一种收获。还有，经过了课程设计，我也深刻 体会到 MATLAB 功能的强大以及学好 MATLAB 的重要性，在今后的学习生活中， 我会继续学习使用它。 教资 c 类 6 参考文献 1 康颖等. 大学物理M. 长沙：国防科大出版社，1996 2 同济大学数学研究室著. 高等数学M. 北京：高等教育出版社，1993 3 赵凯华. 新概念物理教程M. 北京：高等教育出版社，1994 4 孙玉发. 电磁场与电磁波M.安徽：合肥工业大学，2006 5 郝培峰，崔建江，潘峰. 计算机仿真技术M. 北京：机械