武汉理工大学matlab课设

1、 武汉理工大学MATLAB课程设计说明书 课程设计任务书学生姓名： 专业班级：电子科学与技术1103班 指导教师： 娄平 工作单位： 信息工程学院 题 目: 终端开路TEM传输线中的驻波 一、设计目的MATLAB应用实践课程是电子科学与技术专业学科实践性课程，要了解MATLAB软件的基本知识，基本的程序设计，软件在高等数学和工程数学中的应用，学会使用软件进行数值计算和控制工程中的应用。二、设计内容和要求1、分析无损传输线中，终端开路时的电流，电压，输入阻抗。画出电流，电压，输入阻抗的波形。2、并将画出的图形与电磁场与电磁波理论基础教材上的图形进行比较。三、时间安排1、2014年01月06日，课

2、程设计任务布置、选题、查阅资料。2、2014年01月07日，学习MATLAB语言的概况。3、2014年01月08日到2014年01月09日，学习MATLAB语言的基本知识。4、2014年01月10日到2014年01月11日，学习MATLAB语言的应用环境、调试命令，绘图功能函数和几个主要工具箱。5、2014年01月11日到2014年01月16日，课程设计。6、2014年01月17日，提交设计说明及答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目 录摘 要I1 绪论12 设计内容及要求22.1设计的目的及主要任务22.1.1设计的目的22.1.2 设计任务及主要技术指标

3、22.2设计思路23  MATLAB软件功能简介 33.1图形用户界面43.2二维函数图形绘制基本指令53.2.1 plot函数介绍53.2.2 图形修饰函数53.2.3绘制图形的形式63.2.4 axis函数介绍63.2.5 legend函数介绍73.2.6其他函数介绍74 电磁场理论知识8 4.1分布参数电路8 4.2传输线终端开路工作状态85 MATLAB程序设计116 仿真与调试127 心得体会148 参考文献15附录源程序16 武汉理工大学MATLAB应用课程设计说明书 摘 要 随着科学技术的飞速发展，微波技术被广泛应用于工业，农业，生物医学，军事，气象探测，遥感

4、探测，交通管理以及各种通信业务中，学科之间的相互渗透不断加剧，在其他学科中应用微波理论和技术进一步深入研究的范例不断增多，传输线作为传输电磁波的导波系统，对电磁波的传输特性能直接关系到电磁波信息能量的传送，越来越收到人们的重视，成为了很有意义的研究对象。但是电磁波在传输线的传播比较抽象，有必要对其进行形象化，直观化研究。 本次课程设计针对常用的均匀无损耗传输线在终端开路的情况下，应用分布参数电路法，建立传输线等效电路，即“化场为路”。学习了传输线方程及其解，得出：传输线的电压、电流具有波的形式，由向负载方向传输的入射波和向波源传输的反射波，这两列波叠加形成，并且对这一特性进行了MATLAB仿真

5、，观察并验证电压（电场）和电流（磁场）特性，仿真结果与理论吻合，有助于对传输线特性的进一步理解。关键字：传输线，TEM，MATLAB仿真。1 绪论 进几年来随着电子科技的飞速发展，信息技术在国民经济和国防科技各个领域得到了广泛的应用，作为信息物理层载体的各种微波与高速公路，也有较大的发展。微波电路已经从最初的体积笨重，制造工艺和调试过程复杂，可靠性差的基于波导或硬同轴线的结构形式，发展到及金属微带线作为传输线和连接线的微波集成电路和单片微波集成电路，其集成度，可靠性和性能都大为提高，成本也大大降低。时变的电场产生时变的磁场，时变磁场又产生时变电场，如此进行下去，变化着的电场能和磁场能传播开去就

6、形成了电磁波，导波是在含有不同媒质边界的空间传播的电磁波，而这样的边界装置就是导波系统，它用来束缚和引导电磁波传播。传输线是以TEM导模的方式传输电磁波的导行系统。低频时，导线的长度及导线间的距离相对电磁波的波长来说很小，两导线产生的电流反向，在空间产生的磁场相互抵消，所以没有辐射损耗。但当频率增大，导线的长度以及来那个导线的距离和波长相当时，两导线的电流在空间建立的场不会相消，会产生辐射。导线的电阻损耗也增大。为了减小双导线的辐射和电阻损耗，采用改进型的平行双导线来研究，可用于米波频率。针对均匀传输线的研究，主要有关于均匀传输线方程的解的研究。如分别从时域和复频域两方面对传输线方程的求解方法

7、进行的探讨，传输线因为终端所接负载的不同，工作状态也会不一样，有行波，驻波，行驻波状态。本次设计要求是研究均匀无损耗状态下，即驻波情况下，画出终端开路的电流、电压、阻抗分布图，并和书上理论值进行比较。2 设计内容及要求2.1设计的目的及主要任务2.1.1设计的目的 (1)掌握MATLAN语言的基本操作，语言使用说明，命令行的输入格式，函数的调用和变量的传递，多项式运算，级数求和，复数运算，方程求解，极值求解和二维作图等基本数学问题的求解。 （2）应用MATLAB语言对控制工程中问题进行分析。2.1.2 设计任务及主要技术指标 （1）分析无损传输线中，终端开路时的电流，电压，输入阻抗。画出电流，

8、电压，输入阻抗的波形。 （2）并将画出的图形与电磁场与电磁波理论基础教材上的图形进行比较。2.2设计思路 TEM波场对应于电场有一电压波，对应于磁场有一电流波，本次课程设计针对常用的均匀无损耗传输线在终端开路的情况下，应用分布参数电路法，建立传输线等效电路，即“化场为路”。学习了传输线方程及其解，得出：传输线的电压、电流具有波的形式。并且对这一特性进行了MATLAB仿真，观察并验证电压（电场）和电流（磁场）特性。将方程的解按照代码输入，设置基本参量，就可以得到所需要的图形。1武汉理工大学MATLAB应用课程设计说明书3  MATLAB软件功能简介 MATLAB的名称源自Ma

9、trix Laboratory,1984年由美国Mathworks公司推向市场。它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛的应用于科学计算、控制系统和信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。  MATLAB软件包括五大通用功能，数值计算功能（Nemeric）、符号运算功能（Symbolic）、数据可视化功能（Graphic）、数字图形文字统一处理功能（Notebook）和建模仿真可视化功能（Simulink）。其中，符号运算功能的实现是通过请求MAPLE内核计算并将结果返回到MATLAB

10、命令窗口。该软件有三大特点，一是功能强大；二是界面友善、语言自然；三是开放性强。目前，Mathworks公司已推出30多个应用工具箱。MATLAB在线性代数、矩阵分析、数值及优化、数值统计和随机信号分析、电路与系统、系统动力学、次那好和图像处理、控制理论分析和系统设计、过程控制、建模和仿真、通信系统以及财政金融等众多领域的理论研究和工程设计中得到了广泛应用。 另外MATLAB还拥有M-file这一功能，在这里面可以编写自己的程序，可以实现很多计算，它使用方便、输入简捷，运算高效、内容丰富，并且有大量的函数库可提供使用，与Basic，C和Fortran相比，用MATLAB编写程序，其问题的提出和

11、解决只需要以数学方式表达和描述，不需要大量繁琐的编程过程。虽然MATLAB自带的函数在大多数情况下已经够用，但是总会有某些时候觉得自己编写的程序运用起来更加灵活，而且在一些具体问题的时候，这个优势将会是一大突破，可以让我们很轻松解决很多问题。除了自己编写外，MATLAB自带的很多优秀的程序，如plot（绘图）函数，cond（求矩阵条件数）函数，关于矩阵的一些相关函数，都是相当经典的。3.1图形用户界面随着计算机技术的飞速发展和图形化操作系统的普及，应用程序的外观发生了巨大的变化。图形用户界面由窗口，按键，菜单，文字说明等对象构成的一个用户界面。图形用户界面的应用程序，界面友好直观易操作，用户可

12、以更方便快捷地对复杂的程序进行运行，用户利用MATLAB提供的图形用户界面设计程序，完成应用程序的开发。使用用户界面可以方便地创建GUI应用程序，根据用户设计的GUI布局，自动生成一个M文件的框架，用户使用这一框架编制自己的应用程序，M文件有效地管理对象句柄、执行调用函数等工作，一方面管理全局变量，另一方面为调用函数自动添加子函数。布局编辑器，集合排列工具，属性编辑器等这些工具，大大减少了程序开发的代码量，使用灵活方便。在MATLAB的命令窗口中输入GUIDE确认后就打开了一个布局编辑器窗口，通过选择左侧控件选项板里的所需控件进行布局，同时自动生成并存储相应的M文件，如下图所示： 图1 布局编

13、辑器窗口3.2二维函数图形绘制基本指令3.2.1 plot函数介绍 plot 是绘制二维图形的最基本函数，它是针对向量或矩阵的列来绘制曲线的。也就是说，使用plot 函数之前，必须首先定义好曲线上每一点的x 及y 坐标，常用格式为： （1）plot(y)绘制向量y对应于其元素序数的二维曲线图，如果y为复数向量，则绘制虚部对于实部的二维曲线图。 （2）plot(x,y)绘制由x,y所确定的曲线。x,y是两组向量，且它们的长度相等，则plot(x,y)可以直观地绘出以x为横坐，y为纵坐标的图形。当plot(x,y)中,x是向量，y是矩阵时，则绘制y矩阵中各行或列对应于向量x的曲线。如果y阵中行的长

14、度与x向量的长度相同，则以y的行数据作为一组绘图数据；如果y阵中列的长度与x向量的长度相同，则以y的列数据作为一组绘图数据；如果y阵中行，列均与x向量的长度相同，则以y的每列数据作为一组绘图数据。如果x，y是同样大小的矩阵，则plot(x,y)绘出y中各列相应于x中各列的图形。 （3）plot(x1, y1, 选项1, x2, y2, 选项2, )此函数可以用开在同一坐标内绘制多条函数曲线。上面的plot格式中，选项是指为了区分多条画出曲线的颜色，线型及标记点而设定的曲线的属性。MATLAB在多组变量绘图时，可将曲线以不同的颜色，不同的线型及标记点表示出来。3.2.2 图形修饰函数 MATLA

15、B 软件为用户提供了一些特殊的图形函数，用于修饰已经绘制好的图形。 grid on (/off) 可给当前图形标记添加（取消）网格； xlabel(string) 命令可为横坐标添加标签；ylabel(string) 命令可为纵坐标添加标签；title(string) 命令可为图形添加标题；text(x,y,string) 在图形的任意位置增加说明性文本信息； axis(xmin,xmax,ymin,ymax)设置坐标轴的最小最大值；legend('string1','string2',.) 在当前坐标轴上显示用户指定的文本串；3.2.3绘制图形的形式 在MAT

16、LAB中为区别画在同一窗口中的多条曲线，可以改变曲线的颜色和线型等图形属性，plot 函数可以接受字符串输入变量，这些字符串输入变量用来指定不同的颜色、线型和标记符号(各数据点上的显示符号)。表1列出了常用的颜色、线型和标记符号。 图2 plot绘图函数的常用参数3.2.4 axis函数介绍 MATLAB在绘图时会根据数据的分布范围自动选择坐标轴的刻度范围，MATLAB同时提供了函数axis 指定坐标轴的刻度范围其调用格式为 axis(xmin,xmax,ymin,ymax) 函数中 xmin,xmax,ymin,ymax 分别表示x 轴的起点、终点，y 轴的起点、终点。以下是AXIS常用的函

17、数：Axis equal : 纵，横坐标采用等长度。Axis square : 产生正方形坐标系。Axis auto : 使用默认设置。Axis off : 取消坐标轴。Axis on : 显示坐标轴。3.2.5 legend函数介绍 legend函数可以在各种类型的图形（曲线图、直线条、饼图等）上设置图例，对于图形上的每一条曲线，legend显示一个该曲线线型、标记符号及颜色的示例，并且标注上用户指定的说明文字。对于可填充的区域（包括块或区域对象），legend显示该元素表面的样板及说明文字。用法：legend('string1','string2',.)：在

18、当前坐标轴上显示用户指定的文本串，以标记各种数据。legend('string1','string2',.pos)：在指定的位置pos放置图例。下图2为该命令中pos值的含义。 Pos取值 pos=-1 pos=0Pos=1 图例位置 坐标轴之外的右边 坐标轴之内，有可能 遮挡部分图形 坐标轴的右上 角（缺省位置） Pos取值pos=2 pos=3pos=4 图例位置 坐标轴的左上角 在坐标轴的左下角坐标轴的右下角 图3 该命令中pos值的含义3.2.6其他函数介绍 Hold on图形保持。hold on/off命令控制时保持原有图形还是刷新原有图形，不带参数的

19、hold的命令在两种状态之间切换。Subplot(m,n,p)图形窗口分割函数。subplot(n,m,k)或subplot(nmk)-n,m分别表示将窗口分割的行数和列数。 4 电磁场理论知识 4.1分布参数电路分布参数电路与集总参数电路不同，描述这种电路的方程是偏微分方程，它有两个自变量即时间和空间z。这显示出分布参数电路具有电磁场的特点。均匀传输线是分布参数电路的一种。均匀传输线的长短是个相对的概念，取决于它的长度与它上面通过的电压、电流波波长之间的相对关系。当均匀传输线的长度远远小于工作波长时，可当作集总电路来处理，否则，应作为分布参数电路处理。均匀传输线的参数为-两根导线每单位长度具

20、有的电阻。其单位为，。-两根导线每单位长度具有的电感。其单位为，。-每单位长度导线之间的电导。其单位为，。-每单位长度导线之间的电容。其单位为，。这几个参数称为传输线的原参数。假设平行双线传输线的始端接信号源us,终端接负载zl，如图4所示。 图4 平行双线传输线 4.2传输线终端开路工作状态 本设计是关于均匀传输线的研究，则可以在传输线上任一点处z处取微元dz来研究。根据分布参数R0，L0，G0，C0的物理意义，dz长度的传输线端上存在并联分布电容C0dz、串联分布电阻R0dz、串联分布电感L0dz、并联分布漏电导G0dz。由此可得dz传输线的等效电路，如图5。 图5 线元dz的等效电路基尔

21、霍电压定律： 基尔霍夫电流定律： 最后利用数学计算方法得到传输线方程： 电压反射系数：传输线上任一点的反射波电压与入射波电压之比为该处的电压反射系数为： 输入阻抗：传输线上任一点的电压和电流的比值定义为该点朝负载端看去的输入阻抗为： 其中其中zl=u2/i2为终端负载阻抗。 当传输线终端开路时zl=，则可以得到反射电压系数为：n=1。从而得到电压和电流的表达式为： 其中，为终端电压和电流的初相。终端开路时，在终端和离终端的距z=(2k+1)/4 的各点处，总出现电压的波腹和电流的波节。而在离开终端的距离为 z=k/4（为整数）的各点处，总出现电压的波节和电流的波腹。其电压电流分布曲线如图6所示

22、。 图6 终端开路下的电压电流分布曲线 终端开路时,可求得从距终端z处向终端看进去的输入阻抗为z=-icot(z)上式表明输入电阻为一个纯电抗，从0<z</4、/2<z<3/4位置看进去，阻抗为虚部为负的纯虚数，传输线对外表现出电容的性质；从位置/4<z</2、3/4<z<处看进去，阻抗为虚部为正的纯虚数，传输线对外表现出电感的性质。从距终端位置z=/4、3/4、5/4看进去时，阻抗等于0，传输线相当于短路；从位置z=/2、3/2看进去时，阻抗为无穷大，传输线相当于开路。如图7所示。 图7 终端开路下阻抗分布图 5 MATLAB程序设计MATLA

23、B编程与人进行科学计算的思路和表达式完全一致，所有只要将上面推得的在传输线终端开路的情况下的电压、电流表达式直接以代码方式写入，就可以得到相应的波形，这一点给本程序编程带来了很大捷径。本次对传输线在终端开路情况下电压、电流的仿真图形，需要对必要的参数进行设置，而参数的设置成为了本次设计过程中的难点，如果设置参数不合理，将得不到所需要的图形，并且参数之间也有关系存在，设置一个或两个参数后，其他的参数也就相应的确定了。 考虑到电压、电流分布曲线在z方向每隔/4时，波谷和波腹轮流出现，并且阻抗是在z方向以/2为周期取值，则选择=4，根据=2/，得到=/2，根据教材取=0，u2为终端电压，取为2，z0

24、为特性阻抗，它的大小取决于传输线自身的结构、尺寸及填充的介质等参数，与源和负载的情况无关，这里取1.2。由于电压和电流是关于时间t和z的函数，这次设计中分别画出在不同时间下，电压、电流的分布图，从而在某一时间下画出电压、电流、阻抗的特性分布图，并与教材进行比较，从而验证了书本上的理论知识。但是在选取参数时需要根据图形的形状来设定及修改，因为有时候画的图形看不出来明显的电压、电流关系，这时就需要观察坐标轴，及电压、电流和阻抗的幅值来规定坐标轴的取值范围，从而得到明显合理的坐标曲线图。6 仿真与调试 （1）取不同时间下观察到的电压、电流分布仿真图。取了三个时间常数，分别为t1,t2,t3。如图8所

25、示。 图8 不同时间下传输线终端开路电压、电流的分布曲线 （2）取某一时间观察的电压、电流分布仿真图。可以看出电压与电流的相位差为90度，并且电压的幅值比电流的幅值大。如图9所示。 图9 某一时间下传输线终端开路的电压、电流分布曲线 （3）在某一时间下，电压、电流的大小分布曲线如图10所示。更明显的看出电流与电压的相位差为90度。 图10 某一时间下传输线终端开路时电压、电流大小分布曲线 （4）在某一时间下，阻抗的分布曲线。如图11所示，由图可知在波长的二分之一的整数倍处阻抗无穷大，此时相当于电容、电感组成并联谐振回路，在二分之的奇数倍处，阻抗为0，此时电容、电感组成串联谐振回路。 图11 某

26、一时间下传输线终端开路时阻抗的分布曲线7 心得体会 经历了几天的努力，终于完成了这次的MATLAB课程设计的任务，这次的课程设计让我获益匪浅。虽然设计过程中遇到了很多问题，但我自己经过翻阅书籍以及网上查找资料等各种途径将问题一一解决了，最后终于顺利完成了课程设计。其实在上个学期的MATLAB实验课和基础强化训练已经让我们对MATLAB有了初步的接触和了解，知道了它的一些基本操作和功能，但这次的课程设计显然让我们更全面更深入的了解了MATLAB的一些功能和用法。 在课设的完成过程中通过自己找资料重新学习MATLAB有关绘图方面的知识发现，MATLAB在绘图方面功能很强大也很神奇，不仅可以绘制平面

27、图形还可以绘制立体图形，同样可以依据你的要求画出点状分布，直方图等，你能想到的都可以满足。在图书管找资料过程中发现MATLAB绘图功能已经广泛的应用与数学试验方面，尤其平时很让人头痛的函数积分问题，用MATLAB会出立体图形更让人感觉到奇妙，以后自己要好好学学MATLAB语言。 MATLAB的运行环境很清晰，也很简单，当我们输入源程序代码时，它能够自动的检测出程序的错误，并给于提醒，让我们能避免在在源程序中漫无目的的检查，给我们节省了很多的时间，这为我们以后的实际应用提供了一个很好的平台。MATLAB的绘图功能，MATLAB可以非常方便的绘制二维，三维，四维，矢量图形，能让使用软件的减少很大的

28、工作量。 8 参考文献【1】唐昌建.MATLAB编程基础及应用.四川:大学网络教育学院, 2003.【2】张志涌.MATLAB教程.北京:航天航空大学出版社,2005.【3】曹弋.MATLAB教程及实例.机械工业出版社,2008 .【4】陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用.北京:电子工业出版社,2003.【5】刘敏.MATLAB通信仿真与应用.北京:北京邮电大学出版社,2004.【6】刘岚等.电磁场与电磁波基础.北京:电子工业出版社,2010.【7】陈重等.电磁场理论基础.北京:北京理工大学出版社,2003. 附录源程序us=2;z0=1.2;r=4;z=0:0.01:8;omega=2*pi;j=sqrt(-1);t1=0.15;t2=0.33;t3=0.52;b=0.5*pi;u1=2*us*cos(b*z)*cos(omega*t1);u2=2*us*cos(b*z)*cos(omega*t2);u3=2*us*cos(b*z)*cos(omega*t3);i1=(2*us*sin(b*z)*cos(omega*t1)+(0.5*pi)/z0;i2=(2*us*sin(b*z)*cos(omega*t2)+(0.5*pi)/z0;i3=(2*us*si