基于MATLAB的均勻平面波仿真

1、精選文檔 課程設計說明書課程設計說明書 常用軟件課程設計常用軟件課程設計 題目: 基于基于 MATLABMATLAB 的均勻平面波仿真的均勻平面波仿真 院（部）： 力學與光電物理學院 專業(yè)班級： 應用物理 學 號： 學生姓名： 指導教師： 2017 年 7 月 2 日 精選文檔 安徽理工大學課程設計（論文）任務書安徽理工大學課程設計（論文）任務書 力學與光電物理 學院 基礎與應用物理 教研室 學號學號學生姓名學生姓名專業(yè)（班級）專業(yè)（班級）應物 題目題目基于 MATLAB 的均勻平面波仿真 設計設計 技術技術 參數(shù)參數(shù) 1、平面波知識的復習 2、MATLAB 程序的編寫 3、課程設計說明書的書

2、寫 設計設計 要求要求 要求完成設計說明書，內(nèi)容包括： 1、設計背景與意義 2、設計原理 3、設計總結(jié) 工工 作作 量量 報告頁數(shù)不少于 12 頁，參考文獻不少于六個。 工作工作 計劃計劃 6 月 19 日到 6 月 21 日進行可行性研究與軟件選擇；熟悉 MATLAB 軟件及其運行環(huán)境 6 月 22 日到 6 月 24 日建立關系表，模塊設計 6 月 25 日到 6 月 26 日結(jié)構設計 6 月 27-28 日程序源代碼編寫、調(diào)試程序并編寫 Word 文檔和實現(xiàn)窗 口的截圖 6 月 29-30 日提交課程設計 參考參考 資料資料 1 康穎等. 大學物理M. 長沙：國防科大出版社，1996 2

3、 同濟大學數(shù)學研究室著. 高等數(shù)學M. 北京：高等教育出版社，1993 3 趙凱華. 新概念物理教程M. 北京：高等教育出版社，1994 4 孫玉發(fā). 電磁場與電磁波M.安徽：合肥工業(yè)大學，2006 5 郝培峰，崔建江，潘峰. 計算機仿真技術M. 北京：機械工業(yè)出版社，2009 6 周建興，豈興明，矯津毅. MATLAB 從入門到精通M. 北京：人民郵電出版社，2008 7 李麗芬，云彩霞，郝鵬偉. 利用 MATLAB 圖型技術實現(xiàn)電磁波的可視化J. 信息與電 腦，2016：4243. 指導教師簽字指導教師簽字 教研室主任簽字教研室主任簽字 2017 年 6 月 30 日 精選文檔 安徽理工大

4、學課程設計（論文）成績評定表安徽理工大學課程設計（論文）成績評定表 目錄目錄 學生姓名：學生姓名： 學號：學號： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 應用物理 課程設計題目：課程設計題目： 基于 MATLAB 的均勻平面電磁波仿真 指導教師評語：指導教師評語： 成績：成績： 指導教師：指導教師： 2017 年 7 月 6 日 精選文檔 摘要摘要.5 1 緒論緒論.1 1.1 問題背景.1 1.2 課題研究意義.1 2 均勻平面電磁波均勻平面電磁波.3 2.1 定義與性質(zhì).3 2.2 理想介質(zhì)中的均勻平面波方程.3 2.3 平面電磁波的瞬時值形式.6 3 MATLAB 軟件及其基本指令軟件及其基本指令.8 3

5、.1 MATLAB 發(fā)展歷史 .8 3.2 MATLAB 的功能與語言特點 .8 3.3 MATLAB 指令 .9 4 程序設計與運行程序設計與運行.11 4.1 設計思路與框圖.11 4.2 運行結(jié)果.12 5 項目總結(jié)項目總結(jié).13 6 參考文獻參考文獻.14 精選文檔 摘要 平面波是指場矢量的等相位面與波傳播方向相垂直的無限大平面的一種電磁 波12。如果平面波在均勻一致且各向同性的理想介質(zhì)中將形成均勻平面波。 均勻平面波是研究電磁波的基礎，研究均勻平面波傳輸特性有十分重要的實際 意義。然而直接觀察均勻平面波是很難實現(xiàn)的，所以隨著計算機的發(fā)展，仿真 實驗正在不斷的發(fā)展，仿真軟件通過圖形化界

6、面聯(lián)系理論條件與實驗過程，同 時運用一定的編程達到模擬現(xiàn)實的效果。于是本文用 MATLAB 對均勻平面電 磁波在理想介質(zhì)中的傳播進行仿真模擬，從而可以更加形象的學習與理解電磁 波的知識。 關鍵詞：電磁波; 均勻平面電磁波;理想介質(zhì); MATLAB; 仿真 精選文檔 1 緒論 1.1 問題背景 1.1.1MATLAB1.1.1MATLAB 軟件簡介軟件簡介 MATLAB 是 matrix若取 y 軸與 E 方向一致，則只需后一組方程。 2.3 平面電磁波的瞬時值形式 假設一個均勻平面電磁波沿 x 軸傳播，電場 E 方向與 z 軸平行，由此，來 推導平面電磁波的瞬時值形式。 由亥姆霍茲方程： 0

7、22 kE 由于電場方向與 z 軸平行，可設， )(xEeEzz 得 0 2 2 2 z z Ek x E 其解為 kzjkzj zeAeA 21E 由邊界條件決定，21, AA 1 11 j meEA 2 22 j meEA 于是，瞬時值形式為： （2-19）)cos(),( zkxtEetxEmzz 與電場 E 相伴的磁場 H 可由求得，HjE 精選文檔 EeHx 1 其瞬時值形式： )cos( 1 y kxtEeHmy 其中是媒質(zhì)的本征阻抗。 于是，均勻平面波的瞬時值的表達式的一般形式為： )cos(t)(x,H )cos(t)(x,E z z ymy zmz kxtEe kxtEe 精

8、選文檔 3 MATLAB 軟件及其基本指令 MATLAB 是 MATrix LABoratory 的縮寫，是一款由美國 MathWorks 公司出品 的商業(yè)數(shù)學軟件。MATLAB 是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù) 值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。MATLAB 作為高性能、交互式的科學 計算工具，具有非常友好的圖形界面，這使得 MATLAB 的應用非常廣泛；同時 MATLAB 也提供了強大的繪圖功能。 3.1 MATLAB 發(fā)展歷史 70 年代中期，Cleve Moler 和他的同事開發(fā)了 LINPACK 和 EISPACK 的 Fortran 子程序庫； 70 年代末期，C

9、leve Moler 在新墨西哥大學給學生開線性代數(shù)，為學生編 寫了接口程序，這程序取名為 MATLAB，即 MATrix LABoratory； 1983 年春天，工程師 John Little 與 Moler、Steve Bangert 一起開發(fā)了第二 代專業(yè)版 MATLAB； 1984 年，MathWorks 公司成立，MATLAB 正是推向市場； 1992 年，學生版 MATLAB 推出；1993 年，Microsoft Windows 版 MATLAB 面世； 1995 年，推出 Linux 版。 3.2 MATLAB 的功能與語言特點 3.2.13.2.1MATLABMATLAB

10、主要功能主要功能 1、基本的數(shù)據(jù)處理 2、優(yōu)化和解方程 3、動態(tài)過程仿真：實時的和非實時的 4、數(shù)據(jù)來源：Excel、數(shù)據(jù)庫、A/D 等等 5、嵌入式的控制：Pc/104 和 DSP 精選文檔 6、神經(jīng)元網(wǎng)絡、小波分析、GA 等等 7、虛擬現(xiàn)實仿真 3.2.23.2.2MATLABMATLAB 語言特點語言特點 MATLAB 語言是一種交互性的數(shù)學腳本語言，其語法與 C/C+類似。它支持 包括邏輯（boolen）、數(shù)值（numeric）、文本（text）、函數(shù)柄（function handle）和異質(zhì)數(shù)據(jù)容器（heterogeneous container）在內(nèi)的 15 種數(shù)據(jù)類型， 每一種類

11、型都定義為矩陣或陣列的形式（0 維至任意高維） 執(zhí)行 MATLAB 代碼的最簡單方式是在 MATLAB 程序的命令窗口（Command Window）的提示符處（ ）輸入代碼，MATLAB 會即時返回操作結(jié)果（如果有 的話）。此時, MATLAB 可以看作是一個交互式的數(shù)學終端，簡單來說，一個功 能強大的“計算器”。MATLAB 代碼同樣可以保存在一個以.m 為后綴名的文本文 件中，然后在命令窗口或其它函數(shù)中直接調(diào)用。 MATLAB 語言具有下述顯著特點： 1、具有強大的矩陣運算能力：Matrix Laboratory（矩陣實驗室），使得 矩陣運算非常簡單。 2、是一種演算式語言 3、MATL

12、AB 的基本數(shù)據(jù)單元是既不需要指定維數(shù)，也不需要說明數(shù)據(jù)類型 的矩陣（向量和標量為矩陣的特例），而且數(shù)學表達式和運算規(guī)則與通常的習 慣相同。 4、MATLAB 語言編程簡單，使用方便。 3.3 MATLAB 指令 3.3.1基本指令 1、 clc ：擦去一頁命令窗口光標回屏幕左上角 2、clear ：從工作空間清除所有變量 3、Plot（plot3）：繪制二（三）維圖形 Plot 函數(shù)可以接一些參數(shù)，來改變所畫圖像的屬性（顏色，圖像元素 精選文檔 等）。下面是一些屬性的說明 bblue（藍色). point（點） - solid（實線） ggreen（綠色） o circle（圓圈） : do

13、tted（點線) rred（紅色）x x-mark（叉號） -. dashdot (點畫線） ccyan（墨綠色） + plus(加號） - dashed(虛線） mmagenta（紫紅色） * star（星號） yyellow（黃色） 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在畫圖的時候添加網(wǎng)格線。 hold on在當前圖的軸（坐標系）中畫了一幅圖，再畫另一幅圖時，原來的 圖還在，與新圖共存，都看得到 axis(xmin xmax ymin ymax) 用來設置 axes 的樣式

14、，包括坐標軸范圍，可讀 比例 zeros(size(x)生成與 X 相同大小的全零矩陣 stem(stem3)繪制二維（三維）函數(shù)針狀圖 pause(t)暫停 t 秒后繼續(xù)執(zhí)行程序 精選文檔 4 程序設計與運行 4.1 設計思路與框圖 圖 4-1 程序設計框圖 開始 初始化參量 設置時間 t 的初始值 計算 E(z,t),H(z,t)的值 刷新屏幕 繪制坐標系 繪制圖形并著色設置質(zhì)點形狀位置 圖形保持 tT? t=t+1 結(jié)束 精選文檔 4.2 程序編寫 打開 MATLAB 界面如圖 4-2，新建腳本 圖 4-2 MATLAB 打開界面 首先，對瞬時值表達式中的常量進行定義并賦值，代碼如下：

15、u0=4*pi*1e-7; %自由空間中的磁導率 e0=1e-9/(36*pi); %自由空間中的電介質(zhì)常數(shù) Z0=(u0/e0)0.5; %自由空間中的波阻抗 f=1e8; %電磁波的頻率 w=2*pi*f; k=w*(u0*e0)0.5; %波數(shù) phi_E=0; %初始相位設為 0 phi_H=0; EE=20; %電場振幅 HH=EE/Z0; %磁場振幅 代碼界面如圖 4-3 精選文檔 圖 4-3 常量賦值界面 利用電磁波瞬時值表達式畫出電磁波圖，并且寫一個循環(huán)，使電磁波傳播能狗 像動畫一樣動起來。代碼如下： for t=0:1:300 Ez=EE*cos(k*x-w*t*1e-9+p

16、hi_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(傳播方向) ylabel(磁場 Hy) zlabel(電場 Ez) title(平面電磁波傳播示意圖,t=,num2str(t),ns,fontsize,14) drawnow pause(0.01) end 代碼截圖界面如圖 4-4. 精選文檔 4-4 完整代碼 4.3 運行結(jié)果 運行結(jié)果如下圖 4-2 程序運行結(jié)果 精選文檔 如圖，

17、藍色的是電場傳播的波，紅色的是磁場傳播的波。由圖可得的結(jié)論有： 1、電場和磁場在空間相互垂直與傳播方向，E、H、x 軸滿足右手螺旋關系 （TEM 波）。 2、電場、磁場相位變化相同 3、電場、磁場的振幅不隨傳播距離增加而改變 精選文檔 5 項目總結(jié) 這次課程設計是對我們學習常用軟件課程結(jié)果的一次大檢驗。通過這次基 于 MATLAB 的均勻平面波仿真課程設計讓我們更熟悉地掌握該軟件的功能，靈活 運用 MATLAB 軟件，加強對 MATLAB 軟件強大的圖形處理功能，掌握利用 MATLAB 繪圖功能做出相關函數(shù)曲線，從而運用 MATLAB 分析。在熟悉掌握編 寫 MATLAB 程序和操作的同時培養(yǎng)

18、了我們的獨立思考能力，鉆研精神，解決 問題能力和動手能力。 本次課程設計中通過查閱資料，閱讀程序并讀寫程序?qū)?MATLAB 均勻平面電 磁波的仿真有了更深的了解。我同時也認識到了 MATLAB 功能并不只是圖形 的繪制及波形的處理，有著很多方面的運用，如繪制函數(shù)，處理音頻、圖像數(shù) 據(jù)，創(chuàng)建用戶界面等功能，實為一個功能強大的軟件。 每一次課給我一種新的體驗與感受，這次課程設計一樣，平時都是啃課本， 很單調(diào)很乏味，但是，這次課設給了我們動手和自主學習的機會，當然，在這 過程中不免會遇到困難，當時也會很困惑、沮喪，但問題總要解決的，所以自 己還是會去想辦法，我想這也是一種收獲。還有，經(jīng)過了課程設計，我也深刻 體會到 MATLAB 功能的強大以及學好 MATLAB 的重要性，在今后的學習生活 中，我會繼續(xù)學習使用它。 精選文檔 6 參考文獻 1 康穎等. 大學物理M. 長沙：國防科大出版社，1996 2 同濟大學數(shù)學研究室著. 高等數(shù)學M. 北京：高等教育出版社，1993 3 趙凱華. 新概念物理教程M. 北京：高等教育出版社，1994 4 孫玉發(fā). 電磁場與電磁波M.安徽：合肥工業(yè)大學，2006 5 郝培峰，崔建江，潘峰. 計算機仿真技術M. 北京：機械工業(yè)出版社，