基于MATLAB的均勻平面波仿真

1、精選文檔 課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)說明書 常用軟件課程設(shè)計(jì)常用軟件課程設(shè)計(jì) 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(xué)與光電物理學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 應(yīng)用物理 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2017 年 7 月 2 日 精選文檔 安徽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書安徽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 力學(xué)與光電物理 學(xué)院 基礎(chǔ)與應(yīng)用物理 教研室 學(xué)號(hào)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名學(xué)生姓名專業(yè)（班級(jí)）專業(yè)（班級(jí)）應(yīng)物 題目題目基于 MATLAB 的均勻平面波仿真 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 技術(shù)技術(shù) 參數(shù)參數(shù) 1、平面波知識(shí)的復(fù)習(xí) 2、MATLAB 程序的編寫 3、課程設(shè)計(jì)說明書的書

2、寫 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 要求要求 要求完成設(shè)計(jì)說明書，內(nèi)容包括： 1、設(shè)計(jì)背景與意義 2、設(shè)計(jì)原理 3、設(shè)計(jì)總結(jié) 工工 作作 量量 報(bào)告頁數(shù)不少于 12 頁，參考文獻(xiàn)不少于六個(gè)。 工作工作 計(jì)劃計(jì)劃 6 月 19 日到 6 月 21 日進(jìn)行可行性研究與軟件選擇；熟悉 MATLAB 軟件及其運(yùn)行環(huán)境 6 月 22 日到 6 月 24 日建立關(guān)系表，模塊設(shè)計(jì) 6 月 25 日到 6 月 26 日結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn)窗 口的截圖 6 月 29-30 日提交課程設(shè)計(jì) 參考參考 資料資料 1 康穎等. 大學(xué)物理M. 長(zhǎng)沙：國防科大出版社，1996 2

3、 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)研究室著. 高等數(shù)學(xué)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(chǎng)與電磁波M.安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2006 5 郝培峰，崔建江，潘峰. 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)M. 北京：機(jī)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(shù)實(shí)現(xiàn)電磁波的可視化J. 信息與電 腦，2016：4243. 指導(dǎo)教師簽字指導(dǎo)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(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定表安徽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定表 目錄目錄 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)： 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 應(yīng)用物理 課程設(shè)計(jì)題目：課程設(shè)計(jì)題目： 基于 MATLAB 的均勻平面電磁波仿真 指導(dǎo)教師評(píng)語：指導(dǎo)教師評(píng)語： 成績(jī)：成績(jī)： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)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(shí)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(diǎn) .8 3.3 MATLAB 指令 .9 4 程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行.11 4.1 設(shè)計(jì)思路與框圖.11 4.2 運(yùn)行結(jié)果.12 5 項(xiàng)目總結(jié)項(xiàng)目總結(jié).13 6 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).14 精選文檔 摘要 平面波是指場(chǎng)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(chǔ)，研究均勻平面波傳輸特性有十分重要的實(shí)際 意義。然而直接觀察均勻平面波是很難實(shí)現(xiàn)的，所以隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，仿真 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程，同 時(shí)運(yùn)用一定的編程達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)的效果。于是本文用 MATLAB 對(duì)均勻平面電 磁波在理想介質(zhì)中的傳播進(jìn)行仿真模擬，從而可以更加形象的學(xué)習(xí)與理解電磁 波的知識(shí)。 關(guān)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(jiǎn)介軟件簡(jiǎn)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(shí)值形式 假設(shè)一個(gè)均勻平面電磁波沿 x 軸傳播，電場(chǎng) E 方向與 z 軸平行，由此，來 推導(dǎo)平面電磁波的瞬時(shí)值形式。 由亥姆霍茲方程： 0

7、22 kE 由于電場(chǎng)方向與 z 軸平行，可設(shè)， )(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(shí)值形式為： （2-19）)cos(),( zkxtEetxEmzz 與電場(chǎng) E 相伴的磁場(chǎng) H 可由求得，HjE 精選文檔 EeHx 1 其瞬時(shí)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(shí)值的表達(dá)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(xué)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(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。MATLAB 作為高性能、交互式的科學(xué) 計(jì)算工具，具有非常友好的圖形界面，這使得 MATLAB 的應(yīng)用非常廣泛；同時(shí) MATLAB 也提供了強(qiáng)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(xué)給學(xué)生開線性代數(shù)，為學(xué)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(chǎng)； 1992 年，學(xué)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(diǎn) 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(dòng)態(tài)過程仿真：實(shí)時(shí)的和非實(shí)時(shí)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(luò)、小波分析、GA 等等 7、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真 3.2.23.2.2MATLABMATLAB 語言特點(diǎn)語言特點(diǎn) MATLAB 語言是一種交互性的數(shù)學(xué)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(jiǎn)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(huì)即時(shí)返回操作結(jié)果（如果有 的話）。此時(shí), MATLAB 可以看作是一個(gè)交互式的數(shù)學(xué)終端，簡(jiǎn)單來說，一個(gè)功 能強(qiáng)大的“計(jì)算器”。MATLAB 代碼同樣可以保存在一個(gè)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(diǎn)： 1、具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力：Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室），使得 矩陣運(yùn)算非常簡(jiǎn)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(biāo)量為矩陣的特例），而且數(shù)學(xué)表達(dá)式和運(yùn)算規(guī)則與通常的習(xí) 慣相同。 4、MATLAB 語言編程簡(jiǎn)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(biāo)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(lán)色). point（點(diǎn)） - solid（實(shí)線） ggreen（綠色） o circle（圓圈） : do

13、tted（點(diǎn)線) rred（紅色）x x-mark（叉號(hào)） -. dashdot (點(diǎn)畫線） ccyan（墨綠色） + plus(加號(hào)） - dashed(虛線） mmagenta（紫紅色） * star（星號(hào)） 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(shí)候添加網(wǎng)格線。 hold on在當(dāng)前圖的軸（坐標(biāo)系）中畫了一幅圖，再畫另一幅圖時(shí)，原來的 圖還在，與新圖共存，都看得到 axis(xmin xmax ymin ymax) 用來設(shè)置 axes 的樣式

14、，包括坐標(biāo)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(shè)計(jì)與運(yùn)行 4.1 設(shè)計(jì)思路與框圖 圖 4-1 程序設(shè)計(jì)框圖 開始 初始化參量 設(shè)置時(shí)間 t 的初始值 計(jì)算 E(z,t),H(z,t)的值 刷新屏幕 繪制坐標(biāo)系 繪制圖形并著色設(shè)置質(zhì)點(diǎn)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(duì)瞬時(shí)值表達(dá)式中的常量進(jìn)行定義并賦值，代碼如下：

15、u0=4*pi*1e-7; %自由空間中的磁導(dǎo)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(shè)為 0 phi_H=0; EE=20; %電場(chǎng)振幅 HH=EE/Z0; %磁場(chǎng)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(shí)值表達(dá)式畫出電磁波圖，并且寫一個(gè)循環(huán)，使電磁波傳播能狗 像動(dòng)畫一樣動(dòng)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(chǎng) Hy) zlabel(電場(chǎng) 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(yùn)行結(jié)果 運(yùn)行結(jié)果如下圖 4-2 程序運(yùn)行結(jié)果 精選文檔 如圖，

17、藍(lán)色的是電場(chǎng)傳播的波，紅色的是磁場(chǎng)傳播的波。由圖可得的結(jié)論有： 1、電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間相互垂直與傳播方向，E、H、x 軸滿足右手螺旋關(guān)系 （TEM 波）。 2、電場(chǎng)、磁場(chǎng)相位變化相同 3、電場(chǎng)、磁場(chǎng)的振幅不隨傳播距離增加而改變 精選文檔 5 項(xiàng)目總結(jié) 這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)我們學(xué)習(xí)常用軟件課程結(jié)果的一次大檢驗(yàn)。通過這次基 于 MATLAB 的均勻平面波仿真課程設(shè)計(jì)讓我們更熟悉地掌握該軟件的功能，靈活 運(yùn)用 MATLAB 軟件，加強(qiáng)對(duì) MATLAB 軟件強(qiáng)大的圖形處理功能，掌握利用 MATLAB 繪圖功能做出相關(guān)函數(shù)曲線，從而運(yùn)用 MATLAB 分析。在熟悉掌握編 寫 MATLAB 程序和操作的同時(shí)培養(yǎng)

18、了我們的獨(dú)立思考能力，鉆研精神，解決 問題能力和動(dòng)手能力。 本次課程設(shè)計(jì)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(shí)也認(rèn)識(shí)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(yùn)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(shí)為一個(gè)功能強(qiáng)大的軟件。 每一次課給我一種新的體驗(yàn)與感受，這次課程設(shè)計(jì)一樣，平時(shí)都是啃課本， 很單調(diào)很乏味，但是，這次課設(shè)給了我們動(dòng)手和自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，當(dāng)然，在這 過程中不免會(huì)遇到困難，當(dāng)時(shí)也會(huì)很困惑、沮喪，但問題總要解決的，所以自 己還是會(huì)去想辦法，我想這也是一種收獲。還有，經(jīng)過了課程設(shè)計(jì)，我也深刻 體會(huì)到 MATLAB 功能的強(qiáng)大以及學(xué)好 MATLAB 的重要性，在今后的學(xué)習(xí)生活 中，我會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí)使用它。 精選文檔 6 參考文獻(xiàn) 1 康穎等. 大學(xué)物理M. 長(zhǎng)沙：國防科大出版社，1996 2 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)研究室著. 高等數(shù)學(xué)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(chǎng)與電磁波M.安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2006 5 郝培峰，崔建江，潘峰. 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，