【無線射頻仿真】-基于Matlab的均勻平面電磁波的仿真

1/1基于Matlab的均勻平面電磁波的仿真0、引言

"電磁場與電磁波'是電子與通信類專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎課，課程涵蓋的內(nèi)容是電子與通信類專業(yè)本科階段所應具備的學問結構的重要組成部分。

在教學過程中，同學普遍反映該門課程比較抽象，包含了大量的數(shù)學公式推導，許多概念難以理解。無論是電磁場還是電磁波，都是看不到、摸不著的，老師難講、同學難懂是當前該門課程教學中普遍存在的現(xiàn)象。

Matlab由于其強大的功能、簡潔易學的編程語言和可視化的仿真環(huán)境，為電磁場與電磁波的教學供應了仿真條件。借助Matlab模擬和實現(xiàn)結構的可視化，把抽象概念變?yōu)榍宄瑢唵喂竭M行計算和繪圖，動態(tài)直觀的描述了電磁場的分布和電磁波傳播狀態(tài)，關心同學理解和把握電磁場與電磁波傳播的規(guī)律，有助于同學對這門課程的學習。本文利用Matlab對平面電磁波的傳播、極化、反射和折射的仿真，將抽象的電磁波形象化，取得了很好的教學效果。

1、勻稱平面電磁波傳播的仿真

設電磁波沿z軸方向傳播，在與z軸垂直的平面上，其電磁場強度各點具有相同的振幅和振動方向，即E和H只與z有關，而與x和y無關，這種電磁波就是勻稱平面電磁波。

1.1電場和磁場只有一個重量的狀況

沿z軸傳播的勻稱平面電磁波的瞬時值可表示為如下形式：

以一頻率為100MHz的勻稱平面波在線性、勻稱、各向同性的抱負介質中傳播為例，動態(tài)仿真了電磁波傳播的過程，這里用到了Matlab的meshgrid、plot3、pause等函數(shù)，圖1中藍色為電場強度，紅色為磁場強度。通過圖形，同學可以直觀地看到電場和磁場相互垂直、相位相同、沿z軸成正弦變化的規(guī)律。

1.2電場和磁場有兩個重量的狀況

設電磁波沿z軸方向傳播，選擇ex和ey兩個正交方向描述電場和磁場，則：

電磁波的傳播過程如圖2所示。

2、電磁波的極化

在空間某一固定點觀看，E的矢量端點在一個時間周期里繪出的軌跡表示電磁波的極化。了解電磁波的極化在實際工程中特別有用。對1.2中的電場和磁場的仿真如圖3所示，這里用到了view函數(shù)調(diào)整圖形視點，觀看矢量端的軌跡。動態(tài)顯示過程中，可以看到電磁波的極化方向。

3、勻稱平面電磁波的反射和折射

3.1勻稱平面電磁波在抱負介質交界面上的垂直入射

假設z=0為媒質1和媒質2的平面分界面，電場強度為Ei(z)=E0(ex+jey)e-j2z,電磁波由自由空間垂直入射到r=4,r=1的介質中，通過計算，電場的反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為r=-13和t=23,則入射波、反射波和折射波的瞬時值為：

電磁波的傳播過程如圖4所示，其中藍色為入射波，綠色為折射波，紅色為反射波。

3.2勻稱平面電磁波在抱負導體分界面上的垂直入射

已知入射波電場為Ei(z)垂直入射到z=0的無限大抱負導電平面上，則反射系數(shù)r=-1,全部的入射波被反射形成反向傳播的反射波，則合成波為：

合成波為駐波，不發(fā)生能量傳輸過程，僅在兩個波節(jié)間進行電場能量和磁場能的交換。仿真結果如圖5所示，圖中藍色為入射波，紅色為反射波，綠色為合成波。

4、結語

雖然通過Matlab仿真的結果過于抱負化，與實際采納儀器測量的試驗結果存在差距，但是，利用Matlab的畫圖功能，仿真電磁場與電磁波課程中抽象的、不行見的內(nèi)容，可以關心同學直觀地分析和理解課程教學內(nèi)容。本文利