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电磁波传播特性及其可视化呈现毕业论文

 2020-02-17 09:02  

摘 要

电磁学是物理学的一个重要组成部分,对于电子与通信类的学生来说,电磁学是非常重要的一门必修课。生活处处离不开电磁学,尤其是电子与通信许多应用,如通信系统、光学工程等,都依赖于电磁学理论。

在电磁学的众多分支中,电磁波的传输特性作为学科基础,其重要性可见一斑。电磁波在不同媒质中的传播特性不同,又由于传播路径差异,在传播路径上遇到边界会出现反射、折射、散射绕射和吸收等现象,使电磁波的幅度、相位、极化、传播方向等特性参数发生不同的变化。

然而,电磁学过于抽象,日常生活中是看不见、摸不着的。平时在课本中接触到的电磁学课程往往充斥着大量的数学公式推导和复杂的传播模型公式,有关概念也难以理解。对于学生而言,电磁学都是所有可能里难度较大的一门。由于电磁学的抽象性,理解和深入电磁学存在一定难度。

随着时代的发展,计算机领域的兴起为解决该问题提供了一种高效、便捷的途径。Matlab是一个运算操作平台,带有众多实用工具,工科类学生往往都会学习使用,其数值计算能力强大,为电磁场与电磁波可视化创造了完美的条件。本文设计了一个基于Matlab的均匀平面波仿真系统,针对电磁学里的抽象概念和难以理解的公式用图像形式表示出来,清晰化表示了电磁学里的基本概念,对难以理解的公式进行计算,并通过绘图动态且直观的展示了电磁波的传播模型。为了实现与用户的交互,文章利用了Matlab GUI作为开发平台,从而可以让用户自由输入指定参数的电磁波的传播图像。

文章通过研究均匀平面波在不同媒质中的传播特性,不同媒质分解面时的反射和折射现象和全反射与全折射现象,将抽象的电磁波形象化。

关键词:电磁波;均匀平面波;传输特性;可视化

Abstract

Electromagnetism is an important part of physics. Electromagnetism is a very important subject for students in electronics and communication. Electromagnetism is indispensable in life, especially in many applications of electronics and communication, such as communication systems, optical engineering, etc., all rely on electromagnetic theory.

Among the many branches of electromagnetism, the transmission characteristics of electromagnetic waves are the basis of disciplines, and their importance can be seen. The propagation characteristics of electromagnetic waves in different media are different, and due to the difference of propagation paths, reflection, refraction, scattering diffraction and absorption appear on the boundary of the propagation path, so that the amplitude, phase, polarization, propagation direction, etc. of the electromagnetic wave The characteristic parameters change differently.

However, electromagnetism is too abstract and cannot be seen or touched in everyday life. The electromagnetic courses that are usually exposed in textbooks are often filled with a large number of mathematical formula derivations and complex propagation model formulas, and the concepts are difficult to understand. Due to the abstract nature of electromagnetism, it is difficult to understand and deepen electromagnetism.

With the development of the times, the rise of the computer field provides an efficient and convenient way to solve this problem. Matlab is an arithmetic operation platform. Engineering students often learn to use it. Its numerical calculation ability is powerful, which creates perfect conditions for electromagnetic field and electromagnetic wave visualization. In this paper, a uniform plane wave simulation system based on Matlab is designed, which clearly shows the basic concepts in electromagnetism, calculates the incomprehensible formula, and dynamically and intuitively displays the electromagnetic wave propagation model through drawing. In order to realize the interaction with the user, the article uses the Matlab GUI as a development platform, which allows the user to freely input the electromagnetic wave propagation image of the specified parameters.

The paper studies the propagation characteristics of uniform plane waves in different media, the reflection and refraction phenomena and the total reflection and total refraction of different media decomposition surfaces, and the abstract electromagnetic waveforms

Keywords: electromagnetic wave; uniform plane wave; transmission characteristics; visualization

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外现状的研究 2

1.3数据可视化方法 3

1.3.1 基于Matlab的可视化呈现 3

1.3.2 交互式开发环境 3

1.4技术路线 4

1.5本文主要章节及工作安排 4

第2章 电磁波的传播特性原理 6

2.1均匀平面波概述 6

2.2 无界媒质中的均匀平面波 7

2.2.1 真空中的均匀平面波 8

2.2.2理想介质中的均匀平面波 9

2.2.3 导电媒质中的均匀平面波 9

2.3 均匀平面波在不同媒质分界面的反射与折射 11

2.3.1 平面波垂直入射到理想导体表面 11

2.3.2 平面波垂直入射到理想介质分界面 12

2.3.3 平面波斜入射到理想导体表面 13

2.3.4 平面波斜入射到理想介质间的分界面 14

2.4 小结 15

第3章 电磁波可视化系统的实现 17

3.1 无界媒质中的均匀平面波 17

3.1.1 真空中的均匀平面波 17

3.1.2 理想介质中的均匀平面波 18

3.1.3 导电介质中的均匀平面波 18

3.2 均匀平面波在不同媒质分界面的反射和折射 19

3.2.1 平面波垂直入射理想导体 19

3.2.2 平面波斜入射理想导体 19

3.2.3 平面波斜入射理想介质 20

3.2.4 平面波在不同媒质分界面 21

3.3 GUIDE界面制作 21

3.4 小结 22

第4章 电磁波可视化系统的测试 24

4.1 可视化系统界面 24

4.2 设计结果展示 24

4.2.1 无界媒质中的均匀平面波 24

4.2.2 均匀平面波在不同媒质分界面 26

4.3 小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 研究内容总结 29

5.2 研究工作展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

现代科学技术的许多方面都与电磁场与电磁波息息相关,如雷达、无线电,电磁场理论已经深入到人们日常生活的各个领域。其中,平面电磁波对于光学工程和通信系统来说尤其重要,掌握电磁学基本知识是在该领域开展深入研究的基础。电磁波的传播特性是电磁学的基础内容,电磁波传播特性较为复杂,其在不同媒质中的传播特性不同,又由于传播路径的差异,在传播路径上遇到边界会出现反射、折射、散射绕射和吸收等现象,使电磁波的幅度 、相位、极化、传播方向等特性参数发生变化[1]。研究电磁波传播特性是电子与通信工程学科的基础,也是现代无线通信系统设计中的关键问题。

然而,电磁学过于抽象,在日常学习中接触到的常常是大量的数学公式推导和繁杂的传播模型公式,许多概念难以理解,课程学习难度较大[2]。同时,开展电磁学需要昂贵的配套设备,对实验环境要求极高,部分微波实验操作不慎还会影响身体健康。正确进行有关实验需要大量时间培训,同时,为了实现对应环境常常需要高额的资金投入,而相关实验设备又极易损坏,研究员之外的人很少有机会接触到,这极大的限制了电磁学实验的普及和应用,阻碍了对电磁学知识的理解。此外,有些实验条件如理想导体是难以满足甚至是根本不能满足的。

基于上述原因,仿真实验对于电磁学而言尤为重要。随着新时代的到来,计算机领域正如火如荼,为通信技术的高速发展提供了一记有力助攻。如今,人类社会己经全面进入信息时代,计算机技术的飞速发展为看似虚无缥缈的电磁问题提供了有效地解决途径。对于抽象的、公式化的电磁波传播特性问题,计算机提供了一种数据可视化的方案,从而动态呈现电磁波的传播特性,有助于人们对电磁波的理解。

通常,由于人眼所具有的特性,人们对于图形类信息可以快速识别,抓住重点。可视化技术就是基于人眼这一特性,将数据信息以视觉形式来呈现。数据可视化是一门交叉学科技术,是现代科学中一个重要应用领域。人脑和计算机是两个非常强大的信息处理系统,而数据可视化将它们结合起来,将隐藏在公式后的数据以图像形式展现出来,便于识别,从而带给人们直观且准确地信息。同时,利用GUI交互界面,人们可以对其操纵、研究,输入指定数据,从而极其有效且方便的发现隐藏在大量信息后的规律和特征。

Matlab是美国MathWorks公司开发的一套高性能的数值计算软件,具有绘图功能,再加上其精确的数值计算功能,非常适合数据可视化实现。它非常简洁,易于上手,具有强大的高级编程语言,方便程序高效编写。Matlab的数值计算和可视化系统非常适合电磁波问题的设计、开发和调试甚至是相当复杂的电磁学算法的应用[3]

本文针对电磁波的传播特性这一复杂问题,通过研究均匀平面波在不同媒质中的传播特性,研究不同媒质分界面时的反射和折射现象,研究全反射和全折射现象。结合新兴的多种数据可视化技术与手段,对电磁波传播特性实现可视化呈现。本研究基于Matlab GUII平台,对电磁波传播特性进行可视化呈现,并加入交互操作,实时动态地改变仿真参数以观察结果变化和对应关系,为观察电磁波的传播特性提供了极大地便利。

1.2 国内外现状的研究

硬件的发展提供了更高性能的图形显卡,软件的发展也带来了层出不穷的可视化软件。如今,可视化基础已经拓展至国内外国家级研究中心、高水平大学和大型公司的开发研究中心,广泛应用在各个领域,尤其是科研工程、军事和医学。Matlab用于传统软件开发,应用最广泛,可以方便实现数据可视化、数据分析以及数值计算;D3、Echarts、Highcharts等是基于前端技术开发的数据可视化类库;OpenGL是近年来广为流行的一种跨语言、跨平台的应用程序接口,可以用来渲染2D、3D矢量图形;DirectX是一种多媒体编程接口;Matplotlib是基于Python的一个数据可视化库,而Python是如今最流行的一种编程语言,易于学习使用;Unity3D是一个专业游戏引擎,可以实现实时三维动画……诸如此类的技术不断出现和发展,使得数据可视化研究与应用不断发展。

随着科学技术的发展,多年来,已经开发出了各种基于计算机的软件和仿真工具,以帮助理解电磁学概念,基于网络的应用程序也被创建,用以教学或学习。

李丽芬、郝鹏伟等人针对电磁场与电磁波特点,利用Matlab的可视化功能对电磁波进行了三维场图的呈现,主要仿真了平面电磁波在无界媒质中和不同媒质分界面上的传输过程,动态演示了各种角度入射不同媒质分界面的均匀平面波的传播模型 [4]。天津大学杨成伟、陈为刚等人在专业游戏引擎Unity3D的基础上,自主研发了一款电波传播可视化软件,该软件可以动态可视化城市区域的电波传播特性,还配置了三维跟踪建模功能,能够预测微蜂窝场景中的电波传播,同时能够自由选择可视化场强、角度、时延、路径损耗等仿真数据[5]。北京邮电大学张康杰等人在OpenGL和MFC框架的基础上,可视化实现了电磁能量分布可视化和地球站协调区,支持导入地形、确定协调区,精准计算了电波传播模型,还具有场地屏蔽导致的电磁衰减等功能 [6]。新加坡南洋理工大学Eng Leong Tan、Ding Yu Heh等人基于移动端设备开发了具有能与用户互动的电磁波传播特性可视化学习与教学工具,允许用户输入各种波参数以实时查看它们的传播模型[7]。Georg Wolgast等人基于爬行波在心电图的应用开发出一种用于心脏病检测的体域网,该体域网采用特殊设计的平面倒F型天线(PIFA),其天线被设计成能够在身体周围进行表面波传播的形状[8]

除此以外,数学、物理、医学和生物等学科均大量出现了利用数据可视化工具进行科研的辅助研究。

目前各学科领域的可视化研究方向主要集中在针对传统领域数据复杂的情况,利用可视化工具实现数据可视化,以更好地对实验结果和现象进行展示和分析。然而,目前的研究也存在着可视化效果不佳、开发成本较大、可视化所需的运算能力较高等等诸多问题。本设计也根据以上方向和思路,针对电磁波传播特性开发可视化工具,并尝试性解决以上问题。

Matlab应用范围几乎涵盖了当今所有的工业应用和科学研究领域,它精确的数值计算能力为精准实现电磁波的可视化提供了条件。此外,Matlab还具有更强大的功能,它有大量工具箱,其中的GUI用户图形界面可以方便实现用户与电脑的人机交互,更加方便用户使用。综上所述,Matlab的上述功能使它在电磁学等物理场的数值仿真中具有极大的优势。

结合设计要求和Matlab软件的优点,本文选择使用Matlab对电磁波的传播特性进行可视化呈现,并通过GUIDE(交互式开发环境)进行计算、绘图界面的编写,实现交互性。

1.3数据可视化方法

1.3.1 基于Matlab的可视化呈现

数据可视化,简而言之就是把需要的数据以图像方式呈现出来。

Matlab是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称。从某种角度而言,Matlab就是一台具备多媒体功能的计算器。它能精确地完成各种繁琐计算,并能表现复杂的图形、图像、声音和动画等。相较于C、C 等语言及Visio Studio等IDE,Matlab在数值计算上强大的能力和简单的编程语言使得其成为了数据可视化实现的良好选择[9][10]

强大的绘图功能是Matlab的优势之一。在图形绘制方面,Matlab就具有plot,polar,semilogx等高层绘图函数,无论是二维图形还是三维图形都能简单方便地处理、呈现,设计者完全不需要考虑图形呈现的细节,只需要输入一些基本的参数就可以得到所需图形。

Matlab集数值计算、矩阵计算、信号处理和图形显示于一体,对于工科专业来说,Matlab的使用最广泛,使用时间也悠久,它的用户界面友好,用法简单,易于上手。以Matlab为基础的可视化平台计算精确、使用方便,不需要投入大量资金,具备硬件实验不具备的优势,最重要的是,它克服了硬件实验带来的条件难以满足和设备故障等缺点[11]

1.3.2 交互式开发环境

尽管python开放了开源的科学计算程序,提供num.py包,但在易用性方面,还是Matlab更胜一筹。

用户界面是用户与计算机进行交流的页面,就好像操作系统。用户图形界面(GUI)是指由图标、窗口、按键、菜单、对话框和文本等图形对象组成的用户界面。通过定制GUI,用户可以定制与Matlab的交互方式。在Matlab中提供了一种称为“句柄”的图形界面设置参数,通过设置句柄,用户可以设置自己喜欢的界面。但学习GUI句柄操作较为复杂,难以上手,为此,Matlab提供了用户图形界面设计工具GUIDE。

交互式开发环境GUIDE可以帮助用户搭建友好的用户界面,它可以看作是一个GUI应用程序的开发向导,通过GUIDE用户可以使用鼠标添加各种各样的控件,并自动生成各个控件对应的回调函数,用户可以直接在回调函数中进行程序编写,从而简化了GUI应用程序的开发。

1.4技术路线

本设计的主要任务是在掌握电磁波的传播特性的理论基础上,基于Matlab实现均匀平面波传播特性的可视化实现。设计分为两个模块,分别是均匀平面波在无界媒质中的传播情形和均匀平面波在不同媒质分界面的传播情形。

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