通信与网络中的基于Matlab的均匀平面电磁波的仿真
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2020-10-20
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通信与网络中的基于通信与网络中的基于Matlab的均匀平面电磁波的仿真的均匀平面电磁波的仿真
摘要：在电磁场与电磁波的教学中，应用Matlab编程对电磁场的分布和电磁波的传输进行仿真，使得抽象的概
念直观化，有助于学生对于电磁场和电磁波教学内容的学习。着重仿真了均匀平面电磁波的传播、极化、反射
和折射的动态过程。 0 引言 “电磁场与电磁波”是电子与通信类专业本科生必修的一门专业基础课，课
程涵盖的内容是电子与通信类专业本科阶段所应具备的知识结构的重要组成部分。 在教学过程中，学生普
遍反映该门课程比较抽象，包含了大量的数学公式推导，很多概念难以理解。无论是电磁场还是电磁波，都是
看不到、摸不着的，教师难讲、学生难懂是当前该门课程教学中普遍存在的现象。 Matlab由于其
摘要：在电磁场与电磁波的教学中，应用 摘要：在电磁场与电磁波的教学中，应用Matlab编程对电磁场的分布和电磁波的传输进行仿真，使得抽象的概念直观编程对电磁场的分布和电磁波的传输进行仿真，使得抽象的概念直观
化，有助于学生对于电磁场和电磁波教学内容的学习。着重仿真了均匀平面电磁波的传播、极化、反射和折射的动态过程。化，有助于学生对于电磁场和电磁波教学内容的学习。着重仿真了均匀平面电磁波的传播、极化、反射和折射的动态过程。
0 引言
“电磁场与电磁波”是电子与通信类专业本科生必修的一门专业基础课，课程涵盖的内容是电子与通信类专业本科阶段所应
具备的知识结构的重要组成部分。
在教学过程中，学生普遍反映该门课程比较抽象，包含了大量的数学公式推导，很多概念难以理解。无论是电磁场还是电
磁波，都是看不到、摸不着的，教师难讲、学生难懂是当前该门课程教学中普遍存在的现象。
Matlab由于其强大的功能、简单易学的编程语言和可视化的仿真环境，为电磁场与电磁波的教学提供了仿真条件。借助
Matlab模拟和实现结构的可视化，把抽象概念变为清晰，对复杂公式进行计算和绘图，动态直观的描述了电磁场的分布和电磁
波传播状态，帮助学生理解和掌握电磁场与电磁波传播的规律，有助于学生对这门课程的学习。本文利用Matlab对平面电磁波
的传播、极化、反射和折射的仿真，将抽象的电磁波形象化，取得了很好的教学效果。
1 均匀平面电磁波传播的仿真
设电磁波沿z 轴方向传播，在与z 轴垂直的平面上，其电磁场强度各点具有相同的振幅和振动方向，即E 和H 只与z 有
关，而与x 和y 无关，这种电磁波就是均匀平面电磁波。
1.1 电场和磁场只有一个分量的情况
沿z 轴传播的均匀平面电磁波的瞬时值可表示为如下形式：
以一频率为100 MHz的均匀平面波在线性、均匀、各向同性的理想介质中传播为例，动态仿真了电磁波传播的过程，这里
用到了Matlab 的meshgrid、plot3、pause等函数，图1中蓝色为电场强度，红色为磁场强度。通过图形，学生可以直观地看到
电场和磁场互相垂直、相位相同、沿z 轴成正弦变化的规律。
1.2 电场和磁场有两个分量的情况
设电磁波沿z 轴方向传播，选择ex 和ey 两个正交方向描述电场和磁场，则：
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