基于Matlab的矩形波导电磁场分布研究
基于Matlab的矩形波导电磁场分布研究[20200406140409]
摘 要
21世纪是信息的时代，不论平时工作还是日常生活我们都离不开信息的交流。微波技术作为现代通讯的重要手段，研究其传输特性的重要性不言而喻。矩形波导作为微波工程中一种非常重要的传输媒介，对微波技术的发展而言具有举足轻重的作用。
但是矩形波导里面的电磁场的传输特性极其繁杂，理解起来非常不容易。因此，我们可以借用Matlab强大的矩阵运算功能和图形显示功能，通过三维的电磁场分布图，形象具体的展示电磁场在矩形波导里面的传输规律，从而实现磨练学生独立学习、研究问题、解答问题的本领的目的。本论文中我将利用Matlab软件根据矩形波导的特性对其进行可视化表示，做出矩形波导的电磁场分布规律图。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:电磁场MATLAB矩形波导电磁场分布
目录
第一章 绪论 1
第二章 矩形波导 3
2.1 导波系统及其应用 3
2.2 矩形波导简介 4
2.3 纵向量场法简介 5
2.4 矩形波导中的TM波 6
2.5 矩形波导中的TE波 7
2.6 矩形波导的传输特性 8
第三章 MATLAB绘图技术的运用 10
3.1 MATLAB简介 10
3.2 MATLAB的绘图设计技术 10
3.3 MATLAB实现电磁场仿真的方法 11
3.4 矩形波导中 波的Matalb仿真 11
3.4.1矩形波导 模的二维电场分布 12
3.4.2矩形波导 模的二维磁场分布 14
3.4.3矩形波导 模的电磁场分布 14
3.5 矩形波导中 模式波的Matalb仿真 15
3.5.1矩形波导 模的二维电场分布 15
3.5.2矩形波导 模的二维磁场分布 17
3.5.3矩形波导 模的电磁场分布 17
3.6 矩形波导中其他重要的模式波的仿真 18
结语 20
参考文献 21
致 谢 22
附 录 23
第一章 绪论
《电磁场与波》一书内容囊括时变电磁场和静态场，具备很强的理论性、系统性和实践性。但该课程较为概念繁杂、内容抽象，是包含空间、时间在内的多维矢量场，理解起来很难，这就要求学生拥有强大的空间联想与逻辑思维能力。实践教学是学校教育学生利用自身所知的理论基础，锻炼发现问题、专研问题、破解问题的能力，增强独自工作和实际操作本领的重要部分。当今，在实践教学中，因为实验室设施不足与课程学时的局限性的因素，很多实验不能真正的动手完成。因此，本论文中我将利用Matlab软件矩形波导中的电磁场分布规律进行计算仿真，可以更好的理解矩形波导 。
一种波长很短的，在1米~ 1毫米波之内的电磁波称作微波。它的波长非常短，比现实生活中绝大多数物体的尺寸都小的多，不在一个数量级内，也因此微波具有光学的特点。微波可以在空气中达到光的速度，当碰到阻挡物时跟光同样产生反射与折射的现象，这就是所谓的似旋光性；当微波照到一些物体表面上时，还能够进入其内部，例如：家庭用的微波炉就是运用此原理对食物、餐具进行加热、消毒；另外电磁波中的一些波段受电离层的影响比较小，可以穿透电离层传播到外层空间，因此，利用这点人类可以探测外层空间。
电磁波首先在雷达和通信方面得到应用，人们向空中发射电磁波，由于电磁波遇到物体就会形成反射，当物体移动式就会改变反射波的频率。用接收机接受反射波，就可探测到移动的物体，这就是雷达探测移动物体的原理。因为微波的频率高，它的频带可以达到几百兆至上千兆赫，这比普通的中短波的带宽要宽的多，所以当今的移动通讯、卫星通讯等无线通讯系统基本上都工作在微波波段。又由于微波的散射特性，当它射入到物体上时，其散射信号可以提供目标的极化信息、相位信息、多普勒频率信息等信息，这使得微波在目标探测、遥感遥控等领域得到了普遍应用，如我国发送的“嫦娥一号”探月卫星就是利用微波辐射技术对月亮外表进行堪测。
电磁波不仅可以在无限的空间中传播，而且能在许多特定的装置内或者其周围传播，我们称这种引导电磁波传输的装置为导播装置，一般简称为波导。
在微波技术中，金属波导应用在通讯、雷达、电子对抗与测量系统领域的现象是常见的。我们对波导涉及的运算进行定量描述时，在求解的时候会遇到数量极大的繁杂的数学计算，而且电磁场在空间的分布是看不到的，也因此学生在学习过程中往往感觉很难理解，内容抽象。为了掌握电磁场基本概念与理论，达到增加学生的学习的主动性并提高学习效率的目的，不妨使用MATLAB这个高级计算机计算软件。通过矩阵运算的办法，解决繁琐的电磁场的计算问题，免去了繁杂的、缓慢的人工运算。
Matlab是一个功用极其强大的运算工具，它里面提供非常多的功能实用库函数与仿真板块。运用Matlab模拟矩形波导里面的场的空间分布情况，将矩形波导里面场的复杂的空间分布规律直观地显示出来，能够使我们更直观、更容易地了解矩形波导中电磁波的传播规律。如果老师将它应用在平时的教学中，不仅可以更好的利用宝贵的课堂教学时间，而且给学生留有独立思考和动手实践的余地，还可以十分具体地观察电磁波在空间产生与传播的过程，提高学生对电磁场理论概念的认知度 。
第二章 矩形波导
2.1 导波系统及其应用
传播电磁波的方法有两种：一种就是借用天线把电磁波辐射到目标区域；第二种是借助传输系统，把电磁波顺着一定的路径传到目的地。后者说传输的系统被叫做导波系统。导波系统有很多，主要有矩形波导，圆波导、同轴线、光纤等。
同轴线的主要优势就是频带很宽并且没有下限，直流都能够传输。但是同轴线制造较难，要确保内外导体严格同轴是非常困难的。如果没有达到同轴，会产生多余的消耗。软的同轴线一般运用在远距离传输。比如有线电视与长途电话的远距离输送就是选用它。
金属波导在传输过程中消耗小，抗干扰能力强。椭圆波导在长途传输中应用较多。矩形波导测量线多运用在微波测量。波导测量线也可用来测量波长，一般用来测量最小点间的距离，能够减小误差。
光纤有着最宽的频带，而且传输过程中消耗低，本身很轻易于运输，材质为塑料容易弯曲，可以任意变换形状。如今，光纤运用已经十分普及，可以用来传送声音、图片及影像。光纤是用来进行快速有线传输的最好的材料，是目前最快速、最轻便、最有效的有线传输媒介 。
（2.1-1）矩形波导 （2.1-2）圆波导
（2.1-3）同轴线 （2.1-4）光纤
2.2 矩形波导简介
现实应用中，为达到减小传输过程中的消耗、以防电磁波能量向外泄漏的目的，常常选用空芯的金属导管作为传送电磁波能量的装置。这种空芯导波装置就是通常所谓的波导，它由一些具有规则截面形状的空芯金属导管，而且金属管的外形、材料和介质填充物等沿管轴方向保持不变，电磁波被约束在管内沿轴向前传播。常用的管壁材料就是铜和铝。金属波导有着功率容量大、损耗小、雾辐射损耗等优势，在厘米波段和毫米波段有着广泛的应用 。
最常用的就是由四块金属板围成的矩形管传输电磁波，也就是矩形波导。因为矩形波导机械强度大、构造简单，并且它没有内导体，因此导体的消耗很低，同时它的功率容量还很大。因此，当前在大中功率段的微波设施中，多半选用矩形波导作为传输线并构成微波组件。
矩形波导的外形同下图(2.2-1)所示，我们假定宽壁的大小为a, 窄壁的大小为b。波导里面充满介电常数是e、磁导率是m 的媒介。根据时变电磁场的唯一性定理，我们得知波导的时变场分布完全取决于波导内壁的边界条件，因此求解波导内的电磁场分布归结为时变电磁场的边值问题。
图（2.2-1）矩形波导
在波导系统中，一般存在三种波型：TEM波、TE波、TM波。这三种波的电场方向和磁场方向同传播方向之间的关系如下图（2.2-2）所示，图中 表示传播方向。图（1）表示的TEM波的电场方向和磁场方向都与传播方向垂直；图（2）指出的是TE波下只有电场方向同传播方向是垂直的；图（3）指出的是TM波是仅有磁场同传播方向相互垂直。值得说明的是，不管是哪一种波型，其电场同磁场一定是彼此垂直的。
摘 要
21世纪是信息的时代，不论平时工作还是日常生活我们都离不开信息的交流。微波技术作为现代通讯的重要手段，研究其传输特性的重要性不言而喻。矩形波导作为微波工程中一种非常重要的传输媒介，对微波技术的发展而言具有举足轻重的作用。
但是矩形波导里面的电磁场的传输特性极其繁杂，理解起来非常不容易。因此，我们可以借用Matlab强大的矩阵运算功能和图形显示功能，通过三维的电磁场分布图，形象具体的展示电磁场在矩形波导里面的传输规律，从而实现磨练学生独立学习、研究问题、解答问题的本领的目的。本论文中我将利用Matlab软件根据矩形波导的特性对其进行可视化表示，做出矩形波导的电磁场分布规律图。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:电磁场MATLAB矩形波导电磁场分布
目录
第一章 绪论 1
第二章 矩形波导 3
2.1 导波系统及其应用 3
2.2 矩形波导简介 4
2.3 纵向量场法简介 5
2.4 矩形波导中的TM波 6
2.5 矩形波导中的TE波 7
2.6 矩形波导的传输特性 8
第三章 MATLAB绘图技术的运用 10
3.1 MATLAB简介 10
3.2 MATLAB的绘图设计技术 10
3.3 MATLAB实现电磁场仿真的方法 11
3.4 矩形波导中 波的Matalb仿真 11
3.4.1矩形波导 模的二维电场分布 12
3.4.2矩形波导 模的二维磁场分布 14
3.4.3矩形波导 模的电磁场分布 14
3.5 矩形波导中 模式波的Matalb仿真 15
3.5.1矩形波导 模的二维电场分布 15
3.5.2矩形波导 模的二维磁场分布 17
3.5.3矩形波导 模的电磁场分布 17
3.6 矩形波导中其他重要的模式波的仿真 18
结语 20
参考文献 21
致 谢 22
附 录 23
第一章 绪论
《电磁场与波》一书内容囊括时变电磁场和静态场，具备很强的理论性、系统性和实践性。但该课程较为概念繁杂、内容抽象，是包含空间、时间在内的多维矢量场，理解起来很难，这就要求学生拥有强大的空间联想与逻辑思维能力。实践教学是学校教育学生利用自身所知的理论基础，锻炼发现问题、专研问题、破解问题的能力，增强独自工作和实际操作本领的重要部分。当今，在实践教学中，因为实验室设施不足与课程学时的局限性的因素，很多实验不能真正的动手完成。因此，本论文中我将利用Matlab软件矩形波导中的电磁场分布规律进行计算仿真，可以更好的理解矩形波导 。
一种波长很短的，在1米~ 1毫米波之内的电磁波称作微波。它的波长非常短，比现实生活中绝大多数物体的尺寸都小的多，不在一个数量级内，也因此微波具有光学的特点。微波可以在空气中达到光的速度，当碰到阻挡物时跟光同样产生反射与折射的现象，这就是所谓的似旋光性；当微波照到一些物体表面上时，还能够进入其内部，例如：家庭用的微波炉就是运用此原理对食物、餐具进行加热、消毒；另外电磁波中的一些波段受电离层的影响比较小，可以穿透电离层传播到外层空间，因此，利用这点人类可以探测外层空间。
电磁波首先在雷达和通信方面得到应用，人们向空中发射电磁波，由于电磁波遇到物体就会形成反射，当物体移动式就会改变反射波的频率。用接收机接受反射波，就可探测到移动的物体，这就是雷达探测移动物体的原理。因为微波的频率高，它的频带可以达到几百兆至上千兆赫，这比普通的中短波的带宽要宽的多，所以当今的移动通讯、卫星通讯等无线通讯系统基本上都工作在微波波段。又由于微波的散射特性，当它射入到物体上时，其散射信号可以提供目标的极化信息、相位信息、多普勒频率信息等信息，这使得微波在目标探测、遥感遥控等领域得到了普遍应用，如我国发送的“嫦娥一号”探月卫星就是利用微波辐射技术对月亮外表进行堪测。
电磁波不仅可以在无限的空间中传播，而且能在许多特定的装置内或者其周围传播，我们称这种引导电磁波传输的装置为导播装置，一般简称为波导。
在微波技术中，金属波导应用在通讯、雷达、电子对抗与测量系统领域的现象是常见的。我们对波导涉及的运算进行定量描述时，在求解的时候会遇到数量极大的繁杂的数学计算，而且电磁场在空间的分布是看不到的，也因此学生在学习过程中往往感觉很难理解，内容抽象。为了掌握电磁场基本概念与理论，达到增加学生的学习的主动性并提高学习效率的目的，不妨使用MATLAB这个高级计算机计算软件。通过矩阵运算的办法，解决繁琐的电磁场的计算问题，免去了繁杂的、缓慢的人工运算。
Matlab是一个功用极其强大的运算工具，它里面提供非常多的功能实用库函数与仿真板块。运用Matlab模拟矩形波导里面的场的空间分布情况，将矩形波导里面场的复杂的空间分布规律直观地显示出来，能够使我们更直观、更容易地了解矩形波导中电磁波的传播规律。如果老师将它应用在平时的教学中，不仅可以更好的利用宝贵的课堂教学时间，而且给学生留有独立思考和动手实践的余地，还可以十分具体地观察电磁波在空间产生与传播的过程，提高学生对电磁场理论概念的认知度 。
第二章 矩形波导
2.1 导波系统及其应用
传播电磁波的方法有两种：一种就是借用天线把电磁波辐射到目标区域；第二种是借助传输系统，把电磁波顺着一定的路径传到目的地。后者说传输的系统被叫做导波系统。导波系统有很多，主要有矩形波导，圆波导、同轴线、光纤等。
同轴线的主要优势就是频带很宽并且没有下限，直流都能够传输。但是同轴线制造较难，要确保内外导体严格同轴是非常困难的。如果没有达到同轴，会产生多余的消耗。软的同轴线一般运用在远距离传输。比如有线电视与长途电话的远距离输送就是选用它。
金属波导在传输过程中消耗小，抗干扰能力强。椭圆波导在长途传输中应用较多。矩形波导测量线多运用在微波测量。波导测量线也可用来测量波长，一般用来测量最小点间的距离，能够减小误差。
光纤有着最宽的频带，而且传输过程中消耗低，本身很轻易于运输，材质为塑料容易弯曲，可以任意变换形状。如今，光纤运用已经十分普及，可以用来传送声音、图片及影像。光纤是用来进行快速有线传输的最好的材料，是目前最快速、最轻便、最有效的有线传输媒介 。
（2.1-1）矩形波导 （2.1-2）圆波导
（2.1-3）同轴线 （2.1-4）光纤
2.2 矩形波导简介
现实应用中，为达到减小传输过程中的消耗、以防电磁波能量向外泄漏的目的，常常选用空芯的金属导管作为传送电磁波能量的装置。这种空芯导波装置就是通常所谓的波导，它由一些具有规则截面形状的空芯金属导管，而且金属管的外形、材料和介质填充物等沿管轴方向保持不变，电磁波被约束在管内沿轴向前传播。常用的管壁材料就是铜和铝。金属波导有着功率容量大、损耗小、雾辐射损耗等优势，在厘米波段和毫米波段有着广泛的应用 。
最常用的就是由四块金属板围成的矩形管传输电磁波，也就是矩形波导。因为矩形波导机械强度大、构造简单，并且它没有内导体，因此导体的消耗很低，同时它的功率容量还很大。因此，当前在大中功率段的微波设施中，多半选用矩形波导作为传输线并构成微波组件。
矩形波导的外形同下图(2.2-1)所示，我们假定宽壁的大小为a, 窄壁的大小为b。波导里面充满介电常数是e、磁导率是m 的媒介。根据时变电磁场的唯一性定理，我们得知波导的时变场分布完全取决于波导内壁的边界条件，因此求解波导内的电磁场分布归结为时变电磁场的边值问题。
图（2.2-1）矩形波导
在波导系统中，一般存在三种波型：TEM波、TE波、TM波。这三种波的电场方向和磁场方向同传播方向之间的关系如下图（2.2-2）所示，图中 表示传播方向。图（1）表示的TEM波的电场方向和磁场方向都与传播方向垂直；图（2）指出的是TE波下只有电场方向同传播方向是垂直的；图（3）指出的是TM波是仅有磁场同传播方向相互垂直。值得说明的是，不管是哪一种波型，其电场同磁场一定是彼此垂直的。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/gdxx/382.html
