MATLAB電磁場與微波技術仿真 ( 簡體 字) |
| 作者：梅中磊、李月娥、馬阿寧 | 類別：1. -> 工程繪圖與工程計算 -> Matlab |
| 譯者： |
| 出版社：清華大學出版社 |  3dWoo書號： 52785
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NT售價： 345 元 |
| 出版日：6/1/2020 |
| 頁數：375 |
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| ISBN：9787302551232 |
| 作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 序 |
| (簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證) |
| 作者序： |
| 譯者序： |
前言：電磁場與微波技術是電子信息類專業所必修的基礎知識，其中涉及許多抽象的電力線、等勢面和場分布等概念，具有“難教”“難學”“難考”“難用”的特點，是很多人學習路上的攔路虎。但該領域知識的應用又非常廣泛！在通信領域，5G（甚至6G）通信技術的提出和逐步商業化，急需具備電磁場與微波技術的專門人才； 在國防領域，飛機隱身和雷達探測、電磁彈射技術等都涉及電磁場與微波技術的內容； 在航空、航天領域，GPS技術、深空通信、可見光通信等離不開電磁場與微波技術的知識； 在集成電路領域，包括人工智能（AI）芯片等復雜電路的設計等，其物理實現必須考慮電磁場與微波技術的知識； 就連與生活密切相關的無線輸電、WiFi連接、電動汽車等也都離不開電磁場與微波技術的支撐。近代科學的發展也表明，電磁場與電磁波、微波技術的基礎理論是一些交叉學科的生長點和新興邊緣學科發展的基礎。
MATLAB是一種面向科學與工程計算的高級工具，它的圖形功能強大，工具箱眾多，易于上手，容易理解，同時，應用人群眾多，學習資源豐富。很多高校都開設MATLAB課程，用于科學計算、課程設計、輔助專業課程教學等。MATLAB也是諸多科研人員開展科學研究的強大工具，在全球知名高校和企業中，獲得了良好的口碑。因此，將其引入電磁場與微波技術的教學實踐中，從最基本的科學運算、等勢面的繪制及電磁場方程的求解等方面著手，給出MATLAB在教學和科研實踐中的應用實例，并通過MATLAB實現抽象概念的可視化、繁雜計算的簡單化、復雜圖形的具體化、科學計算的簡便化，一定能夠提高學習者的感性認識和學習興趣，提高學習效果。
本人從1995年前后接觸MATLAB，
我的切身體會是： MATLAB對于電磁場與微波技術領域的教學，有著“四兩撥千斤”的神奇效果； 而對于從事科研工作的人員來講，MATLAB是必不可少的科研利器。因此，我在2018年編寫的《電磁場與電磁波》一書中，刻意加入了MATLAB代碼部分，用于展示電力線、求解方程組的解、展示特殊函數、描繪天線方向圖等，收到了很好的效果。這種“手腦并舉”開展學習的方法，也是我們一直倡導的方法。
2012年8月，我指導2009級本科生楊帆在國際著名的物理學刊物《物理評論快報》上發表論文——直流電型隱形裝置，
被該雜志以封面圖片形式報道，引起廣泛關注。我清楚記得，當時給楊帆所在班級的全部同學都布置了繪制電力線的工作，但最終只有該同學完全實現。這也從一個側面解釋了為什么楊帆同學能夠在科研領域取得如此驕人的成績。
2013年10月，本人再次指導本科生馬騫同學在《物理評論快報》上發表論文，針對拉普拉斯方程的有源隱形和偽裝的實驗。該項工作被BBC網站、光明日報所報道。和楊帆同學相似，馬騫同學的MATLAB知識也非常扎實。
在本人后面的教學和科研過程中，還涌現出了劉玉沙、曹劍鋒、王金旺、白國棟、魯翠等若干本科生同學，他們都在電磁場和微波技術領域做出了很好的成績。我們曾經把這些教學經驗加以總結，并申請到了甘肅省教學成果二等獎，即
研究型教學在“電磁場理論”課程中的實踐及示范應用； 2017年，還獲得了蘭州大學教學成果一等獎，即
讓科研成為教與學的橋梁——以《電磁場理論》為例踐行科研與教學的良性互動。我們負責建設的“電磁場與電磁波”是甘肅省精品課程，我們的教學團隊也榮獲甘肅省教學團隊榮譽稱號。
本書作者均為蘭州大學一線教師，梅中磊、李月娥老師還曾當選蘭州大學“我最喜愛的十大教師”，長期從事
“電磁場與電磁波”“微波技術”“數學物理方法”等的教學，同時，開展電磁場與微波技術領域的科研工作，指導相關專業的研究生，并取得了可喜的成果。2014年，我們的科研項目——基于人工電磁材料的電磁操控技術和隱形機理研究，獲得甘肅省高校科技進步一等獎； 我們培養的楊帆、白國棟、魯翠三名研究生，
他們發表的論文先后獲得甘肅省優秀碩士學位論文。在指導研究生的過程中，我們也發現，不同學校培養的學生，其能力千差萬別，所學的知識各不相同，要在研究生一年級階段將電磁場與微波技術的知識打好基礎，不是容易的事情。如果能夠將專業知識的學習和科研工具的培訓融合在一起，則一定會起到“事半功倍”的效果； 而且，通過課題組的科研項目實踐來培養和訓練研究生，不僅可以節約師生的時間，還有利于學生及早融入課題，提高學習效率。
經過多年的教學和科研實踐，同時考慮上面所講的背景因素，我們深感到有必要把自己的相關體會和經驗融入
教材中，并展現給廣大同仁，希望能給其他高校的教學提供啟示； 同時，對廣大科技人員學習電磁場與微波技術的專業知識，提供我們力所能及的幫助； 再加上清華大學出版社
首席策劃盛東亮的撮合，我們最終有機會撰寫《MATLAB電磁場與微波技術仿真》一書，并在該出版社出版。本書可供各高校學生輔助學習《電磁場與電磁波》使用，也可以作為開展虛擬電磁實驗的教材使用。本書對于開設有“基礎理論班”“拔尖人才培養基地”“研究性教學”等項目的學校，更具有參考價值。
本書具有以下特色：
(1) 通過專題形式組織內容，便于讀者按需閱讀。各個章節之間的邏輯聯系不強，不必順序閱讀。讀者只要擁有《電磁場與電磁波》一書的基礎知識，便可以根據自己的興趣和愛好，自由選擇章節學習。
(2) 電磁場與微波技術專業知識和核心MATLAB命令交叉介紹，便于學習。讀者在使用本書的時候，如果能夠打開MATLAB環境，邊學習知識，邊動手實踐，則學習效果更佳。
(3) 書中絕大多數MATLAB代碼均來自科研一線，具有實用性； 所列舉的例子很多是科技前沿內容，便于開展研究性學習。對大多數讀者來講，仔細研讀本書之后，就具備了開展電磁場和微波技術領域科學研究的基礎條件。
(4) 部分內容，如繪制電力線和磁力線、射線追蹤等，獨具特色，此前尚未見到全面、系統的論述。
(5) 采用浸入式場景設置，讓讀者直面電磁場與微波技術領域的各種問題，方便自學。對于指導電磁場與微波技術領域的研究生學習和科研，可以起到事半功倍的效果。
本書由梅中磊、李月娥、馬阿寧編寫。梅中磊負責第2~8章和附錄的編寫，并協助完成了第9章電磁超表面遠區方向圖的實現； 李月娥編寫了第10、11章，并協助完成了第9章天線陣的陣因子和方向圖繪制； 馬阿寧編寫了第1、9章。在教材編寫過程中，梅中磊負責全書的統稿和校驗工作，蘭州大學信息學院碩士研究生陳文瓊、李輝、石澤山、趙燦星、趙銀瑞、祁部雄、李怡然、張金秀、黃金城、傅藝祥、張朵等對書中的部分章節文本、繪圖、公式錄入提供了幫助； 文中部分材料來源于梅中磊教授指導的本科畢業論文； 蘭州大學教務處對教材的編寫給予了資金支持（蘭州大學教材建設基金資助）。在此對他們表示衷心的感謝！
本書中所涉及的MATLAB代碼，大多數都在MATLAB R2013A上運行通過； 部分代碼如MATLAB天線工具箱需要更高版本的支持。
由于受水平、時間、篇幅所限，書中難免存在一些疏漏或欠妥之處，懇請廣大讀者批評指正。我們將對這套圖書
進行不斷更新，以保持內容的先進性和適用性。歡迎全國同行以及關注電子信息領域教育及發展前景的廣大有識之士對我們的工作提出寶貴意見和建議。
編者2020年2月 |
內容簡介：本書利用MATLAB開展電磁場與微波技術領域的仿真研究。全書共分11章，內容包括MATLAB在場論中的應用，利用MATLAB繪制電力線和磁力線，利用MATLAB實現各種媒質中的射線追蹤，MATLAB符號工具箱及其在電磁領域中的應用，MATLAB 偏微分方程工具箱的電磁應用，MATLAB中的特殊函數，MATLAB與人工電磁材料，優化工具箱及其在電磁問題中的應用，MATLAB與天線和天線陣分析，MATLAB的動畫演示，常用電磁代碼及MATLAB實現。附錄包含傅里葉變換的形式及其各自特點，利用MATLAB實現傅里葉變換和拉普拉斯變換，TM和TE模式，MATLAB計算雷達散射截面，近遠場變換，Kramers拟Kronig關系式等。
本書通過專題形式組織內容，便于讀者按需閱讀。讀者只要擁有《電磁場與電磁波》一書的基礎知識，便可以根據自己的興趣和愛好，自由選擇章節學習。讀者在使用本書的時候，如果能夠打開MATLAB環境，邊學習知識，邊動手實踐，則學習效果更佳。書中絕大多數MATLAB代碼均來自科研一線，具有實用性； 所列舉的例子很多是科技前沿內容，便于開展研究性學習，如電磁超表面、無線輸電線圈互感計算、電磁隱形衣、電磁黑洞、渦旋電磁場、超級透鏡等。書中部分內容，如繪制電力線和磁力線，射線追蹤、傅里葉變換的幾種形式及其區別等，獨具特色，此前尚未見到全面、系統的論述。
本書適合電子信息類、電氣類專業的本科生使用，尤其適合開展研究性教學的基礎理論班、創新人才培養基地等使用，對于大學生科研有積極的促進作用。本書所提供的MATLAB代碼，是作者長期工作在科研一線的積累，具有實用性，因此，也可以作為電磁場與微波技術、無線電物理等相關專業研究生、博士生的參考教材。 |
目錄：第1章MATLAB在場論中的應用
1.1標量函數及其可視化
1.1.1標量的定義
1.1.2MATLAB中plot函數簡介
1.1.3使用plot函數繪制一維標量函數
1.1.4MATLAB環境下二維和三維標量函數的可視化
1.2矢量函數及其可視化
1.2.1矢量的定義
1.2.2MATLAB中meshgrid函數簡介
1.2.3MATLAB中quiver函數簡介
1.2.4MATLAB中streamline函數簡介
1.2.5矢量函數的可視化
1.3梯度及其可視化
1.3.1梯度的概念
1.3.2MATLAB中gradient函數簡介
1.3.3標量函數梯度向量的可視化
1.4散度及其可視化
1.4.1通量與散度
1.4.2MATLAB中divergence函數簡介
1.4.3矢量場散度的可視化
1.5旋度及其可視化
1.5.1環流與旋度
1.5.2MATLAB中curl函數簡介
1.5.3矢量場旋度的可視化
1.6拉普拉斯算子
1.6.1標量場和矢量場的拉普拉斯運算
1.6.2MATLAB中del2函數簡介
1.6.3拉普拉斯矩陣的可視化
1.7小結
第2章利用MATLAB繪制電磁場中的線和面
2.1電力線和磁力線的概念
2.1.1電力線和磁力線
2.1.2標量電勢函數和等勢面(線)
2.1.3電力線和磁力線方程
2.2基于quiver函數的力線繪制方法
2.2.1MATLAB中quiver函數簡介
2.2.2使用quiver函數繪制電力線
2.2.3矩形波導中的電力線繪制
2.3基于streamline函數的力線繪制方法
2.3.1streamline函數及其應用
2.3.2利用streamline函數繪制電力線
2.4基于力線方程的力線繪制方法
2.4.1ode45函數及其應用
2.4.2利用電力線方程繪制電力線
2.5等勢面(線)繪制方法
2.5.1利用contour函數繪制二維等勢線
2.5.2利用isosurface函數繪制三維等勢面
2.5.3繪制三維等勢面的其他方法
2.6利用描點法繪制力線
2.7小結
第3章射線追蹤理論及其MATLAB實現
3.1從費馬原理到哈密頓原理
3.1.1泛函及其極值
3.1.2費馬原理和光線方程
3.1.3光射線的哈密頓函數和正則方程
3.1.4其他形式的哈密頓函數和正則方程
3.2色散方程及其求解
3.2.1非均勻材料的色散方程
3.2.2均勻材料的色散方程
3.2.3色散方程的特征線法分析
3.2.4媒質分界面的處理
3.3隱形衣中的射線追蹤
3.3.1隱形衣中的哈密頓函數
3.3.2球形隱形衣的射線追蹤
3.3.3柱狀隱形衣的射線追蹤
3.4人工“黑洞”中的射線追蹤
3.4.1“黑洞”中的哈密頓函數和正則方程
3.4.2MATLAB代碼
3.5龍伯透鏡、麥克斯韋魚眼透鏡和伊頓透鏡的射線追蹤實現
3.5.1透鏡中的哈密頓函數和正則方程
3.5.2龍伯透鏡的射線追蹤分析
3.5.3麥克斯韋魚眼透鏡的射線追蹤分析
3.5.4伊頓透鏡的射線追蹤分析
3.6小結
第4章PDETool在二維電磁問題中的應用
4.1電磁場定解問題的提法
4.1.1定解問題
4.1.2靜電場邊值問題
4.1.3靜磁場邊值問題
4.1.4穩恒電場邊值問題
4.1.5時變場邊值問題
4.1.6金屬柱狀波導中的邊值問題
4.1.7博格尼斯函數滿足的方程
4.2PDETool簡介
4.2.1PDETool的界面簡介
4.2.2邊界條件的設置
4.2.3方程形式的設置
4.2.4解的表示方式
4.3靜態場問題求解
4.4波動問題求解
4.5本征值問題求解
4.6利用PDETool分析二維電磁隱形衣
4.6.1靜電型隱形裝置
4.6.2靜磁型隱形裝置
4.7小結
第5章MATLAB符號工具箱及其應用
5.1MATLAB符號工具箱簡介
5.1.1基本操作命令
5.1.2表達式化簡和替換
5.1.3微積分運算
5.1.4方程求解
5.1.5特殊函數
5.1.6繪制符號函數的圖像
5.2變換電磁理論
5.3基于符號工具箱的變換電磁理論推演
5.3.1正交坐標系與直角坐標系下材料張量的轉換
5.3.2變換電磁理論的符號推演
5.3.3介電常數張量的對角化
5.4橢球坐標系的MATLAB輔助分析
5.4.1橢球坐標系中的坐標平面
5.4.2與直角坐標系的關系
5.4.3橢球坐標系中的拉梅系數和拉氏運算
5.5內部勻質化理論及其MATLAB分析
5.5.1雙層圓柱等效介電常數的分析
5.5.2雙層球結構
5.5.3雙層橢球結構的等效介電常數
5.6無限大半平面的衍射——特殊函數的應用
5.7小結
第6章電磁理論中特殊函數以及基于MATLAB的應用
6.1柱坐標系下的分離變量法與系列柱函數
6.1.1拉普拉斯方程的分離變量法
6.1.2亥姆霍茲方程的分離變量法
6.1.3用MATLAB繪制貝塞爾函數等曲線
6.1.4用MATLAB求解貝塞爾函數及其導數的根
6.1.5行波和駐波的MATLAB展示
6.1.6加載介質的開放式圓柱諧振腔及其應用
6.1.7貝塞爾波束簡介
6.2球坐標系下的分離變量法與特殊函數
6.2.1拉普拉斯的分離變量法
6.2.2軸對稱情況下勢函數的通解表達式
6.2.3亥姆霍茲方程的分離變量法
6.2.4利用MATLAB繪制勒讓德多項式的曲線
6.2.5球形諧振腔中的模式分析
6.3施圖姆拟劉維爾本征值問題與特殊函數
6.3.1施圖姆拟劉維爾本征值問題及其性質
6.3.2施圖姆拟劉維爾方程的標準化
6.3.3特殊函數本征值問題
6.4橢圓積分
6.4.1橢圓積分的相關定義
6.4.2MATLAB環境下的對應函數簡介
6.4.3橢圓積分在電磁場中的應用與MATLAB輔助計算
6.5小結
第7章電磁優化問題及MATLAB下優化工具的使用
7.1電磁理論中的優化問題
7.1.1微帶天線的優化問題
7.1.2多層吸波材料的設計問題
7.1.3全介質電磁隱形裝置的設計問題
7.2遺傳算法應用
7.2.1概念和術語
7.2.2遺傳算法運算流程
7.2.3遺傳算法的函數實現
7.3遺傳算法的圖形界面
7.3.1問題設置和結果顯示
7.3.2遺傳算法選擇項設置
7.4利用遺傳算法尋找函數的最小值
7.4.1利用圖形界面尋找Rastrigin函數的最小值
7.4.2利用腳本尋找Rastrigin函數的最小值
7.5利用遺傳算法設計多層吸波材料
7.5.1分層媒質的傳輸線表示
7.5.2單層媒質構造吸波材料
7.5.3多層吸波材料的“基因表示”
7.5.4多層吸波材料的遺傳算法設計
7.6其他優化算法及其應用
7.7小結
第8章MATLAB與人工電磁材料
8.1人工電磁材料的定義
8.2人工電磁材料的分類
8.3人工電磁材料的代表性應用
8.3.1高性能天線
8.3.2電磁隱形衣
8.3.3亞波長成像
8.3.4利用人工電磁材料產生渦旋電磁波
8.3.5相關領域的類比實驗
8.4人工電磁材料的實現方法
8.4.1利用金屬絲和分裂環諧振器實現人工電磁材料
8.4.2利用亞波長金屬貼片實現人工電磁材料
8.4.3利用石墨烯加工電磁超材料
8.4.4直流電型電磁超材料
8.4.5傳輸線型超材料
8.4.6兩種或者多種媒質混合獲得人工電磁材料
8.4.7利用全介質諧振實現人工電磁材料
8.4.8利用分層各向同性材料組合各向異性人工電磁材料
8.4.9實現人工電磁材料的其他方法
8.5二維超材料——人工電磁超表面
8.5.1廣義的斯奈爾定律
8.5.2電磁超表面的相控陣解釋
8.6媒質的頻散及其復介電常數
8.6.1洛倫茲模型
8.6.2德魯德模型
8.6.3洛倫茲拟德魯德模型
8.6.4基于MATLAB實現含模型數據擬合
8.7等效媒質的幾個解析公式
8.7.1Clausius拟Mossotti公式
8.7.2Maxwell拟Garnett公式
8.7.3Bruggeman公式
8.7.4推廣的Maxwell拟Garnett公式
8.7.5Polder拟vanSanten公式
8.7.6其他公式
8.8基于MATLAB的等效參數提取方法
8.8.1空間測量法
8.8.2波導測量法
8.8.3利用散射參數提取等效參數的MATLAB代碼
8.9小結
第9章MATLAB在天線分析中的應用
9.1天線方向圖及其繪制
9.1.1天線方向圖
9.1.2利用polar函數繪制天線二維方向圖
9.1.3利用surf函數繪制天線三維方向圖
9.2天線陣及其方向圖的繪制
9.2.1天線陣和陣因子
9.2.24元端射式天線陣的方向圖繪制
9.2.3天線陣方向圖隨各參數的變化動態
9.3電磁超表面遠區方向圖的MATLAB繪制方法
9.4AntennaToolbox的應用簡介
9.4.1AntennaToolbox中pattern函數簡介
9.4.2天線的設計與分析
9.4.3天線陣的設計與分析
9.5小結
第10章MATLAB的動畫演示及其在電磁理論中的應用
10.1動畫演示函數簡介
10.2駐波與行波
10.3電磁波的反射與透射
10.3.1垂直極化波斜入射到兩種介質界面
10.3.2平行極化波斜入射到兩種介質界面
10.3.3電磁波入射到介質——理想導體界面
10.4電磁波的極化
10.4.1線性極化波
10.4.2圓極化波
10.4.3橢圓極化波
10.5矩形波導中傳輸的電磁波
10.6諧振腔中的諧振模式
10.7小結
第11章基于MATLAB的常用電磁代碼及其應用
11.1有限差分法
11.1.1差分的基本概念
11.1.2二維靜態電磁場差分方程的導出
11.1.3二維靜態電磁場差分方程的求解
11.1.4TM模差分方程的導出
11.1.5TE模差分方程的導出
11.2矩量法
11.2.1矩量法原理
11.2.2MATLAB編程流程圖
11.2.3矩量法解決靜電場問題
11.2.4半波對稱振子天線的Pocklington方程和Hallen方程
11.3有限元法
11.3.1有限元法的基本原理
11.3.2有限元法案例求解
11.4時域有限差分法
11.4.1FDTD法基本原理
11.4.2Mur吸收邊界條件
11.4.3MATLAB程序和結果可視化
11.5小結
附錄A傅里葉變換的幾種形式及其關系
A.1傅里葉積分定理
A.2幾種不同形式的傅里葉變換
A.3傅里葉變換與“相量”
A.4兩種形式傅里葉變換的后果
附錄B近遠場轉換
附錄C編制函數對MATLAB繪制的圖形進行美化和修飾
附錄D基于幾何光學的透鏡的簡單設計
D.1偏折透鏡
D.2聚焦透鏡
D.3單曲面聚焦介質透鏡的設計理論
附錄E傅里葉變換及其MATLAB實現
附錄F拉普拉斯變換及其MATLAB實現
附錄GTM和TE電磁模式
附錄H雷達散射截面及其MATLAB計算
H.1雷達散射截面的定義
H.2二維情況下的散射寬度計算
H.3利用MATLAB計算散射寬度
附錄I球貝塞爾函數及其導數的根
附錄J科學研究中的幾種特殊繪圖形式
J.1雙y軸曲線
J.2對數坐標曲線
J.3繪制帶誤差的曲線
附錄K介電常數的Kramers拟Kronig公式
K.1線性、時不變、因果系統
K.2介電常數所滿足的K拟K關系
參考文獻 |
| 序： |
