“電磁場與微波技術(shù)”可視化交互設(shè)計的虛擬仿真

鐘東洲， 張 昕， 周開利

(五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院， 廣東 江門 529020)

“電磁場與微波技術(shù)”可視化交互設(shè)計的虛擬仿真

鐘東洲， 張 昕， 周開利

(五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院， 廣東 江門 529020)

本文基于Matlab和 Visual C#混合編程，以“平面波垂直入射到三層媒質(zhì)”為例，探討了“電磁場與微波技術(shù)”課程可視化交互設(shè)計虛擬仿真平臺。利用該仿真平臺，可以使學(xué)生更容易化解知識難點，加強(qiáng)概念的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

電磁場與微波技術(shù)；可視化交互設(shè)計；教學(xué)效果

0 引言

“電磁場與微波技術(shù)”課程內(nèi)容廣泛、跨度很大、概念抽象、公式繁瑣，應(yīng)用的矢量分析與場論、特殊函數(shù)與數(shù)理方程等工程數(shù)學(xué)，計算非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)方法不易理解和掌握，給教學(xué)帶來了相當(dāng)大的困難[1-4]。

根據(jù)普通二本高校高素質(zhì)工程應(yīng)用技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)的要求，“電磁場與微波技術(shù)”課程在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)立和內(nèi)容的優(yōu)化和更新上還存在許多有待解決的問題。如何進(jìn)行直觀的可視化描述，是一個非常有意義的研究課題。

Matlab具有強(qiáng)大的工程計算能力，能對各種非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)進(jìn)行方便快捷地處理，并且可以憑借其強(qiáng)大的圖形處理功能，能把抽象的幾何空間關(guān)系直觀地描繪出來。作為面向?qū)ο蟮男滦驮O(shè)計語言C#在圖形用戶界面開發(fā)方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢。因此，本文以“電磁場與微波技術(shù)”課程中“均勻平面波對多層介質(zhì)分界平面的垂直入射”為例，采用Matlab與C#混合編程的方式，探索這種物理現(xiàn)象的可視化演示，為該課程知識難點進(jìn)行可視化教學(xué)提供一定的指導(dǎo)。

1 理論以及混合編程流程圖

如圖1所示所示的三層不同的無損耗媒質(zhì),z=0處和z=d處兩個平面相互平行。媒質(zhì)1的參數(shù)為ε1、μ1，媒質(zhì)2的參數(shù)為ε2、μ2，媒質(zhì)3的參數(shù)為ε3、μ3，因為這三層媒質(zhì)都是無損耗的，所以它們的σ都為0;媒質(zhì)1和媒質(zhì)2的分界面位于z=0位置，媒質(zhì)2的厚度為d, 并在z=d處與媒質(zhì)3交界。當(dāng)均勻平面波從媒質(zhì)1由左向右垂直入射時，在分界面z=0和z=d處都會發(fā)生反射和透射。因此，在媒質(zhì)1和媒質(zhì)2中都會存在沿+z方向傳播的入射波和沿-z方向傳播的反射波，而媒質(zhì)3中只存在沿+z 方向傳播的透射波。

圖1 均勻平面波對三層不同媒質(zhì)的垂直入射示意圖

根據(jù)“電磁場與微波技術(shù)”課程所描述的電磁邊界理論，可得到各邊界的透射和反射系數(shù)以及有效阻抗：

在z=d邊界處的反射系數(shù)

(1)

透射系數(shù)

(2)

有效阻抗

(3)

在z=0邊界處的反射系數(shù)

(4)

和透射系數(shù)

(5)

根據(jù)上述理論，利用Matlab與C#語言，對均勻平面波對三層不同媒質(zhì)的垂直入射可視化設(shè)計進(jìn)行編程，其編程流程圖如圖2所示，其中Matlab程序流程圖如圖3所示。

圖2 Matlab與C#混合 圖3 Matlab程序流程圖 編程的流程圖

2 可視化交互式仿真結(jié)果

1) 人機(jī)交互界面

圖4給出了通過混合編程開發(fā)的人機(jī)交互界面。 此視窗是可視化的前臺，是人機(jī)交互的平臺，用于接收用戶參數(shù)的輸入。μ1、ε1、μ2、ε2、μ3、ε3分別是媒質(zhì)1、媒質(zhì)2和媒質(zhì)3的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，d表示媒質(zhì)2的寬度，f表示輸入電磁波的頻率，period表示在固定區(qū)間內(nèi)取樣的點數(shù)，此參數(shù)用來控制曲線描繪的速度,但是如果在固定區(qū)間采樣點數(shù)過少，會影響圖形的質(zhì)量，所以此參數(shù)只在快速觀察數(shù)據(jù)時使用，一般取值為120左右。E1im是輸入電磁波的電場的振幅，因為電磁波的電場分量振幅和磁場分量振幅之間存在一定的依賴關(guān)系，即可根據(jù)電場振幅求磁場的振幅，所以這里不給出磁場的振幅的輸入框。

圖4 人機(jī)交互界面

2) 動態(tài)演變分析

在用戶界面輸入μ1=3、ε1=2、μ2=5、ε2=4、μ3=2、ε3=6、d=1000、f=1000000000、period=120、E1im=100, 點擊畫圖，就可以出現(xiàn)動態(tài)的三維圖形。圖 5 給出了第一個分界面(z=0)上的反射和透射波的動態(tài)演變。圖6顯示了了第二個分界面(z=d)上的反射和透射波的動態(tài)演變。

由于用來描繪圖形的參數(shù)基本都是由用戶輸入，所以在本圖形上的所有參數(shù)都是動態(tài)的，坐標(biāo)軸可以根據(jù)參數(shù)的不同而不同，參數(shù)的標(biāo)注也是動態(tài)的，但是它們在圖形上的位置是相對固定的。當(dāng)入射均勻平面波經(jīng)過兩種不同媒質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射和透射，圖中媒質(zhì)1的是反射波，媒質(zhì)2的是透射波。隨著反射波和透射波和出現(xiàn)，圖形中會分別在兩種不同的媒質(zhì)中標(biāo)注出反射系數(shù)(Γ1)和透射系數(shù)(τ1)(見圖5和圖6)。

圖5 第一個分界面(z=0)上反射和透射波

圖6 第二個界面(z=d)上反射和透射波

3 結(jié)語

針對“電磁場與微波技術(shù)”課程中不易理解和掌握的知識難點，本文以“均勻平面波對三層媒質(zhì)界面垂直入射”為例，探討了基于Matlab與C#混合編程的可視化交互式虛擬仿真平臺。通過該平臺，學(xué)生能較為直觀地觀察到當(dāng)電磁波垂直入射到三層媒質(zhì)時，在分界面上反射和透射波的動態(tài)演變。該仿真平臺的建立， 改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，提高了教學(xué)效果。

[1] 謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2] 趙春暉,廖艷蘋, 崔穎.“微波工程”系列課程建設(shè)經(jīng)驗與成效[J].北京：中國大學(xué)教學(xué)， 2013 (6)， 40-42。

[3] 趙春暉，張朝柱，趙旦峰. 微波工程系列課程的體系改革與教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008，(30)：15-18。

[4] 李九生，葉強(qiáng)，王秀敏. “電磁場理論與微波技術(shù)”課程實踐教學(xué)探索[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報. 2008，(30)：63-64。

Virtual Simulation for the Visual Interaction Design of Electromagnetic Field and Microwave Technology

ZHONG Dong-zhou, ZHANG Xin, ZHOU Kai-li

(TheSchoolofInformationEngineering,WuyiUniversity,Jiangmen529020,China)

Based on the mixed programming of Matlab and Visual C#, the virsual simulation platform for the visual interactive design of Electromagnetic Field and Microwave Technology courses is discussed in the case of plane wave vertically incident to the three layer medium. By using the simulation platform, the students can more easily translate the difficulties of knowledge and strengthen the understanding of concepts. And students′ learning interest can be further stimulated, as well as the teaching effect for the course can be further improved.

electromagnetic field and microwave technology; visual interactive design; teaching effect

2016-02-19;

2016-05-24

五邑大學(xué)2013年校級質(zhì)量工程教學(xué)改革項目(JG2013019) 和五邑大學(xué)教研室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)試點立項項目(JY2013003)

鐘東洲(1977-)，男，博士，副教授，主要從事高速光纖通信和高速光電子技術(shù)教學(xué)和研究，E-mail: dream_yu2002@126.com

TN015, TN011, TN823, TN827

A

1008-0686(2017)01-0148-03