基于Matlab的动态电磁波可视化教学研究

吴良美,倪梁方

(安徽工业大学 电气信息学院，安徽 马鞍山 243002)



基于Matlab的动态电磁波可视化教学研究

吴良美,倪梁方

(安徽工业大学 电气信息学院，安徽 马鞍山 243002)

电磁场与电磁波是通信工程的核心专业基础课，概念抽象。可借助Matlab语言编程，采用增加动画内容，使学生对抽象的内容有具体生动的认识，加深对概念的理解和掌握。

电磁场与电磁波；Matlab；动态化；可视化；教学

电磁场与电磁波课程是工科无线电、通信工程、电子信息等专业的一门主干课程。该课程对通信和电子类的人才培养至关重要。[1]Matlab基于矩阵运算，能根据计算结果提供相应的图形和动画，从而形成逼真的可视化仿真环境。[2]教学实践表明,借助动态仿真环境能把电磁场与电磁波的抽象概念变得清晰、直观。这不仅提高了学生的学习兴趣，更加深了他们对电磁场与电磁波的规律理解和掌握，从而使教学效果大为提高。

一、基于Matlab的三维动态电磁波的可视化

for x=-3*pi:0.1:3*pi;y=sin(x);z=0*x;plot3(x,y,z,'*r') ;z=sin(x);y=0*x;plot3(x,y,z,'db'); pause(0.1);hold on; end;

其中利用Matlab的延迟等待pause函数，隔0.1秒绘制出电场和磁场的矢量端点，利用hold on语句保持当前所绘图形，从而较好地实现了三维动态电磁波的传播动画，如图1所示。

图1 均匀平面电磁波的传播瞬间

二、基于Matlab的电磁波极化的动态可视化

电磁波电场在空间的取向称为电磁波的极化，确切地说，传播方向上任意固定点处的电场矢量端点随时间变化所描绘的轨迹称为极化。[4]极化可分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化波的合成电场的大小虽随时间变化，但方向保持在一直线上，其动画制作可在二维平面内实现。圆极化波合成电场的大小不随时间改变，但方向却随时间以恒定角速度旋转；当面向电磁波传播的方向，电场矢量是顺时针方向旋转的，这种波的极化称为右旋圆极化波；反之，若电场矢量是反时针方向旋转的，则称为左旋圆极化波。左旋与右旋极化波的判定是极化教学内容中的难点，学生在学习这部分内容时仅依据概念和静态图形较难想象不同旋向极化波的传播，而借助Matlab进行动画演示可以帮助学生轻松地学习理解。椭圆极化波左旋与右旋极化的判断与圆极化波相同，其动画实现可通过修改圆极化程序中三角函数前的系数得到。

右旋圆极化的程序中循环体的具体语句如下：

for x=-4*pi:0.1:4*pi; y=-sin(x); z=cos(x); plot3(x,y,z,′*r′); line([x,x],[0,y],[0,z]); pause(0.1); hold on; end;程序运行结果如图2所示。图中，电场矢量以细线表示，电场矢量端点以星点表示，两者同时呈右螺旋状环绕传播方向前进。

图2 右旋圆极化波的传播瞬间

通过修改右旋圆极化波的程序，可以很快得到左旋圆极化波的程序，只需将右旋圆极化波的y轴坐标添加一个负号(这里负负得正)。程序运行结果如图3所示。

图3 左旋圆极化波的传播瞬间

此外，通过在循环体中加入Matlab的视频操作函数getfram以获取窗口内图像，在循环体外加入创建AVI影像函数movie2avi，可使动画程序封装为可脱离Matlab环境的独立运行文件，使用ppt等媒体播放软件可随时播放，简单方便。具体语句为：循环体内加入语句：mov(i)=getframe;循环体外加入语句：movie2avi(mov,'左旋.avi','compression','None','fps',30)。

三、结语

电磁波的传播以及电磁波的极化是电磁场与电磁波教学中的重点和难点，[5]它关系到是否能够正确理解电磁波的发射和接收、是否能顺利地进入后面的微波与天线课程学习。采用Matlab语言制作动画程序，并实现与ppt的无缝连接，直观形象地模拟和演示各种电磁现象，完成动态可视化教学。这样不仅使学生对电磁波问题本身有一个科学而清晰的了解，对电磁波问题产生浓厚的兴趣，激发他们的积极性和创造性，而且可以在此基础上进一步研究电磁场与电磁波仿真实验教学，鼓励学生自己动手用Matlab解决电磁波问题，锻炼他们使用计算机进行程序设计的能力，为本科毕业设计打下良好的基础，这也正符合以提高学生综合素质为目的的教改需要。将Matlab应用到电磁场与电磁波课程中，要求任课教师能够熟练掌握该软件，从教学实际出发，制定完整的教学计划，合理安排教学活动的进程。

[1]教育部高等学校电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会. 高等学校电子信息科学与工程类本科指导性专业规范(试行)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]张德丰. 详解MATLAB图形绘制技术[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[3]谢处方，饶克谨. 电磁场与电磁波[M].第4版. 北京：高等教育出版社，2006.

[4]郭辉萍，等. 电磁场与电磁波[M].第3版. 西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[5]孙贤明，等. 电磁波在媒质中传播的动态模拟[J].电气电子教学学报，2014，36(1)：113-114.

(责任编辑 文双全)

Research on the Visual Teaching of Dynamic Electromagnetic Wave Based on MATLAB

WU Liang-mei, Ni Liang-fang

(School of Electrical Engineering and Information, AHUT, Maanshan 243002, Anhui, China)

Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave, abstract in concept, is considered as the core of the professional basic courses for the major Communication Engineering. The course can be taught in the way to add animation to it in the application of the program made by MATLAB language in order to make students have the visual and vivid understanding of those abstract contents and the detailed understanding and mastery of those concepts.

electromagnetic field and electromagnetic wave; MATLAB; dynamic; visual; teaching

2015-07-10

2013年安徽省教育科学研究重点项目：现代信息技术与信息类课程整合的研究与实践

吴良美 (1973- ) ，女，安徽马鞍山人，安徽工业大学电气信息学院讲师，硕士。 倪梁方(1965-)，男，江苏无锡人，安徽工业大学电气信息学院教授，博士后。

G642.0

A

1671-9247(2015)06-0103-02