“电磁场与微波技术”可视化交互设计的虚拟仿真

钟东洲， 张 昕， 周开利

(五邑大学 信息工程学院， 广东 江门 529020)

“电磁场与微波技术”可视化交互设计的虚拟仿真

钟东洲， 张 昕， 周开利

(五邑大学 信息工程学院， 广东 江门 529020)

本文基于Matlab和 Visual C#混合编程，以“平面波垂直入射到三层媒质”为例，探讨了“电磁场与微波技术”课程可视化交互设计虚拟仿真平台。利用该仿真平台，可以使学生更容易化解知识难点，加强概念的理解，激发学生的学习兴趣，提高教学效果。

电磁场与微波技术；可视化交互设计；教学效果

0 引言

“电磁场与微波技术”课程内容广泛、跨度很大、概念抽象、公式繁琐，应用的矢量分析与场论、特殊函数与数理方程等工程数学，计算非常复杂，传统的教学方法不易理解和掌握，给教学带来了相当大的困难[1-4]。

根据普通二本高校高素质工程应用技术人才的培养目标的要求，“电磁场与微波技术”课程在体系结构的设立和内容的优化和更新上还存在许多有待解决的问题。如何进行直观的可视化描述，是一个非常有意义的研究课题。

Matlab具有强大的工程计算能力，能对各种非常复杂的数学推导进行方便快捷地处理，并且可以凭借其强大的图形处理功能，能把抽象的几何空间关系直观地描绘出来。作为面向对象的新型设计语言C#在图形用户界面开发方面有很强的优势。因此，本文以“电磁场与微波技术”课程中“均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射”为例，采用Matlab与C#混合编程的方式，探索这种物理现象的可视化演示，为该课程知识难点进行可视化教学提供一定的指导。

1 理论以及混合编程流程图

如图1所示所示的三层不同的无损耗媒质,z=0处和z=d处两个平面相互平行。媒质1的参数为ε1、μ1，媒质2的参数为ε2、μ2，媒质3的参数为ε3、μ3，因为这三层媒质都是无损耗的，所以它们的σ都为0;媒质1和媒质2的分界面位于z=0位置，媒质2的厚度为d, 并在z=d处与媒质3交界。当均匀平面波从媒质1由左向右垂直入射时，在分界面z=0和z=d处都会发生反射和透射。因此，在媒质1和媒质2中都会存在沿+z方向传播的入射波和沿-z方向传播的反射波，而媒质3中只存在沿+z 方向传播的透射波。

图1 均匀平面波对三层不同媒质的垂直入射示意图

根据“电磁场与微波技术”课程所描述的电磁边界理论，可得到各边界的透射和反射系数以及有效阻抗：

在z=d边界处的反射系数

(1)

透射系数

(2)

有效阻抗

(3)

在z=0边界处的反射系数

(4)

和透射系数

(5)

根据上述理论，利用Matlab与C#语言，对均匀平面波对三层不同媒质的垂直入射可视化设计进行编程，其编程流程图如图2所示，其中Matlab程序流程图如图3所示。

图2 Matlab与C#混合 图3 Matlab程序流程图 编程的流程图

2 可视化交互式仿真结果

1) 人机交互界面

图4给出了通过混合编程开发的人机交互界面。 此视窗是可视化的前台，是人机交互的平台，用于接收用户参数的输入。μ1、ε1、μ2、ε2、μ3、ε3分别是媒质1、媒质2和媒质3的磁导率和介电常数，d表示媒质2的宽度，f表示输入电磁波的频率，period表示在固定区间内取样的点数，此参数用来控制曲线描绘的速度,但是如果在固定区间采样点数过少，会影响图形的质量，所以此参数只在快速观察数据时使用，一般取值为120左右。E1im是输入电磁波的电场的振幅，因为电磁波的电场分量振幅和磁场分量振幅之间存在一定的依赖关系，即可根据电场振幅求磁场的振幅，所以这里不给出磁场的振幅的输入框。

图4 人机交互界面

2) 动态演变分析

在用户界面输入μ1=3、ε1=2、μ2=5、ε2=4、μ3=2、ε3=6、d=1000、f=1000000000、period=120、E1im=100, 点击画图，就可以出现动态的三维图形。图 5 给出了第一个分界面(z=0)上的反射和透射波的动态演变。图6显示了了第二个分界面(z=d)上的反射和透射波的动态演变。

由于用来描绘图形的参数基本都是由用户输入，所以在本图形上的所有参数都是动态的，坐标轴可以根据参数的不同而不同，参数的标注也是动态的，但是它们在图形上的位置是相对固定的。当入射均匀平面波经过两种不同媒质的分界面时，会发生反射和透射，图中媒质1的是反射波，媒质2的是透射波。随着反射波和透射波和出现，图形中会分别在两种不同的媒质中标注出反射系数(Γ1)和透射系数(τ1)(见图5和图6)。

图5 第一个分界面(z=0)上反射和透射波

图6 第二个界面(z=d)上反射和透射波

3 结语

针对“电磁场与微波技术”课程中不易理解和掌握的知识难点，本文以“均匀平面波对三层媒质界面垂直入射”为例，探讨了基于Matlab与C#混合编程的可视化交互式虚拟仿真平台。通过该平台，学生能较为直观地观察到当电磁波垂直入射到三层媒质时，在分界面上反射和透射波的动态演变。该仿真平台的建立， 改变了传统的教学模式，提高了教学效果。

[1] 谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2] 赵春晖,廖艳苹, 崔颖.“微波工程”系列课程建设经验与成效[J].北京：中国大学教学， 2013 (6)， 40-42。

[3] 赵春晖，张朝柱，赵旦峰. 微波工程系列课程的体系改革与教学内容优化[J]. 南京：电气电子教学学报，2008，(30)：15-18。

[4] 李九生，叶强，王秀敏. “电磁场理论与微波技术”课程实践教学探索[J]. 南京：电气电子教学学报. 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

五邑大学2013年校级质量工程教学改革项目(JG2013019) 和五邑大学教研室标准化建设试点立项项目(JY2013003)

钟东洲(1977-)，男，博士，副教授，主要从事高速光纤通信和高速光电子技术教学和研究，E-mail: dream_yu2002@126.com

TN015, TN011, TN823, TN827

A

1008-0686(2017)01-0148-03