MATLAB電磁場(chǎng)與微波技術(shù)仿真

第1章MATLAB在場(chǎng)論中的應(yīng)用

1.1標(biāo)量函數(shù)及其可視化

1.1.1標(biāo)量的定義

1.1.2MATLAB中plot函數(shù)簡(jiǎn)介

1.1.3使用plot函數(shù)繪制一維標(biāo)量函數(shù)

1.1.4MATLAB環(huán)境下二維和三維標(biāo)量函數(shù)的可視化

1.2矢量函數(shù)及其可視化

1.2.1矢量的定義

1.2.2MATLAB中meshgrid函數(shù)簡(jiǎn)介

1.2.3MATLAB中quiver函數(shù)簡(jiǎn)介

1.2.4MATLAB中streamline函數(shù)簡(jiǎn)介

1.2.5矢量函數(shù)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g(shù)radient函數(shù)簡(jiǎn)介

1.3.3標(biāo)量函數(shù)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(shù)簡(jiǎn)介

1.4.3矢量場(chǎng)散度的可視化

1.5旋度及其可視化

1.5.1環(huán)流與旋度

1.5.2MATLAB中curl函數(shù)簡(jiǎn)介

1.5.3矢量場(chǎng)旋度的可視化

1.6拉普拉斯算子

1.6.1標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)的拉普拉斯運(yùn)算

1.6.2MATLAB中del2函數(shù)簡(jiǎn)介

1.6.3拉普拉斯矩陣的可視化

1.7小結(jié)

第2章利用MATLAB繪制電磁場(chǎng)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(biāo)量電勢(shì)函數(shù)和等勢(shì)面(線)

2.1.3電力線和磁力線方程

2.2基于quiver函數(shù)的力線繪制方法

2.2.1MATLAB中quiver函數(shù)簡(jiǎn)介

2.2.2使用quiver函數(shù)繪制電力線

2.2.3矩形波導(dǎo)中的電力線繪制

2.3基于streamline函數(shù)的力線繪制方法

2.3.1streamline函數(shù)及其應(yīng)用

2.3.2利用streamline函數(shù)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(shù)及其應(yīng)用

2.4.2利用電力線方程繪制電力線

2.5等勢(shì)面(線)繪制方法

2.5.1利用contour函數(shù)繪制二維等勢(shì)線

2.5.2利用isosurface函數(shù)繪制三維等勢(shì)面

2.5.3繪制三維等勢(shì)面的其他方法

2.6利用描點(diǎn)法繪制力線

2.7小結(jié)

第3章射線追蹤理論及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

3.1從費(fèi)馬原理到哈密頓原理

3.1.1泛函及其極值

3.1.2費(fèi)馬原理和光線方程

3.1.3光射線的哈密頓函數(shù)和正則方程

3.1.4其他形式的哈密頓函數(shù)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(zhì)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(shù)

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(shù)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(shí)現(xiàn)

3.5.1透鏡中的哈密頓函數(shù)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(jié)

第4章PDETool在二維電磁問題中的應(yīng)用

4.1電磁場(chǎng)定解問題的提法

4.1.1定解問題

4.1.2靜電場(chǎng)邊值問題

4.1.3靜磁場(chǎng)邊值問題

4.1.4穩(wěn)恒電場(chǎng)邊值問題

4.1.5時(shí)變場(chǎng)邊值問題

4.1.6金屬柱狀波導(dǎo)中的邊值問題

4.1.7博格尼斯函數(shù)滿足的方程

4.2PDETool簡(jiǎn)介

4.2.1PDETool的界面簡(jiǎn)介

4.2.2邊界條件的設(shè)置

4.2.3方程形式的設(shè)置

4.2.4解的表示方式

4.3靜態(tài)場(chǎng)問題求解

4.4波動(dòng)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(jié)

第5章MATLAB符號(hào)工具箱及其應(yīng)用

5.1MATLAB符號(hào)工具箱簡(jiǎn)介

5.1.1基本操作命令

5.1.2表達(dá)式化簡(jiǎn)和替換

5.1.3微積分運(yùn)算

5.1.4方程求解

5.1.5特殊函數(shù)

5.1.6繪制符號(hào)函數(shù)的圖像

5.2變換電磁理論

5.3基于符號(hào)工具箱的變換電磁理論推演

5.3.1正交坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系下材料張量的轉(zhuǎn)換

5.3.2變換電磁理論的符號(hào)推演

5.3.3介電常數(shù)張量的對(duì)角化

5.4橢球坐標(biāo)系的MATLAB輔助分析

5.4.1橢球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)平面

5.4.2與直角坐標(biāo)系的關(guān)系

5.4.3橢球坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù)和拉氏運(yùn)算

5.5內(nèi)部勻質(zhì)化理論及其MATLAB分析

5.5.1雙層圓柱等效介電常數(shù)的分析

5.5.2雙層球結(jié)構(gòu)

5.5.3雙層橢球結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)

5.6無限大半平面的衍射——特殊函數(shù)的應(yīng)用

5.7小結(jié)

第6章電磁理論中特殊函數(shù)以及基于MATLAB的應(yīng)用

6.1柱坐標(biāo)系下的分離變量法與系列柱函數(shù)

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(shù)等曲線

6.1.4用MATLAB求解貝塞爾函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的根

6.1.5行波和駐波的MATLAB展示

6.1.6加載介質(zhì)的開放式圓柱諧振腔及其應(yīng)用

6.1.7貝塞爾波束簡(jiǎn)介

6.2球坐標(biāo)系下的分離變量法與特殊函數(shù)

6.2.1拉普拉斯的分離變量法

6.2.2軸對(duì)稱情況下勢(shì)函數(shù)的通解表達(dá)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(xiàng)式的曲線

6.2.5球形諧振腔中的模式分析

6.3施圖姆劉維爾本征值問題與特殊函數(shù)

6.3.1施圖姆劉維爾本征值問題及其性質(zhì)

6.3.2施圖姆劉維爾方程的標(biāo)準(zhǔn)化

6.3.3特殊函數(shù)本征值問題

6.4橢圓積分

6.4.1橢圓積分的相關(guān)定義

6.4.2MATLAB環(huán)境下的對(duì)應(yīng)函數(shù)簡(jiǎn)介

6.4.3橢圓積分在電磁場(chǎng)中的應(yīng)用與MATLAB輔助計(jì)算

6.5小結(jié)

第7章電磁優(yōu)化問題及MATLAB下優(yōu)化工具的使用

7.1電磁理論中的優(yōu)化問題

7.1.1微帶天線的優(yōu)化問題

7.1.2多層吸波材料的設(shè)計(jì)問題

7.1.3全介質(zhì)電磁隱形裝置的設(shè)計(jì)問題

7.2遺傳算法應(yīng)用

7.2.1概念和術(shù)語

7.2.2遺傳算法運(yùn)算流程

7.2.3遺傳算法的函數(shù)實(shí)現(xiàn)

7.3遺傳算法的圖形界面

7.3.1問題設(shè)置和結(jié)果顯示

7.3.2遺傳算法選擇項(xiàng)設(shè)置

7.4利用遺傳算法尋找函數(shù)的最小值

7.4.1利用圖形界面尋找Rastrigin函數(shù)的最小值

7.4.2利用腳本尋找Rastrigin函數(shù)的最小值

7.5利用遺傳算法設(shè)計(jì)多層吸波材料

7.5.1分層媒質(zhì)的傳輸線表示

7.5.2單層媒質(zhì)構(gòu)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(shè)計(jì)

7.6其他優(yōu)化算法及其應(yīng)用

7.7小結(jié)

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(yīng)用

8.3.1高性能天線

8.3.2電磁隱形衣

8.3.3亞波長(zhǎng)成像

8.3.4利用人工電磁材料產(chǎn)生渦旋電磁波

8.3.5相關(guān)領(lǐng)域的類比實(shí)驗(yàn)

8.4人工電磁材料的實(shí)現(xiàn)方法

8.4.1利用金屬絲和分裂環(huán)諧振器實(shí)現(xiàn)人工電磁材料

8.4.2利用亞波長(zhǎng)金屬貼片實(shí)現(xiàn)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(zhì)混合獲得人工電磁材料

8.4.7利用全介質(zhì)諧振實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(zhì)的頻散及其復(fù)介電常數(shù)

8.6.1洛倫茲模型

8.6.2德魯?shù)履Ｐ?/p>

8.6.3洛倫茲德魯?shù)履Ｐ?/p>

8.6.4基于MATLAB實(shí)現(xiàn)含模型數(shù)據(jù)擬合

8.7等效媒質(zhì)的幾個(gè)解析公式

8.7.1ClausiusMossotti公式

8.7.2MaxwellGarnett公式

8.7.3Bruggeman公式

8.7.4推廣的MaxwellGarnett公式

8.7.5Poldervan Santen公式

8.7.6其他公式

8.8基于MATLAB的等效參數(shù)提取方法

8.8.1空間測(cè)量法

8.8.2波導(dǎo)測(cè)量法

8.8.3利用散射參數(shù)提取等效參數(shù)的MATLAB代碼

8.9小結(jié)

第9章MATLAB在天線分析中的應(yīng)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(shù)繪制天線二維方向圖

9.1.3利用surf函數(shù)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(shù)的變化動(dòng)態(tài)

9.3電磁超表面遠(yuǎn)區(qū)方向圖的MATLAB繪制方法

9.4Antenna Toolbox的應(yīng)用簡(jiǎn)介

9.4.1Antenna Toolbox中pattern函數(shù)簡(jiǎn)介

9.4.2天線的設(shè)計(jì)與分析

9.4.3天線陣的設(shè)計(jì)與分析

9.5小結(jié)

第10章MATLAB的動(dòng)畫演示及其在電磁理論中的應(yīng)用

10.1動(dòng)畫演示函數(shù)簡(jiǎn)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(zhì)界面

10.3.2平行極化波斜入射到兩種介質(zhì)界面

10.3.3電磁波入射到介質(zhì)——理想導(dǎo)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(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪?/p>

10.6諧振腔中的諧振模式

10.7小結(jié)

第11章基于MATLAB的常用電磁代碼及其應(yīng)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(tài)電磁場(chǎng)差分方程的導(dǎo)出

11.1.3二維靜態(tài)電磁場(chǎng)差分方程的求解

11.1.4TM模差分方程的導(dǎo)出

11.1.5TE模差分方程的導(dǎo)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(chǎng)問題

11.2.4半波對(duì)稱振子天線的Pocklington方程和Hallén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(shí)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(jié)果可視化

11.5小結(jié)

附錄A傅里葉變換的幾種形式及其關(guān)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(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換

附錄C編制函數(shù)對(duì)MATLAB繪制的圖形進(jìn)行美化和修飾

附錄D基于幾何光學(xué)的透鏡的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)

D.1偏折透鏡

D.2聚焦透鏡

D.3單曲面聚焦介質(zhì)透鏡的設(shè)計(jì)理論

附錄E傅里葉變換及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

附錄F拉普拉斯變換及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

附錄GTM和TE電磁模式

附錄H雷達(dá)散射截面及其MATLAB計(jì)算

H.1雷達(dá)散射截面的定義

H.2二維情況下的散射寬度計(jì)算

H.3利用MATLAB計(jì)算散射寬度

附錄I球貝塞爾函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的根

附錄J科學(xué)研究中的幾種特殊繪圖形式

J.1雙y軸曲線

J.2對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線

J.3繪制帶誤差的曲線

附錄K介電常數(shù)的KramersKronig公式

K.1線性、時(shí)不變、因果系統(tǒng)

K.2介電常數(shù)所滿足的KK關(guān)系

參考文獻(xiàn)