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1、电磁场可视化实验平台的构建摘要 本设计是利用功能强大的工程计算及数值分析包MATLAB软件构建了电磁场可视化实验平台，利用MATLAB7.0为Windows提供的可视化特性，首先完成了可视化平台的硬件配置；其次在MATLAB的交互式工作环境中，基于电磁场理论，实现了电磁场的数值计算和图形可视化。从结果来看，该平台具有广泛的适用性。关键词 电磁场，可视化，实验平台，构建1 绪论科学计算可视化是将隐藏在大量数据集中的物理信息转换为有组织结构的空间几何形状、颜色、亮度等视觉信号的集合。电磁学是研究电磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科，电磁学不仅是经典物理的基本组成部分之一，具有重
2、要的历史地位与现实意义；而且与近代自然科学、技术科学的许多领域都有着密切的联系，广泛用于电力工程、电子工程、通信工程、计算机技术、医疗卫生、地质探测等多学科领域7。本课题设计方案：基于电磁学理论、数学物理方程与特殊函数、大学物理等知识，通过MATLAB软件实现电磁场可视化实验平台的构建，进行电磁场可视化的系统配置，电磁场问题的数学建模、编程，实现了电磁场与电磁波的可视化。图2.1 设计方案2 系统配置与电磁场可视化的实现2.1 可视化系统配置框图图2.2 系统配置MATLAB作为Windows下的个应用程序，其配置要求为：1）硬件环境:一般要求486以上的处理器、16MB以上内存、足够的硬盘可
3、用空间(随安装MATLAB组件的多少而定)、CDROM驱动器、鼠标等。2）软件环境:Windows 9598或以上版本的操作系统。单就MATLAB而言，其系统构成包括MATLAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统(GUI)和MATLAB应用程序接口(API)8 。2.2 电磁场与电磁场波图形可视化的实现图2.3 电磁场可视化实现的框图2.2.1 静电场的可视化静态场的基本问题是静电场和静磁场问题。相对于观测者保持静止且量值不随时间变化的电荷称为静电荷，静电荷激发的电场称为静电场。因为电荷是静止的，所以不存在电流，因而也不存在磁场4。电位和电场是电磁场与
4、电磁波当中两个最基本的概念，通过可视化可以直观的反映出这两个概念在空间当中的分布形式以及相互之间的关系。首先，建立电位的数学模型：已知空间的电位分布：，则空间的电场等于电位场的负梯度：，其中，、为等3个方向的单位向量。在MATLAB中进行程序设计和仿真，运行结果如图2.4：图2.4 电位和电场分布曲线2.2.2 恒定磁场的可视化由恒定电流或永久磁体产生的磁场不随时间变化，称为恒定磁场，也称为静磁场4。如圆线圈的半径为，通有电流，求空间任意一点的磁感应强度。用连带勒让德函数表示的磁感应强度的解析解。首先，先解矢势的方程，再求磁感应强度，得到题的解是： （2.1）在MATLAB中进行程序设计和仿真
5、，运行结果如图2.5和2.6：图2.5 用勒让德函数表示的解析解的图形图2.6 用勒让德函数表示的解析解的图形2.2.3 电磁波的辐射时变电磁场的能量可以脱离场源，以电磁波的形式在空间向远处传播而不再返回场源，这种现象称为电磁波的辐射。电子系统中辐射或接收电磁波的装置称为天线，它是无线电通信、导航、雷达、测控、遥感、射电天文、电子对抗及信息战等各种民用和国防系统必不可少的组成部分之一34。任何实际天线的辐射都具有方向性。离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布情况的数学表示式，称为天线的方向性函数；把方向性函数用图形表示出来，就是方向图34。下面分析天线阵方向图的三维图形在
6、MATLAB中进行程序设计和仿真，运行结果如图2.7：9端射阵的三维方向图( 滞后时)14元端射阵的三维方向图( 滞后时)6射阵的三维方向图4端射阵的三维方向图图2.7 天线阵方向图表示的解析解的图形2.2.4 偏微分方程的图形用户界面边长为的正六边形二维场域内无电荷分布，但六条边上的电位依次为，求场域内的电位分布。1 V-1V-1V1V1V-1V图2.8 正六边形场域的边值问题1）问题分析同轴矩形金属槽中的电位函数满足拉普拉斯方程： 其边界条件满足第一类边界条件：，。2）利用PDE GUI解答，运行结果如图2.9：图2.9 正六边形场域内的等位线和电场线分布图四个电极围成一个不规则的槽，各电
7、极的电位如图：求槽内的电位分布。图2.10 不规则槽的边值问题1）问题分析槽内的电位函数满足拉普拉斯方程：其边界条件满足第一类边界条2）利用PDE GUI解答，运行结果如图2.10：图2.11 不规则槽的等位线和电场线分布图3）结果分析MATLAB提供的图形用户界面（GUI）的偏微分方程数值求解工具主要有菜单和工具栏两部分，可以交互式地实现偏微分方程数学模型的几何模型建立、边界条件设定、三角形网剖分和加密、偏微分方程类型设置、参数给定、方程求解和结果图形显示等，可以直观、快速、准确、形象地实现偏微分方程的数值求解。2.2.5 时变场的可视化在变化的电荷、电流产生的时变电场、时变磁场中，电场和磁
8、场不再互相独立，时变电场和时变磁场互相激发，互相转化，构成了统一的时变电磁场4。平面上有一方形金属片，被平面电磁场波所照射，散射波的定解问题是 （2.2）（其中取，）利用PDE GUI解答，运行结果如图2.12：图2.12 平面散射波3 结论本设计有效地完成了电磁场可视化实验平台的构建。在满足实验平台的基本系统配置下，利用可视化平台通过电磁场分析，获得各种分析电磁场的准确数据和精确曲线，全面地分析了电磁场的各种性能，并且显示了直观的图像。给用户进一步对电磁场问题的分析理解提供了更加形象，准确的方式。参 考 文 献1 李南南，吴清，曹辉林MATLAB7简明教程北京：清华大学出版社，20062 王
9、曼珠，张喆民，崔红跃MATLAB在天线方向图中的应用与研究J气电子教学学报，2004-8，26(4)：24-273 宋铮，张建华，黄冶天线与电波传播M西安电子科技大学出版社，20034 王家礼电磁场与电磁波M西安电子科技大学出版社，20065 彭芳麟数学物理方程的MATLAB解法与可视化M清华大学出版社, 20046 何红雨电磁场数值计算法与MATLAB实现M华中科技大学出版社，20037 陈秉乾电磁学专题研究M高等教育出版社，2001 8 刘卫国，陈昭平，张颖MATLAB程序设计与应用高等教育出版，20029 美Bhag Singh Guru，Huseyin R.HizirogluM电磁场与
10、电磁波.周克定，张肃文，董天临，辜承林译.北京：机械工业出版社，200010 Law Kelton.Electromagnetics with ApplicationM北京：清华大学出版社，2001Construction of the experimental platform of the electromagnetic fields visualizationElectronic and Information Engineering, Class Two Instructor: Wu GangAbstract :This design is to use the powerful en
11、gineering computing and numerical analysis software package, MATLAB, to construct the experimental platforms construction of the electromagnetic fields visualization, for MATLAB7.0 provides Windows for the visualization features , first , completing the hardware configuration of the visualization pl
12、atform; next In MATLABs interactive working environment, based on electromagnetic field theory, realizing numerical calculation and graph visualization of the electromagnetic field. From the result, this platform has broad applicability. Key word ：Electromagnetic field，Visualization，Experimental platform，construct
