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本書利用 MATLAB開展電磁場與微波技術領域的仿真研究。全書共分11章,內容包括 MATLAB在場論中的
應用,利用 MATLAB繪制電磁場中的線和面,利用 MATLAB實現(xiàn)各種媒質中的射線追蹤,PDETool在二維電磁問
題中的應用,MATLAB符號工具箱及其在電磁領域中的應用,MATLAB 偏微分方程工具箱的電磁應用,MATLAB
中的特殊函數(shù),MATLAB與人工電磁材料,優(yōu)化工具箱及其在電磁問題中的應用,MATLAB 與天線和天線陣分析,
MATLAB 的動畫演示,常用電磁代碼及 MATLAB 實現(xiàn)。附錄包括傅里葉變換的形式及其關系,利用 MATLAB 實現(xiàn)
傅里葉變換和拉普拉斯變換,TM 和 TE模式,MATLAB 計算雷達散射截面,近遠場轉換,Kramers-Kronig公式等。
本書通過專題形式組織內容,便于讀者按需閱讀。讀者只要有《電磁場與電磁波》一書的基礎知識,便可以根據(jù)
自己的興趣和愛好,自由選擇章節(jié)學習。讀者在使用本書的時候,如果能夠打開 MATLAB環(huán)境,邊學習知識,邊動
手實踐,則學習效果更佳。書中絕大多數(shù) MATLAB代碼均來自科研一線,具有實用性;所列舉的例子很多是科技前
沿內容,如電磁超表面、無線輸電線圈互感計算、電磁隱形衣、電磁黑洞、渦旋電磁場、超級透鏡等,便于開展研究性學
習。書中部分內容,如繪制電力線和磁力線、射線追蹤、傅里葉變換的幾種形式及其區(qū)別等,獨具特色,此前尚未見到
全面、系統(tǒng)的論述。
本書適合電子信息類、電氣類專業(yè)的本科生使用,尤其適合開展研究性教學的基礎理論班、創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地等
使用,對于大學生科研有積極的促進作用。本書所提供的 MATLAB代碼,是作者長期工作在科研一線的積累,具有
實用性,因此,也可以作為電磁場與微波技術、無線電物理等相關專業(yè)研究生、博士生的參考教材。

第2版前言

距離《MATLAB電磁場與微波技術仿真》的出版大致有3個年頭了。三年以來，本書受到了電磁場與微波技術領域廣大科研工作者、研究生、本科生及其他有相關需求的讀者的廣泛關注。在此，我們對讀者的厚愛表示深深的感謝。同時，我們也深刻認識到，編寫一部好的電磁場與微波技術的教材或者參考書，對于讀者的學習，是多么重要！

三年以來，我們在教學方面又取得了新的成績：電磁場與電磁波課程榮獲國家級一流本科課程（線下）；太赫茲時域光譜檢測與成像同樣獲批國家級金課（虛擬仿真實驗）；我們負責的教學研究項目，新工科背景下電磁場與微波技術課程群建設，榮獲甘肅省教學成果一等獎。所有這些榮譽，都令我們信心滿滿，在教學的道路上繼續(xù)奮力前行。

信息技術的發(fā)展一日千里！三年以來，電磁場與微波技術領域也發(fā)生了巨大的變化，新的成果層出不窮，新的應用方興未艾。為了反映該領域的新成果，同時，也為了比較徹底地消除第1版中的錯誤，應清華大學出版社盛東亮主任的邀請，我們對本書

第1版進行了修訂。主要內容包括：

(1) 修訂了第1版中的錯誤，包括錯別字、部分程序代碼問題等，替換了文中的部分圖片。

(2) 針對近年來全息技術在人工電磁超表面中的應用，增加了計算全息的內容，包括全息技術的分類、離軸全息成像、GS算法及其實現(xiàn)、基于瑞利索末菲公式實現(xiàn)全息成像、利用快速傅里葉變換加速全息成像等。特別地，利用全息技術，實現(xiàn)了渦旋電磁波的產生和檢測等。

(3) 無線能量收集裝置的研究也是當前的研究熱點。結合整流天線的應用，利用MATLAB編程計算了常用整流二極管的輸入阻抗等重要參數(shù)，為從事相關領域研究的初學者提供了參考。

(4) 變分法是電磁領域的一個重要方法，也是有限元等數(shù)值計算方法的基礎。為了方便廣大讀者更好地學習變分法，

第2版中新增了利用符號工具箱進行變分法計算的例題和代碼。

(5) 均勻分層媒質的反射和透射計算屬于電磁領域的一個經典內容。本書第1版給出了相關的理論推導，并給出了正入射情況下的計算代碼；第2版中，我們針對斜入射的情況，提供了計算樣例，對于初學者來講是非常可貴的。

(6) 對有限差分法的內容進行了更新和補充。

我們編寫教材的初衷，在很大程度上是為了幫助初學者，使他們能夠站在前人的肩膀上，從而為

深入學習和研究打下基礎。本書的大多數(shù)內容，都是本團隊科研工作的經驗積累，很多代碼是科研中科學計算的真實代碼。

電磁理論的學習比較抽象、枯燥，通過MATLAB的圖形展示、動畫播放、手動操作等，可以有效地提升學習興趣和學習效果。

本書編排采用專題形式，方便廣大讀者結合自己的研究領域，定向學習和研究。

除有限差分法由李月娥老師編寫之外，其余新增內容都由梅中磊老師補充。馮俊朗、柳檸等同學

校對了新增內容。

當然，限于編者能力，第2版中難免仍然存在疏漏之處，懇請廣大讀者批評指正。

梅中磊

2023年12月于蘭州

第1版前言

電磁場與微波技術是電子信息類專業(yè)所必修的基礎知識，其中涉及許多抽象的電力線、等勢面和場分布等概念，具有難教難學難考難用的特點，是很多人學習路上的攔路虎。但該領域知識的應用又非常廣泛！在通信領域，5G（甚至6G）通信技術的提出和逐步商業(yè)化，急需具備電磁場與微波技術的專門人才；在國防領域，飛機隱身和雷達探測、電磁彈射技術等都涉及電磁場與微波技術的內容；在航空、航天領域，GPS技術、深空通信、可見光通信等離不開電磁場與微波技術的知識；在集成電路領域，包括人工智能（AI）芯片等復雜電路的設計等，其物理實現(xiàn)必須考慮電磁場與微波技術的知識；就連與生活密切相關的無線輸電、WiFi連接、電動汽車等也都離不開電磁場與微波技術的支撐。近代科學的發(fā)展也表明，電磁場與電磁波、微波技術的基礎理論是一些交叉學科的生長點和新興邊緣學科發(fā)展的基礎。

MATLAB是一種面向科學與工程計算的高級工具，它的圖形功能強大，工具箱眾多，易于上手，容易理解，同時，應用人群眾多，學習資源豐富。很多高校都開設MATLAB課程，用于科學計算、課程設計、輔助專業(yè)課程教學等。MATLAB也是諸多科研人員開展科學研究的強大工具，在全球知名高校和企業(yè)中，獲得了良好的口碑。因此，將其引入電磁場與微波技術的教學實踐中，從最基本的科學運算、等勢面的繪制及電磁場方程的求解等方面著手，給出MATLAB在教學和科研實踐中的應用實例，并通過MATLAB實現(xiàn)抽象概念的可視化、繁雜計算的簡單化、復雜圖形的具體化、科學計算的簡便化，一定能夠提高學習者的感性認識和學習興趣，提高學習效果。

本人從1995年前后接觸MATLAB，

我的切身體會是： MATLAB對于電磁場與微波技術領域的教學，有著四兩撥千斤的神奇效果；而對于從事科研工作的人員來講，MATLAB是必不可少的科研利器。因此，我在2018年編寫的《電磁場與電磁波》一書中，刻意加入了MATLAB代碼部分，用于展示電力線、求解方程組的解、展示特殊函數(shù)、描繪天線方向圖等，收到了很好的效果。這種手腦并舉開展學習的方法，也是我們一直倡導的方法。

2012年8月，我指導2009級本科生楊帆在國際著名的物理學刊物《物理評論快報》上發(fā)表論文直流電型隱形裝置，

被該雜志以封面圖片形式報道，引起廣泛關注。我清楚記得，當時給楊帆所在班級的全部同學都布置了繪制電力線的工作，但最終只有該同學完全實現(xiàn)。這也從一個側面解釋了為什么楊帆同學能夠在科研領域取得如此驕人的成績。

2013年10月，本人再次指導本科生馬騫同學在《物理評論快報》上發(fā)表論文，針對拉普拉斯方程的有源隱形和偽裝的實驗。該項工作被BBC網站、光明日報所報道。和楊帆同學相似，馬騫同學的MATLAB知識也非常扎實。

在本人后面的教學和科研過程中，還涌現(xiàn)出了劉玉沙、曹劍鋒、王金旺、白國棟、魯翠等若干本科生同學，他們都在電磁場和微波技術領域做出了很好的成績。我們曾經把這些教學經驗加以總結，并申請到了甘肅省教學成果二等獎，即

研究型教學在電磁場理論課程中的實踐及示范應用； 2017年，還獲得了蘭州大學教學成果一等獎，即

讓科研成為教與學的橋梁以電磁場理論為例踐行科研與教學的良性互動。我們負責建設的電磁場與電磁波是甘肅省精品課程，我們的教學團隊也榮獲甘肅省教學團隊榮譽稱號。

本書作者均為蘭州大學一線教師，梅中磊、李月娥老師還曾當選蘭州大學我最喜愛的十大教師，長期從事

電磁場與電磁波微波技術數(shù)學物理方法等的教學，同時，開展電磁場與微波技術領域的科研工作，指導相關專業(yè)的研究生，并取得了可喜的成果。2014年，我們的科研項目基于人工電磁材料的電磁操控技術和隱形機理研究，獲得甘肅省高�？萍歼M步一等獎；我們培養(yǎng)的楊帆、白國棟、魯翠三名研究生，

他們發(fā)表的論文先后獲得甘肅省優(yōu)秀碩士學位論文。在指導研究生的過程中，我們也發(fā)現(xiàn)，不同學校培養(yǎng)的學生，其能力千差萬別，所學的知識各不相同，要在研究生一年級階段將電磁場與微波技術的知識打好基礎，不是容易的事情。如果能夠將專業(yè)知識的學習和科研工具的培訓融合在一起，則一定會起到事半功倍的效果；而且，通過課題組的科研項目實踐來培養(yǎng)和訓練研究生，不僅可以節(jié)約師生的時間，還有利于學生及早融入課題，提高學習效率。

經過多年的教學和科研實踐，同時考慮上面所講的背景因素，我們深感到有必要把自己的相關體會和經驗融入

教材中，并展現(xiàn)給廣大同仁，希望能給其他高校的教學提供啟示；同時，對廣大科技人員學習電磁場與微波技術的專業(yè)知識，提供我們力所能及的幫助；再加上清華大學出版社

首席策劃盛東亮的撮合，我們最終有機會撰寫《MATLAB電磁場與微波技術仿真》一書，并在該出版社出版。本書可供各高校學生輔助學習《電磁場與電磁波》使用，也可以作為開展虛擬電磁實驗的教材使用。本書對于開設有基礎理論班拔尖人才培養(yǎng)基地研究性教學等項目的學校，更具有參考價值。

本書具有以下特色：

(1) 通過專題形式組織內容，便于讀者按需閱讀。各章節(jié)之間的邏輯聯(lián)系不強，不必順序閱讀。讀者只要有《電磁場與電磁波》一書的基礎知識，便可以根據(jù)自己的興趣和愛好，自由選擇章節(jié)學習。

(2) 電磁場與微波技術專業(yè)知識和核心MATLAB命令交叉介紹，便于學習。讀者在使用本書的時候，如果能夠打開MATLAB環(huán)境，邊學習知識，邊動手實踐，則學習效果更佳。

(3) 書中絕大多數(shù)MATLAB代碼均來自科研一線，具有實用性；所列舉的例子很多是科技前沿內容，便于開展研究性學習。對大多數(shù)讀者來講，仔細研讀本書之后，就具備了開展電磁場和微波技術領域科學研究的基礎條件。

(4) 部分內容，如繪制電力線和磁力線、射線追蹤等，獨具特色，此前尚未見到全面、系統(tǒng)的論述。

(5) 采用浸入式場景設置，讓讀者直面電磁場與微波技術領域的各種問題，方便自學。對于指導電磁場與微波技術領域的研究生學習和科研，可以起到事半功倍的效果。

本書由梅中磊、李月娥、馬阿寧編寫。梅中磊負責第2~8章和附錄的編寫，并協(xié)助完成了第9章電磁超表面遠區(qū)方向圖的實現(xiàn)；李月娥編寫了第10、11章，并協(xié)助完成了第9章天線陣的陣因子和方向圖繪制；馬阿寧編寫了第1、9章。在教材編寫過程中，梅中磊負責全書的統(tǒng)稿和校驗工作，蘭州大學信息學院碩士研究生陳文瓊、李輝、石澤山、趙燦星、趙銀瑞、祁部雄、李怡然、張金秀、黃金城、傅藝祥、張朵等對書中的部分章節(jié)文本、繪圖、公式錄入提供了幫助；文中部分材料來源于梅中磊教授指導的本科畢業(yè)論文；蘭州大學教務處對教材的編寫給予了資金支持（蘭州大學教材建設基金資助）。在此對他們表示衷心的感謝！

本書中所涉及的MATLAB代碼，大多數(shù)都在MATLAB R2013a上運行通過；部分代碼如MATLAB天線工具箱需要更高版本的支持。

由于受水平、時間、篇幅所限，書中難免存在一些疏漏或欠妥之處，懇請廣大讀者批評指正。我們將對這套圖書

進行不斷更新，以保持內容的先進性和適用性。歡迎全國同行及關注電子信息領域教育與發(fā)展前景的廣大有識之士對我們的工作提出寶貴意見和建議。

編者2020年2月

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