清华大学出版社

本书利用MATLAB开展电磁场与微波技术领域的仿真研究。全书共分11章，内容包括MATLAB在场论中的应用，利用MATLAB绘制电力线和磁力线，利用MATLAB实现各种媒质中的射线追踪，MATLAB符号工具箱及其在电磁领域中的应用，MATLAB 偏微分方程工具箱的电磁应用，MATLAB中的特殊函数，MATLAB与人工电磁材料，优化工具箱及其在电磁问题中的应用，MATLAB与天线和天线阵分析，MATLAB的动画演示，常用电磁代码及MATLAB实现。附录包含傅里叶变换的形式及其各自特点，利用MATLAB实现傅里叶变换和拉普拉斯变换，TM和TE模式，MATLAB计算雷达散射截面，近远场变换，KramersKronig关系式等。 本书通过专题形式组织内容，便于读者按需阅读。读者只要拥有《电磁场与电磁波》一书的基础知识，便可以根据自己的兴趣和爱好，自由选择章节学习。读者在使用本书的时候，如果能够打开MATLAB环境，边学习知识，边动手实践，则学习效果更佳。书中绝大多数MATLAB代码均来自科研一线，具有实用性； 所列举的例子很多是科技前沿内容，便于开展研究性学习，如电磁超表面、无线输电线圈互感计算、电磁隐形衣、电磁黑洞、涡旋电磁场、超级透镜等。书中部分内容，如绘制电力线和磁力线，射线追踪、傅里叶变换的几种形式及其区别等，独具特色，此前尚未见到全面、系统的论述。 本书适合电子信息类、电气类专业的本科生使用，尤其适合开展研究性教学的基础理论班、创新人才培养基地等使用，对于大学生科研有积极的促进作用。本书所提供的MATLAB代码，是作者长期工作在科研一线的积累，具有实用性，因此，也可以作为电磁场与微波技术、无线电物理等相关专业研究生、博士生的参考教材。

前言 电磁场与微波技术是电子信息类专业所必修的基础知识，其中涉及许多抽象的电力线、等势面和场分布等概念，具有“难教”“难学”“难考”“难用”的特点，是很多人学习路上的拦路虎。但该领域知识的应用又非常广泛！在通信领域，5G（甚至6G）通信技术的提出和逐步商业化，急需具备电磁场与微波技术的专门人才； 在国防领域，飞机隐身和雷达探测、电磁弹射技术等都涉及电磁场与微波技术的内容； 在航空、航天领域，GPS技术、深空通信、可见光通信等离不开电磁场与微波技术的知识； 在集成电路领域，包括人工智能（AI）芯片等复杂电路的设计等，其物理实现必须考虑电磁场与微波技术的知识； 就连与生活密切相关的无线输电、WiFi连接、电动汽车等也都离不开电磁场与微波技术的支撑。近代科学的发展也表明，电磁场与电磁波、微波技术的基础理论是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础。 MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级工具，它的图形功能强大，工具箱众多，易于上手，容易理解，同时，应用人群众多，学习资源丰富。很多高校都开设MATLAB课程，用于科学计算、课程设计、辅助专业课程教学等。MATLAB也是诸多科研人员开展科学研究的强大工具，在全球知名高校和企业中，获得了良好的口碑。因此，将其引入电磁场与微波技术的教学实践中，从最基本的科学运算、等势面的绘制及电磁场方程的求解等方面着手，给出MATLAB在教学和科研实践中的应用实例，并通过MATLAB实现抽象概念的可视化、繁杂计算的简单化、复杂图形的具体化、科学计算的简便化，一定能够提高学习者的感性认识和学习兴趣，提高学习效果。 本人从1995年前后接触MATLAB， 我的切身体会是： MATLAB对于电磁场与微波技术领域的教学，有着“四两拨千斤”的神奇效果； 而对于从事科研工作的人员来讲，MATLAB是必不可少的科研利器。因此，我在2018年编写的《电磁场与电磁波》一书中，刻意加入了MATLAB代码部分，用于展示电力线、求解方程组的解、展示特殊函数、描绘天线方向图等，收到了很好的效果。这种“手脑并举”开展学习的方法，也是我们一直倡导的方法。 2012年8月，我指导2009级本科生杨帆在国际著名的物理学刊物《物理评论快报》上发表论文——直流电型隐形装置， 被该杂志以封面图片形式报道，引起广泛关注。我清楚记得，当时给杨帆所在班级的全部同学都布置了绘制电力线的工作，但最终只有该同学完全实现。这也从一个侧面解释了为什么杨帆同学能够在科研领域取得如此骄人的成绩。 2013年10月，本人再次指导本科生马骞同学在《物理评论快报》上发表论文，针对拉普拉斯方程的有源隐形和伪装的实验。该项工作被BBC网站、光明日报所报道。和杨帆同学相似，马骞同学的MATLAB知识也非常扎实。 在本人后面的教学和科研过程中，还涌现出了刘玉沙、曹剑锋、王金旺、白国栋、鲁翠等若干本科生同学，他们都在电磁场和微波技术领域做出了很好的成绩。我们曾经把这些教学经验加以总结，并申请到了甘肃省教学成果二等奖，即 研究型教学在“电磁场理论”课程中的实践及示范应用； 2017年，还获得了兰州大学教学成果一等奖，即 让科研成为教与学的桥梁——以《电磁场理论》为例践行科研与教学的良性互动。我们负责建设的“电磁场与电磁波”是甘肃省精品课程，我们的教学团队也荣获甘肃省教学团队荣誉称号。 本书作者均为兰州大学一线教师，梅中磊、李月娥老师还曾当选兰州大学“我最喜爱的十大教师”，长期从事 “电磁场与电磁波”“微波技术”“数学物理方法”等的教学，同时，开展电磁场与微波技术领域的科研工作，指导相关专业的研究生，并取得了可喜的成果。2014年，我们的科研项目——基于人工电磁材料的电磁操控技术和隐形机理研究，获得甘肃省高校科技进步一等奖； 我们培养的杨帆、白国栋、鲁翠三名研究生， 他们发表的论文先后获得甘肃省优秀硕士学位论文。在指导研究生的过程中，我们也发现，不同学校培养的学生，其能力千差万别，所学的知识各不相同，要在研究生一年级阶段将电磁场与微波技术的知识打好基础，不是容易的事情。如果能够将专业知识的学习和科研工具的培训融合在一起，则一定会起到“事半功倍”的效果； 而且，通过课题组的科研项目实践来培养和训练研究生，不仅可以节约师生的时间，还有利于学生及早融入课题，提高学习效率。 经过多年的教学和科研实践，同时考虑上面所讲的背景因素，我们深感到有必要把自己的相关体会和经验融入 教材中，并展现给广大同仁，希望能给其他高校的教学提供启示； 同时，对广大科技人员学习电磁场与微波技术的专业知识，提供我们力所能及的帮助； 再加上清华大学出版社 首席策划盛东亮的撮合，我们最终有机会撰写《MATLAB电磁场与微波技术仿真》一书，并在该出版社出版。本书可供各高校学生辅助学习《电磁场与电磁波》使用，也可以作为开展虚拟电磁实验的教材使用。本书对于开设有“基础理论班”“拔尖人才培养基地”“研究性教学”等项目的学校，更具有参考价值。 本书具有以下特色： (1) 通过专题形式组织内容，便于读者按需阅读。各个章节之间的逻辑联系不强，不必顺序阅读。读者只要拥有《电磁场与电磁波》一书的基础知识，便可以根据自己的兴趣和爱好，自由选择章节学习。 (2) 电磁场与微波技术专业知识和核心MATLAB命令交叉介绍，便于学习。读者在使用本书的时候，如果能够打开MATLAB环境，边学习知识，边动手实践，则学习效果更佳。 (3) 书中绝大多数MATLAB代码均来自科研一线，具有实用性； 所列举的例子很多是科技前沿内容，便于开展研究性学习。对大多数读者来讲，仔细研读本书之后，就具备了开展电磁场和微波技术领域科学研究的基础条件。 (4) 部分内容，如绘制电力线和磁力线、射线追踪等，独具特色，此前尚未见到全面、系统的论述。 (5) 采用浸入式场景设置，让读者直面电磁场与微波技术领域的各种问题，方便自学。对于指导电磁场与微波技术领域的研究生学习和科研，可以起到事半功倍的效果。 本书由梅中磊、李月娥、马阿宁编写。梅中磊负责第2~8章和附录的编写，并协助完成了第9章电磁超表面远区方向图的实现； 李月娥编写了第10、11章，并协助完成了第9章天线阵的阵因子和方向图绘制； 马阿宁编写了第1、9章。在教材编写过程中，梅中磊负责全书的统稿和校验工作，兰州大学信息学院硕士研究生陈文琼、李辉、石泽山、赵灿星、赵银瑞、祁部雄、李怡然、张金秀、黄金城、傅艺祥、张朵等对书中的部分章节文本、绘图、公式录入提供了帮助； 文中部分材料来源于梅中磊教授指导的本科毕业论文； 兰州大学教务处对教材的编写给予了资金支持（兰州大学教材建设基金资助）。在此对他们表示衷心的感谢！ 本书中所涉及的MATLAB代码，大多数都在MATLAB R2013A上运行通过； 部分代码如MATLAB天线工具箱需要更高版本的支持。 由于受水平、时间、篇幅所限，书中难免存在一些疏漏或欠妥之处，恳请广大读者批评指正。我们将对这套图书 进行不断更新，以保持内容的先进性和适用性。欢迎全国同行以及关注电子信息领域教育及发展前景的广大有识之士对我们的工作提出宝贵意见和建议。 编者2020年2月

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