第2版前言

距離《MATLAB電磁場(chǎng)與微波技術(shù)仿真》的出版大致有3個(gè)年頭了。三年以來(lái)，本書(shū)受到了電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域廣大科研工作者、研究生、本科生及其他有相關(guān)需求的讀者的廣泛關(guān)注。在此，我們對(duì)讀者的厚愛(ài)表示深深的感謝。同時(shí)，我們也深刻認(rèn)識(shí)到，編寫(xiě)一部好的電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的教材或者參考書(shū)，對(duì)于讀者的學(xué)習(xí)，是多么重要！

三年以來(lái)，我們?cè)诮虒W(xué)方面又取得了新的成績(jī)： 電磁場(chǎng)與電磁波課程榮獲國(guó)家級(jí)一流本科課程（線下）； 太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)與成像同樣獲批國(guó)家級(jí)金課（虛擬仿真實(shí)驗(yàn)）； 我們負(fù)責(zé)的教學(xué)研究項(xiàng)目，新工科背景下電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程群建設(shè)，榮獲甘肅省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。所有這些榮譽(yù)，都令我們信心滿(mǎn)滿(mǎn)，在教學(xué)的道路上繼續(xù)奮力前行。

信息技術(shù)的發(fā)展一日千里！三年以來(lái)，電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域也發(fā)生了巨大的變化，新的成果層出不窮，新的應(yīng)用方興未艾。為了反映該領(lǐng)域的新成果，同時(shí)，也為了比較徹底地消除第1版中的錯(cuò)誤，應(yīng)清華大學(xué)出版社盛東亮主任的邀請(qǐng)，我們對(duì)本書(shū)

第1版進(jìn)行了修訂。主要內(nèi)容包括：

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

(2) 針對(duì)近年來(lái)全息技術(shù)在人工電磁超表面中的應(yīng)用，增加了計(jì)算全息的內(nèi)容，包括全息技術(shù)的分類(lèi)、離軸全息成像、G�睸算法及其實(shí)現(xiàn)、基于瑞利�菜髂┓乒�式實(shí)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了渦旋電磁波的產(chǎn)生和檢測(cè)等。

(3) 無(wú)線能量收集裝置的研究也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。結(jié)合整流天線的應(yīng)用，利用MATLAB編程計(jì)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(guān)領(lǐng)域研究的初學(xué)者提供了參考。

(4) 變分法是電磁領(lǐng)域的一個(gè)重要方法，也是有限元等數(shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)。為了方便廣大讀者更好地學(xué)習(xí)變分法，

第2版中新增了利用符號(hào)工具箱進(jìn)行變分法計(jì)算的例題和代碼。

(5) 均勻分層媒質(zhì)的反射和透射計(jì)算屬于電磁領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典內(nèi)容。本書(shū)第1版給出了相關(guān)的理論推導(dǎo)，并給出了正入射情況下的計(jì)算代碼； 第2版中，我們針對(duì)斜入射的情況，提供了計(jì)算樣例，對(duì)于初學(xué)者來(lái)講是非�？少F的。

(6) 對(duì)有限差分法的內(nèi)容進(jìn)行了更新和補(bǔ)充。

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

深入學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)。本書(shū)的大多數(shù)內(nèi)容，都是本團(tuán)隊(duì)科研工作的經(jīng)驗(yàn)積累，很多代碼是科研中科學(xué)計(jì)算的真實(shí)代碼。

電磁理論的學(xué)習(xí)比較抽象、枯燥，通過(guò)MATLAB的圖形展示、動(dòng)畫(huà)播放、手動(dòng)操作等，可以有效地提升學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

本書(shū)編排采用專(zhuān)題形式，方便廣大讀者結(jié)合自己的研究領(lǐng)域，定向?qū)W習(xí)和研究。

除有限差分法由李月娥老師編寫(xiě)之外，其余新增內(nèi)容都由梅中磊老師補(bǔ)充。馮俊朗、柳檸等同學(xué)

校對(duì)了新增內(nèi)容。

當(dāng)然，限于編者能力，第2版中難免仍然存在疏漏之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

梅中磊

2023年12月于蘭州

第1版前言

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)所必修的基礎(chǔ)知識(shí)，其中涉及許多抽象的電力線、等勢(shì)面和場(chǎng)分布等概念，具有難教難學(xué)難考難用的特點(diǎn)，是很多人學(xué)習(xí)路上的攔路虎。但該領(lǐng)域知識(shí)的應(yīng)用又非常廣泛！在通信領(lǐng)域，5G（甚至6G）通信技術(shù)的提出和逐步商業(yè)化，急需具備電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的專(zhuān)門(mén)人才； 在國(guó)防領(lǐng)域，飛機(jī)隱身和雷達(dá)探測(cè)、電磁彈射技術(shù)等都涉及電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的內(nèi)容； 在航空、航天領(lǐng)域，GPS技術(shù)、深空通信、可見(jiàn)光通信等離不開(kāi)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的知識(shí)； 在集成電路領(lǐng)域，包括人工智能（AI）芯片等復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)等，其物理實(shí)現(xiàn)必須考慮電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的知識(shí)； 就連與生活密切相關(guān)的無(wú)線輸電、WiFi連接、電動(dòng)汽車(chē)等也都離不開(kāi)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的支撐。近代科學(xué)的發(fā)展也表明，電磁場(chǎng)與電磁波、微波技術(shù)的基礎(chǔ)理論是一些交叉學(xué)科的生長(zhǎng)點(diǎn)和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)。

MATLAB是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)工具，它的圖形功能強(qiáng)大，工具箱眾多，易于上手，容易理解，同時(shí)，應(yīng)用人群眾多，學(xué)習(xí)資源豐富。很多高校都開(kāi)設(shè)MATLAB課程，用于科學(xué)計(jì)算、課程設(shè)計(jì)、輔助專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)等。MATLAB也是諸多科研人員開(kāi)展科學(xué)研究的強(qiáng)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(chǎng)與微波技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐中，從最基本的科學(xué)運(yùn)算、等勢(shì)面的繪制及電磁場(chǎng)方程的求解等方面著手，給出MATLAB在教學(xué)和科研實(shí)踐中的應(yīng)用實(shí)例，并通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)抽象概念的可視化、繁雜計(jì)算的簡(jiǎn)單化、復(fù)雜圖形的具體化、科學(xué)計(jì)算的簡(jiǎn)便化，一定能夠提高學(xué)習(xí)者的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

本人從1995年前后接觸MATLAB，

我的切身體會(huì)是： MATLAB對(duì)于電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)，有著四兩撥千斤的神奇效果； 而對(duì)于從事科研工作的人員來(lái)講，MATLAB是必不可少的科研利器。因此，我在2018年編寫(xiě)的《電磁場(chǎng)與電磁波》一書(shū)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(kāi)展學(xué)習(xí)的方法，也是我們一直倡導(dǎo)的方法。

2012年8月，我指導(dǎo)2009級(jí)本科生楊帆在國(guó)際著名的物理學(xué)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》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(bào)道，引起廣泛關(guān)注。我清楚記得，當(dāng)時(shí)給楊帆所在班級(jí)的全部同學(xué)都布置了繪制電力線的工作，但最終只有該同學(xué)完全實(shí)現(xiàn)。這也從一個(gè)側(cè)面解釋了為什么楊帆同學(xué)能夠在科研領(lǐng)域取得如此驕人的成績(jī)。

2013年10月，本人再次指導(dǎo)本科生馬騫同學(xué)在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表論文，針對(duì)拉普拉斯方程的有源隱形和偽裝的實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)工作被BBC網(wǎng)站、光明日?qǐng)?bào)所報(bào)道。和楊帆同學(xué)相似，馬騫同學(xué)的MATLAB知識(shí)也非常扎實(shí)。

在本人后面的教學(xué)和科研過(guò)程中，還涌現(xiàn)出了劉玉沙、曹劍鋒、王金旺、白國(guó)棟、魯翠等若干本科生同學(xué)，他們都在電磁場(chǎng)和微波技術(shù)領(lǐng)域做出了很好的成績(jī)。我們?cè)��?jīng)把這些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，并申請(qǐng)到了甘肅省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，即

研究型教學(xué)在電磁場(chǎng)理論課程中的實(shí)踐及示范應(yīng)用； 2017年，還獲得了蘭州大學(xué)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)，即

讓科研成為教與學(xué)的橋梁以電磁場(chǎng)理論為例踐行科研與教學(xué)的良性互動(dòng)。我們負(fù)責(zé)建設(shè)的電磁場(chǎng)與電磁波是甘肅省精品課程，我們的教學(xué)團(tuán)隊(duì)也榮獲甘肅省教學(xué)團(tuán)隊(duì)榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。

本書(shū)作者均為蘭州大學(xué)一線教師，梅中磊、李月娥老師還曾當(dāng)選蘭州大學(xué)我最喜愛(ài)的十大教師，長(zhǎng)期從事

電磁場(chǎng)與電磁波微波技術(shù)數(shù)學(xué)物理方法等的教學(xué)，同時(shí)，開(kāi)展電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域的科研工作，指導(dǎo)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究生，并取得了可喜的成果。2014年，我們的科研項(xiàng)目基于人工電磁材料的電磁操控技術(shù)和隱形機(jī)理研究，獲得甘肅省高�？萍歼M(jìn)步一等獎(jiǎng)； 我們培養(yǎng)的楊帆、白國(guó)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(xué)位論文。在指導(dǎo)研究生的過(guò)程中，我們也發(fā)現(xiàn)，不同學(xué)校培養(yǎng)的學(xué)生，其能力千差萬(wàn)別，所學(xué)的知識(shí)各不相同，要在研究生一年級(jí)階段將電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的知識(shí)打好基礎(chǔ)，不是容易的事情。如果能夠?qū)��?zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和科研工具的培訓(xùn)融合在一起，則一定會(huì)起到事半功倍的效果； 而且，通過(guò)課題組的科研項(xiàng)目實(shí)踐來(lái)培養(yǎng)和訓(xùn)練研究生，不僅可以節(jié)約師生的時(shí)間，還有利于學(xué)生及早融入課題，提高學(xué)習(xí)效率。

經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)和科研實(shí)踐，同時(shí)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(guān)體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)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(xué)提供啟示； 同時(shí)，對(duì)廣大科技人員學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提供我們力所能及的幫助； 再加上清華大學(xué)出版社

首席策劃盛東亮的撮合，我們最終有機(jī)會(huì)撰寫(xiě)《MATLAB電磁場(chǎng)與微波技術(shù)仿真》一書(shū)，并在該出版社出版。本書(shū)可供各高校學(xué)生輔助學(xué)習(xí)《電磁場(chǎng)與電磁波》使用，也可以作為開(kāi)展虛擬電磁實(shí)驗(yàn)的教材使用。本書(shū)對(duì)于開(kāi)設(shè)有基礎(chǔ)理論班拔尖人才培養(yǎng)基地研究性教學(xué)等項(xiàng)目的學(xué)校，更具有參考價(jià)值。

本書(shū)具有以下特色：

(1) 通過(guò)專(zhuān)題形式組織內(nèi)容，便于讀者按需閱讀。各章節(jié)之間的邏輯聯(lián)系不強(qiáng)，不必順序閱讀。讀者只要有《電磁場(chǎng)與電磁波》一書(shū)的基礎(chǔ)知識(shí)，便可以根據(jù)自己的興趣和愛(ài)好，自由選擇章節(jié)學(xué)習(xí)。

(2) 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和核心MATLAB命令交叉介紹，便于學(xué)習(xí)。讀者在使用本書(shū)的時(shí)候，如果能夠打開(kāi)MATLAB環(huán)境，邊學(xué)習(xí)知識(shí)，邊動(dòng)手實(shí)踐，則學(xué)習(xí)效果更佳。

(3) 書(shū)中絕大多數(shù)MATLAB代碼均來(lái)自科研一線，具有實(shí)用性； 所列舉的例子很多是科技前沿內(nèi)容，便于開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)。對(duì)大多數(shù)讀者來(lái)講，仔細(xì)研讀本書(shū)之后，就具備了開(kāi)展電磁場(chǎng)和微波技術(shù)領(lǐng)域科學(xué)研究的基礎(chǔ)條件。

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

(5) 采用浸入式場(chǎng)景設(shè)置，讓讀者直面電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域的各種問(wèn)題，方便自學(xué)。對(duì)于指導(dǎo)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)領(lǐng)域的研究生學(xué)習(xí)和科研，可以起到事半功倍的效果。

本書(shū)由梅中磊、李月娥、馬阿寧編寫(xiě)。梅中磊負(fù)責(zé)第2~8章和附錄的編寫(xiě)，并協(xié)助完成了第9章電磁超表面遠(yuǎn)區(qū)方向圖的實(shí)現(xiàn)； 李月娥編寫(xiě)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(xiě)了第1、9章。在教材編寫(xiě)過(guò)程中，梅中磊負(fù)責(zé)全書(shū)的統(tǒng)稿和校驗(yàn)工作，蘭州大學(xué)信息學(xué)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(duì)書(shū)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(lái)源于梅中磊教授指導(dǎo)的本科畢業(yè)論文； 蘭州大學(xué)教務(wù)處對(duì)教材的編寫(xiě)給予了資金支持（蘭州大學(xué)教材建設(shè)基金資助）。在此對(duì)他們表示衷心的感謝！

本書(shū)中所涉及的MATLAB代碼，大多數(shù)都在MATLAB R2013a上運(yùn)行通過(guò)； 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(shí)間、篇幅所限，書(shū)中難免存在一些疏漏或欠妥之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。我們將對(duì)這套圖書(shū)

進(jìn)行不斷更新，以保持內(nèi)容的先進(jìn)性和適用性。歡迎全國(guó)同行及關(guān)注電子信息領(lǐng)域教育與發(fā)展前景的廣大有識(shí)之士對(duì)我們的工作提出寶貴意見(jiàn)和建議。

編者2020年2月