摘 要

针对“电磁场与电磁波”课程教学中电磁波传播的教学难点，提出利用MATLAB实现电磁波在自由空间和室内场景下电磁波的传播的仿真模拟，得到电磁波传播的路径损耗等特性参数。通过MATLAB可以实现电磁波转播的三维实时图形，可以将难理解的知识和现象生动、形象地呈现出来，便于理解理论知识，起到良好的教学效果。本文主要运用MATLAB软件模拟自由空间和室内场景下电磁波的传播，对其特性参数（传播路径、传播损耗、场强分布、功率分布等）进行仿真分析。通过仿真，可以得到自由空间场景和室内传播场景下的电波传播路径图，以及电波的功率分布图和电波在传播路径上的路径损耗图。同时，在研究室内场景下电磁波的传播特性时，本文选用了应用广泛的基于几何绕射和一致性绕射等理论的射线跟踪法来对电磁波进行跟踪研究，以得到电磁波的传播特性。

关键词：MATLAB仿真 电磁波传播 路径损耗 射线跟踪法

Abstract

In view of the teaching difficulties of electromagnetic wave propagation in the course of "electromagnetic and electromagnetic wave" course, the simulation of electromagnetic wave propagation in free space and indoor scene is simulated by using MATLAB, and the parameters of path loss of electromagnetic wave propagation are obtained. Through MATLAB, the three-dimensional real-time graphics of electromagnetic wave rebroadcast can be realized. It can vividly and vividly display the difficult knowledge and phenomena, and facilitate the understanding of the theoretical knowledge, and play a good teaching effect. In this paper, MATLAB software is used to simulate the propagation of electromagnetic wave in free space and indoor scene, and its characteristic parameters (propagation path, propagation loss, field intensity distribution, power distribution and so on) are simulated and analyzed. Through the simulation, we can get the path map of the radio wave propagation under the free space scene and the indoor propagation scene, as well as the power distribution map of the electric wave and the path loss diagram of the wave on the propagation path. At the same time, in the study of the propagation characteristics of electromagnetic waves in the indoor scene, this paper uses a wide range of ray tracing method based on the theory of geometric diffraction and uniform diffraction to trace the electromagnetic wave, in order to obtain the propagation characteristics of electromagnetic waves.

Key words: MATLAB，simulation of electromagnetic wave propagation，path loss，ray tracing method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本论文的主要工作 2

第2章 相关理论和技术 4

2.1 MATLAB软件介绍 4

2.2自由空间电磁波的传播 4

2.3室内场景下电磁波的传播 6

2.3.1室内电磁波传播机制 6

2.3.2室内电磁波传播环境 6

2.3.3室内无线传播模型 6

2.4 射线跟踪法 7

2.4.1发射射线法（SBR） 7

2.4.2镜像法（image） 8

2.5本章小结 8

第3章 电磁波传播仿真的实现与结果分析 9

3.1MATLAB在电磁学中的应用 9

3.2用MATLAB模拟自由空间中电磁波的传播 9

3.3用射线跟踪法跟踪室内场景下电磁波的传播 11

3.3.1环境建模 11

3.3.2射线跟踪 12

3.3.3反射和绕射系数的计算 12

3.3.4求交运算 13

3.3.5接收射线 13

3.4本章小结 14

第4章 总结与展望 15

4.1 论文工作总结 15

4.2 后续工作展望 15

参考文献 16

致 谢 17

第1章 绪论

1.1 课题研究背景、目的和意义

电磁场与电磁波是大学电子信息类专业的一们十分抽象的基础课程，由于其理论性强，模型十分抽象以及具有动态化等特点，这门课程成为了学生学习的难点课程。但是对于当今科技的发展来说，电磁波理论的作用是无可取代的。因此我们要用更简单易学的方法来让学生更好的学习、理解电磁场与电磁波的相关理论知识。

而MATLAB毫无疑问是最好的选择。MATLAB软件具有可视化等其他软件不具备的优势，可以将抽象难懂的电磁场与电磁波通过绘图函数生动直观的绘画出来，从而能够让学生更简单直观的了解电磁波传播的动态过程、电磁场在空间中的分布等，有助于让学生快速学习到电磁场与电磁波的重要理论。

同时，MATLAB软件除了功能强大，能够直观仿真出电磁波的传播动态过程等之外，它本身也是一门易学易懂的编程语言。相对于C、Fortran语言等，MATLAB使用起来更加简单，更加快捷。

在研究自由空间中的电磁波传播时，由于传播路径简单，没有反射、透射等，不需要选用特定的方法进行研究，通过计算即可得出电磁波传播的路径损耗等。但是在室内环境下，电波的传播虽然不受气候因素的影响，但是由于室内环境存在多种多样不同形态结构的障碍物，电磁波的传播将会发生各种反射、绕射等情况，仅凭理论计算难以得到结果。因此我们要借助在研究特定场景下电磁波传播中应用广泛的射线跟踪法，来进行射线跟踪，从而得到电磁波传播的路径图等。

射线跟踪法是一种被广泛应用的、针对特定场景的研究电磁波传播特性的计算方法，通过正向算法的射线跟踪或者通过反向算法的寻迹过程，从而找到从发射点到达接收点的所有可能传播路径，并利用集几何绕射、一致性绕射等基本理论进行计算每条射线的相位和极化等信息，再将所有路径的射线进行相干合成，从而得到接收点的场强等信息。

射线跟踪法是一种几何光学方法。基于现在移动通信系统的工作频率一般比较高，发展中的无限局域网使用的频率将更高，因为波长与大多数障碍物的尺寸相比要小得多，那么这种情况下电磁波的传播就可以通过几何光学的相关原理来近似得出，也就是可以认为电磁波是沿直线进行传播的，远场区的电磁波可视为局部平面波，因而可用射线跟踪法来进行研究。射线跟踪的基本思想是：将发射点视为点源，从发射点发出的所有射线束作为电磁波向各个方向传播的射线，然后对从发射点发出的所有射线进行跟踪，通过反射、透射或者绕射之后在接收点收到所有射线的合并。通常射线束的宽度是不可忽略的，因此跟踪时一般对其中心线进行跟踪。射线跟踪法分为发射射线法（正向方法）和镜像法（反向算法）。

1.2 国内外研究现状

电磁波传播特性的研究一直以来都是热门课题。从刚开始的最简单的基于测量数据的数学方法，到后来传播环境的复杂性，原有的传统的的数学统计模型不能准确描述电磁波的传播。虽然有很多人对传统的方法进行过相关改进，例如根据环境不同来进行分类，以对测量模型进行校正，这种方法的确能够得到更精确的结果，但由于每次研究的环境基本都是不同的，所以每一次的研究都要进行校正，应用起来十分的不方便。近年来随着科技的高速发展，目前大众认可的能够十分准确同时又比较简单的得出电磁波传播特性的方法也有很多。例如MEI、FDTD以及目前应用最多最广泛的基于几何绕射和一致性绕射理论的射线跟踪法。

不变性测试方程法(MEI)在提出的时候就已经完美的应用于二维导体柱的散射问题，而迄今为止，不变性测试方程法在各种散射，例如自由空间散射、不规则地形散射等研究中已经有了成功的应用。

时域有限差分法(FDTD)的应用范围也十分的广泛，它是直接对时域波动方程进行离散，没有任何导出过程，因此不会像其他方法一样受到数学模型的限制，相对来说比较简单易用。但是，MEI 与 FDTD 同为数值计算方法，而室内场景下电磁波传播特性的研究有时候是需要定点定位研究的，因此在研究室内场景下电磁波传播特性时，这两种方法的应用并不多。

而基于几何绕射和一致性绕射理论的射线跟踪法，从理论上就已经规避了传统方法的一些缺点，并且随着科技人员对于射线跟踪法的改进，它的分类也越来越多，在不同的时候选择不同的方法也越来越方便，例如八叉树法等。有一些国家已经开发出了基于射线跟踪法的软件，例如FASPRO、EDX Signal Pro等，这些软件在研究特定问题时应用起来会十分的快捷方便，并且这些软件的功能也开发的越来越全面。

MATLAB软件由于其简单易学、功能强大等特点，已经成为电子信息类专业学生必会的软件之一。得益于它相对于其他编程软件特有的绘图功能，MATLAB的应用领域已经十分的广泛。而在网络和通信技术这方面的应用中，MATLAB的主要应用就在于其仿真功能，通过仿真能够让我们更好的理解其他课程、课题的内容，并且能够让我们发挥自己的主动学习的积极性。同时，在MATLAB软件的帮助下，我们能够得到很多启发，能够更快的学会借助仿真技术来研究设计网络和通信系统。

1.3 本论文的主要工作

本文的主要工作是运用MATLAB软件模拟自由空间和室内场景下电磁波的传播，对其特性参数（传播路径、传播损耗、场强分布、功率分布等）进行仿真分析。通过仿真，可以得到自由空间场景和室内传播场景下的电波传播路径图，以及电波的功率分布图和电波在传播路径上的路径损耗图。