电磁场理论 教学课件 作者 柯亨玉 chap7.pptVIP

实际空间充满了各种不同电磁特性的介质。电 磁波在不同介质中传播表现出不同的特性。人 们正是通过这些不同的特性获取介质或目标性 质性的理论依据。因此电波传播是无线通信、 遥感、目标定位和环境监测的基础。 主要内容： 理想介质空间电磁波的传播 等效波阻抗概念及其应用 波在界面上的反射、折射及其应用 有耗介质中波的传播 介质的色散和波传播的速度概念 电磁波的衍射现象及其应用 各向异性介质波的传播问题 7.1 行波、驻波与波阻抗 1 电磁波的反射、透射与行波驻波状态 在无源线性各向同性均匀介质空间中，如 果空间无界，Maxwell方程的基本解为平面 电磁波： 无界介质空间是理想模型，实际空间总是由多种不同介质组成。因此电磁波在传播过程中不可避免的要遇到各种不同形状的介质分界面。 利用在介质的分界面上电磁场满足边界条件 介质1中的电磁场为： 对于理想介质，反射系数是实数， 介质1中的Poynting矢量（即传输功率）为： 定义透射波振幅与入射波振幅之比为透射系数 2 等效波阻抗 均匀介质空间的波阻抗为电场和磁场复振幅之比， 将这一概念推广到不同介质组成的介质空间中，如 前面讨论的两均匀介质空间1的z 处，其波阻抗为： 这相当于将z右边视为一种介质空间所表现出的阻 抗，称为等效波阻抗。 基于等效阻抗概念，假想介质1空间z0处有一分界 面，根据反射系数的定义，假想界面z0处波的反 射系数为： 3 应用举例 如何克服分界面对电磁波反射而使得电磁波全部 或者大部能量透射，在实际中有广泛的应用。 Z＝0和Z＝－L界面处的反射系数分别为： 为了确保电磁波能够全部透射，反射系数应为零， 则要求： 7.2 平面波对界面的斜入射 1 介质分界面上相位匹配原则 除了垂直入射情况外，经常是均匀平面波对于界 面的斜入射情况。真实的界面是非常复杂的，但 只要界面的曲率半径远大于波长，电磁波在边界 上的行为与平面非常接近。 界面上电场切线分量连续；入射、反射和透射波相 位相等得到： ③ 平面电磁波的在介质中的运动轨迹（称为 射线）具有可逆性。 2 Fresnel公式 (1)电场与入射面垂直的情况 当入射波电场矢量与入射面垂直，应用边界条件 (2)电场与入射面平行的情况 当入射波电场矢量与入射面平行，应用边界条件 ① 垂直极化平面波入射时，反射系数的幅角保持定 值π不变；模随波的入射角的增加而增大，但变 化缓慢。 ② 平行极化平面波入射时；当 ，反射系数的 模随波的入射角的增加而减小，幅角为恒定值； 当 时，反射系数的模变为零，幅角发生突 变；当 ，反射系数的模随波的入射角的增 加增大，幅角为恒定值。 3 全反射现象与表面电磁波 对于非铁磁性介质（ ） ，根据透射角公式 表明当入射角度大于临界角时，介质2中的电磁波 为沿与介质表面垂直的衰减波；透射波磁场z分量 超前电场y 分量 的相位，沿x的负向的能流密 度为零。因此介质2的电磁波能量不沿x负向传播， 而被反射回介质1中。发生全反射时，介质2的作 用类似于电路中的电感器，在电磁波的一个周期 中的一半时间内，介质2从入射电磁波获得能量， 另一半时间内释放能量，并返回介质1。 7.3 导电介质中电波传播 1 导电介质及其电荷的分布 存在可以移动带电粒子的介质称为导电介质。在 电磁场的作用下，这些可以移动的带电粒子形成 传导电流，传导电流导致焦耳热损耗，促使导电 介质中电磁波的能量在传播过程中不断损耗。而 均匀理想介质中不存在可以移动的带电粒子，其 中也不可能存在传导电流，波在传播过程中能量 不损耗。因此导电介质中电磁波的传播更复杂。 在静电情形下，导电介质内不存在自由电荷分布。 自由电荷只分布在导体的表面。在时变化电磁场 中，导电介质中是否存在自由电荷分布呢？ 该结果表明，导电介质中自由电荷密度随时间按指 数规律衰减，与电磁波的形式和变化规律无关，只 与导电媒质本身电磁特性参数（ε，σ）有关。由 于初始时导电介质内电荷密度一般为零，因此导电 介质中不存在自由电荷。 2 导电介质中的电磁波 由于导电介质中可以存在传导电流，其密度矢量由 Ohm定律给出，于是导电介质中的麦克斯方程为： 复介电常数的实部代表位移电流对磁场的贡献率， 虚部是传导电流对磁场的贡献率。 位移电流与电场有900的相位差，它不引起电磁波能 量的耗散。传导电流与电场相位相同，它引起电磁 波能量在传播过程中的耗散。可以预言导