天线设计与仿真：天线基本原理_（2）.电磁波传播基础.docxVIP

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电磁波传播基础

电磁波的基本概念

电磁波是电场和磁场在空间中的相互垂直的振荡，以波动的形式传播。电磁波的传播速度在真空中为光速，即c≈3×108米/秒。电磁波的波长λ

c

其中，波长λ是电磁波在一个完整周期内传播的距离，频率f是电磁波每秒振荡的次数。电磁波的频率范围非常广泛，从极低频到极高频，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。

电磁波的表示

电磁波通常用复数形式表示，以便于数学运算。假设一个平面电磁波在z方向传播，电场E和磁场H可以表示为：

E

H

其中，E0和H0是电场和磁场的振幅，k是波数，定义为k=2πλ，

电磁波的特性

电磁波具有以下主要特性：1.振荡性：电场和磁场在时间和空间上振荡。2.传播速度：在真空中传播速度为光速。3.波阻抗：电磁波在自由空间中的波阻抗为Z0=μ0?0≈377欧姆，其中μ0

电磁波的传播介质

电磁波在不同介质中的传播特性不同。常见的传播介质有自由空间、空气、水、金属等。介质的特性通常用相对介电常数?r和相对磁导率μr

自由空间

在自由空间中，电磁波的传播速度为光速，波阻抗为377欧姆。自由空间的相对介电常数?r=1和相对磁导率

空气

空气中的电磁波传播特性与自由空间非常接近，相对介电常数?r≈1和相对磁导率μr≈

水

水中的电磁波传播速度较慢，波阻抗较高。水的相对介电常数?r≈80（取决于温度和频率），相对磁导率μr≈

Z

金属

金属是良好的导体，电磁波在金属中的传播特性非常不同。金属中的相对介电常数?r和相对磁导率μr

电磁波的反射和折射

电磁波在不同介质的界面上会发生反射和折射。反射和折射的规律遵循斯涅尔定律和菲涅耳方程。

斯涅尔定律

斯涅尔定律描述了电磁波在不同介质界面处的折射现象：

n

其中，n1和n2分别是两种介质的折射率，θ1是入射角，

菲涅耳方程

菲涅耳方程描述了电磁波在不同介质界面处的反射和透射系数。假设电磁波从介质1传播到介质2，入射角为θ1，则反射系数R和透射系数T

R

R

T

T

其中，R∥和R⊥分别是平行极化和垂直极化的反射系数，T∥和

代码示例

下面是一个使用Python和NumPy计算菲涅耳反射和透射系数的示例代码：

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

defsnell_law(n1,n2,theta1):

计算斯涅尔定律下的折射角

:paramn1:第一种介质的折射率

:paramn2:第二种介质的折射率

:paramtheta1:入射角（弧度）

:return:折射角（弧度）

theta2=np.arcsin(n1*np.sin(theta1)/n2)

returntheta2

deffresnel_coefficients(n1,n2,theta1):

计算菲涅耳方程下的反射和透射系数

:paramn1:第一种介质的折射率

:paramn2:第二种介质的折射率

:paramtheta1:入射角（弧度）

:return:平行极化的反射系数，垂直极化的反射系数，平行极化的透射系数，垂直极化的透射系数

theta2=snell_law(n1,n2,theta1)

R_parallel=(np.tan(theta1-theta2)/np.tan(theta1+theta2))**2

R_perpendicular=(np.sin(theta1-theta2)/np.sin(theta1+theta2))**2

T_parallel=(2*np.cos(theta1)*np.tan(theta2)/(np.cos(theta1)+np.cos(theta2)))**2

T_perpendicular=(2*np.cos(theta1)/(np.cos(theta1)+np.cos(theta2)))**2

returnR_parallel,R_perpendicular,T_parallel,T_perpendicular

#参数设置

n1=1.0#第一种介质的折射率

n2=1.5#第二种介质的折射率

theta1=np.linspace(0,np.pi/2,