天线设计与仿真：阵列天线设计_（2）.电磁波传播理论.docxVIP

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电磁波传播理论

1.电磁波的基本特性

1.1电磁波的定义和表示

电磁波是电场和磁场在空间中的振荡传播，这种振荡以波的形式在真空中或介质中传播。电磁波的传播速度在真空中为光速c≈3

时域表示：电磁波可以用时域函数表示，例如Et=E0cos2πft+?

频域表示：电磁波也可以用频域函数表示，例如Ef=E0δf?

复数表示：电磁波的复数表示形式为Et=E0e

1.2电磁波的传播速度

电磁波在不同介质中的传播速度由介质的相对介电常数?r和相对磁导率μr决定。电磁波的传播速度v

v

其中：-c是光速≈3×108m/s-?r是介质的相对介电常数

1.3电磁波的波长和频率

电磁波的波长λ和频率f之间的关系为：

λ

其中：-λ是波长-v是传播速度-f是频率

1.4电磁波的极化

电磁波的极化是指电场矢量在空间中的方向。常见的极化类型有：-线极化：电场矢量在传播方向上始终保持在一条直线上。-圆极化：电场矢量在传播方向上沿着一个圆周旋转。-椭圆极化：电场矢量在传播方向上沿着一个椭圆周旋转。

1.5电磁波的散射和吸收

电磁波在传播过程中会遇到散射和吸收现象。散射是指电磁波在介质中的不规则分布导致的传播方向改变。吸收是指介质中的原子或分子对电磁波能量的吸收，导致波的强度减弱。

2.电磁波的传播模式

2.1入射波、反射波和透射波

当电磁波从一种介质传播到另一种介质时，会发生入射、反射和透射现象。这些现象可以用以下公式描述：

入射角θi

反射角θr：反射波与界面法线的夹角，满足θ

透射角θt：透射波与界面法线的夹角，满足斯涅尔定律sin

2.2斯涅尔定律

斯涅尔定律描述了电磁波在不同介质界面的折射现象：

sin

其中：-θi是入射角-θt是透射角-n1和

2.3波的反射系数和透射系数

电磁波的反射系数R和透射系数T可以通过以下公式计算：

垂直极化（TM波）：

R

T

平行极化（TE波）：

R

T

2.4波的衰减

电磁波在传播过程中会由于介质的吸收而衰减。衰减系数α可以通过以下公式计算：

α

其中：-σ是介质的电导率-λ是波长-?是介质的介电常数-μ是介质的磁导率

3.电磁波在不同介质中的传播

3.1电磁波在自由空间中的传播

在自由空间中，电磁波的传播速度为光速c，波长λ和频率f之间的关系为：

λ

3.2电磁波在电介质中的传播

在电介质中，电磁波的传播速度v为：

v

其中，?r

3.3电磁波在导体中的传播

在导体中，电磁波的传播速度v为：

v

其中，?r是导体的相对介电常数，μr

3.4电磁波在磁介质中的传播

在磁介质中，电磁波的传播速度v为：

v

其中，μr

3.5电磁波在多层介质中的传播

电磁波在多层介质中的传播可以通过传输矩阵方法进行计算。假设电磁波从层1传播到层2，再从层2传播到层3，传输矩阵T可以表示为：

T

其中，T1、T2和T

3.6电磁波在非均匀介质中的传播

在非均匀介质中，电磁波的传播路径会受到介质参数变化的影响。非均匀介质中的波传播可以通过数值方法进行模拟，例如有限元方法（FEM）或时域有限差分法（FDTD）。

4.电磁波的散射和衍射

4.1电磁波的散射

电磁波的散射是指波在传播过程中遇到不规则介质或物体时，其传播方向发生改变。常见的散射类型有：-瑞利散射：发生在波长远大于散射体尺寸的情况。-米氏散射：发生在波长与散射体尺寸相当的情况。-几何光学散射：发生在波长远小于散射体尺寸的情况。

4.2电磁波的衍射

电磁波的衍射是指波在遇到障碍物或孔径时，其传播方向发生改变。衍射现象可以用以下公式描述：

sin

其中：-θ是衍射角-d是孔径或障碍物的尺寸-λ是波长

4.3电磁波的干涉

电磁波的干涉是指两个或多个波相遇时，其振幅和相位相互叠加，形成新的波形。干涉现象可以用以下公式描述：

E

其中：-E1和E2分别是两个波的电场强度-E0是振幅-?1和

5.电磁波的传输线理论

5.1传输线的基本概念

传输线是指用于传输电磁波的导线或导管。传输线的基本参数包括：-特性阻抗Z0：传输线的固有阻抗，单位为欧姆（Ω）。-传播常数γ：描述波在传输线中的衰减和相位变化，单位为rad/m。-波长λ

5.2传输线方程

传输线方程描述了电磁波在传输线中的传播。常用的传输线方程包括：-电压传输方程：

d

-电流传输方程：

d

其中：-Vz是电压沿传输线的分布-Iz是电流沿传输线的分布-R是单位长度电阻-L是单位