《趋肤效应和穿透深度ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《趋肤效应和穿透深度ppt课件.ppt(98页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、1 平面电磁波2 电磁波在介质面上的反射和折射3 有导体存在时电磁波的传播4 谐振腔5 波导,第四章 平面电磁波的传播,3 有导体存在时电磁波的传播,一、导体内的自由电荷分布二、导体内的电磁波三、趋肤效应和穿透深度四、电磁波在导体表面上的反射,一、导体内的自由电荷分布1、静电场中的导体上的电荷分布 导体内部处处无电荷,电荷只能分布在导体表面上。,一、导体内的自由电荷分布,一、导体内的自由电荷分布,2、导体中有稳恒电流时导体上的电荷分布 均匀导体内部处处无电荷,电荷只能分布在导体的不均匀处或表面上。3、迅变的电磁场中的导体上的电荷分布 设导体内某区域中有自由电荷分布,其体密度为,这电荷要激发电场
2、E,由麦氏方程,(3.1),(3.2),一、导体内的自由电荷分布,(3.3)式表明,在导体内凡是有正电荷存在的地方,就有电流向外流出,直到流完为止。,(3.3),一、导体内的自由电荷分布,由电荷守恒定律,(3.5),一、导体内的自由电荷分布,式中0为t=0时刻的电荷密度。上式表明,导体内的电荷密度随时间作指数规律衰减。,在数值上等于从0衰减到0/e所用的时间,,一、导体内的自由电荷分布,这样的导体可以看成良导体,(3.6)式称为良导体条件,满足良导体条件,可认为(t)=0。,(3.6),结论: 只要电磁波的频率不太高,一般金属导体都可看成良导体。不论在良导体内部存在稳恒电流还是交变电流,均匀导
3、体内部处处一定无电荷,电荷只能分布在导体的表面上。,一、导体内的自由电荷分布,二、导体内的电磁波,在导体内部,=0,J =E ,Maxwell方程转化为,(3.7),二、导体内的电磁波,对于一定频率的时谐电磁波DE,BH,,(3.8),与书上的(1.11)式比较,(1.11),二、导体内的电磁波,令,(3.8),二、导体内的电磁波,式中称为复电容率。,二、导体内的电磁波,(3.11),(3.12),方程(3.11)形式上也有平面波解,二、导体内的电磁波,(3.15),由于k是一个复矢量,因而它的分量一般为复数,设,和都是实数矢量。,(3.14),说明: (1)相位常数与衰减常数 称为相位常数,
4、把称为衰减常数。 (2)导体中的电场E是衰减的,并且按指数规律衰减,二、导体内的电磁波,(3)和满足的关系kk=(+i) (+i)k2=22+2ik2 =2=2(+i/),二、导体内的电磁波,2-2+2i=2+i2 -2 =2 =() (3.17) 设电磁波从空间入射到导体表面上,以k(0)表示空间中的波矢,k表示导体中的波矢,设入射面为xz面。,二、导体内的电磁波,由于在真空中的 为实数,因此有,(3.18),二、导体内的电磁波,即矢量垂直于金属表面。但是矢量有x分量,由(3.17)和(3.18)式即可解出z和z。因而可以确定矢量和。,二、导体内的电磁波,三、趋肤效应和穿透深度,1、垂直入射
5、的情况,和只有z分量,即它们都沿z方向,导体中的电场E为,由于,满足(3.17)式 2 -2 =2 (1) =()= () (2),三、趋肤效应和穿透深度,(3.19),三、趋肤效应和穿透深度,由于为实数,20,所以,(3.20),三、趋肤效应和穿透深度,对于良导体的情况下,(/)1,故,(3.21),三、趋肤效应和穿透深度,(1)穿透深度 波幅降到原来值的1/e的距离叫做穿透深度。,z=1/=,(3.22),三、趋肤效应和穿透深度,由此可见,穿透深度与电导率和频率的平方根成反比。 对于金属铜来说,5107西门子/米,当f =50Hz时,0.9cmf =100MHz时,0.710-7cm,(2
6、)趋肤效应 当频率比较高时,电磁场以及和它相互作用的电流仅集中于导体表面的很薄的一层内,这种现象叫做趋肤效应。,三、趋肤效应和穿透深度,垂直入射的情况,和都沿z方向,在良导体情况下,(3.23),三、趋肤效应和穿透深度,由此可见,磁场的相位比电场的相位滞后/4.从幅值关系上来看,(3.25),三、趋肤效应和穿透深度,(3.24),2、非垂直入射的情况,三、趋肤效应和穿透深度,四、电磁波在导体表面上的反射,(3.26),四、电磁波在导体表面上的反射,在真空中,四、电磁波在导体表面上的反射,E+E=E,(1),(2),四、电磁波在导体表面上的反射,(3.27),四、电磁波在导体表面上的反射,定义反
7、射系数:反射能流与入射能流之比叫做反射系数,记为R,四、电磁波在导体表面上的反射,由良导体条件,四、电磁波在导体表面上的反射,(3.28),由(3.28)式可见,导体的电导率愈大,R就越接近于1。,(3.28),四、电磁波在导体表面上的反射,(|x|1),若把金属看成是理想导体,R1例1、书上P.126例2、书上P.127,四、电磁波在导体表面上的反射,(3.28),例1、证明在良导体内,非垂直入射情形有,解:设空间中入射波矢为 ,由边值关系,得,(3.29),由 知,对于良导体,因而,由(3.29)式和(3.31)式得,(3.31),(3.30),略去 ,解(3.30)式和(3.31)式得,
8、因此,在任意入射角情形下, 垂直于表面, 接近法线方向。穿透深度 仍为,例2、计算高频下良导体的表面电阻。,解:由于趋肤效应,高频下仅在导体表面薄层内有电流通过。取 轴沿指向导体内部的法线方向,导体内电流密度为,电流只分布在表面附近厚度为 的薄层内,薄层内的电流看作面电流分布,面电流的线密度 定义为通过单位横截线的电流,即等于薄层内 对 的积分。,导体内的平均损耗功率密度为,导体表面的平均损耗功率密度为,为面电流密度的峰值。,面积为 的导体表面的平均损耗功率为,导体在高频下的电阻相当于厚度为 的薄层内的直流电阻。,4 谐振腔,一、谐振腔二、理想导体的边界条件三、矩形谐振腔,4 谐振腔,一、谐振
9、腔,频率f叫做回路的固有频率(或本征频率)。,一、谐振腔,(1)L 和C 无法再减小了;(2)当f 比较高时,电磁波向外辐射的功率与f 4成 正比,这时能量损失比较严重;(3)当f 比较高时,导线产生趋肤效应,有效截面 积减小,电阻增大,热损耗增加。,一、谐振腔,所谓谐振腔就是一个中空的盒子。它是用良导体制成的 。,二、理想导体的边界条件,矩形谐振腔由6个面组成,边值关系为,(4.1),(4.2),在理想情况下,导体内部没有电磁场。,二、理想导体的边界条件,nD = (4.7)nB =0 (4.8),(4.5),(4.6),理想导体界面边界条件可以形象地表述为:在导体表面上,电场线与界面正交,
10、磁感线与界面相切。 这是因为:在导体内 ,只有n与E平行,才能导致这一点,而H又必须与E垂直,所以电场线与界面正交,磁感应线与界面相切。,二、理想导体的边界条件,例:证明书上P.160,(4.9),二、理想导体的边界条件,即,三、矩形谐振腔,取金属壁的内表面分别为x=0和x=L1y=0和y=L2z=0和z=L3,三、矩形谐振腔,u(x,y,z)代替电场和磁场的任一直角分量,则有,(4.10),分离变量,设,u(x,y,z)=X(x)Y(y)Z(z) (4.11),(4.13),(4.12),三、矩形谐振腔,Ci(i=1,2,3), Di(i=1,2,3)为常数,,三、矩形谐振腔,若u=Ex ,
11、在 x=0面上,,三、矩形谐振腔,在y=0,z=0面上,Ex为切向分量,在y=0平面上的每一点,Ex=0。因此Y中不能含有coskyy项,即C2同理C,三、矩形谐振腔,再考虑xL1,yL2,zL3面上的边界条件,由产生驻波的条件,为使振荡最强,应使得L1为Ex半波长的整数倍,即,(4.15),三、矩形谐振腔,m,n,p分别代表沿矩形三边所含的半波长的数目。,三、矩形谐振腔,(4.16),当满足(4.16)和(4.17)式时,(4.15)式代表腔内的一种谐振波膜,或称为腔内电磁场的本征振荡,对每一组(m,n,p)的值,有两个独立的偏振波膜。,(4.17),三、矩形谐振腔,称为谐振腔的本征频率。,
12、(4.18),三、矩形谐振腔,若(m,n,p)中有两个为0,则kx,ky,kz中也相应地有两个为0,则由(4.15)知ExEyEz0,E0,三、矩形谐振腔,若L1L2L3,最低频率的谐振波模为(1,1,0),其谐振频率为,三、矩形谐振腔,三、矩形谐振腔,5 波导,一、高频电磁能量的传输二、矩形波导中的电磁波三、截止频率四、 TE10波的电磁场和管壁电流,一、高频电磁能量的传输,一、高频电磁能量的传输,二、矩形波导中的电磁波,取波导内壁面为x0,a和y0,b;z轴沿电磁波的传播方向,在一定频率下,管内电磁波是满足亥姆霍兹方程,(5.1),且满足 的解,此解在管壁上还满足边界条件(4.5),E为波
13、导中的电场,第1个式子说明,管壁上电场的切向分量为0。,二、矩形波导中的电磁波,对E(x,y)来说,可以分解为3个分量,Ex,Ey,Ez,它们都满足(5.3)式。设它们的其中一个为u,则u满足,(5.2),(5.3),二、矩形波导中的电磁波,(*),二、矩形波导中的电磁波,(5.4),二、矩形波导中的电磁波,(5.5),C1, D1, C2, D2是待定常数,当u具体表示E的某个特定分量时,考虑到边界条件(4.5)和(4.9)式,二、矩形波导中的电磁波,(5.6),(5.7),在x0的面上:,二、矩形波导中的电磁波,(4.5),(4.9),D10。,在y0的面上,C2=0,(5.8),(5.9
14、a),二、矩形波导中的电磁波,它们的相因子都是相同的,因此,二、矩形波导中的电磁波,(5.9),总共有四个面,以上是在x0,y0面上边界条件得到满足的情况。下面再考虑xa,yb的面上的边界条件,得kxa和kyb必须为的整数倍,即,二、矩形波导中的电磁波,(5.10),m 和n分别代表沿矩形两边的半波数目。,因此A1,A2和A3中只有两个是独立的,对于每一个(m,n)值,有两种独立的波模。,二、矩形波导中的电磁波,(5.11),二、矩形波导中的电磁波,二、矩形波导中的电磁波,同理这里的A1,A2,A3满足的关系可以由 得到,二、矩形波导中的电磁波,(5.11),由上式可见,对一定的(m,n),有
15、两种电磁波。如果选一种波模具有Ez=0,由(5.9)式知A30,而由(5.11)式得,二、矩形波导中的电磁波,当A3 0时,这时一定有Hz0 。反之若 Hz=0 ,即,二、矩形波导中的电磁波,(1) 电场E 和H 一个为横矢量,一个为纵矢量,即E 和H 不能同时为横波。,Hz0,Ez0的电磁波叫做横电波(TE波) Transverse electric wave Hz0, Ez0的电磁波叫做横磁波(TM波) Transverse magnetic wave(2) TE波与TM波又按(m,n)的不同,而分成TEmn和TMmn波。,二、矩形波导中的电磁波,三、截止频率,,它是由决定,而kx, ky
16、由(5.10)式决定。,(5.6),kx, ky由管的截面的尺寸,以及m,n的值来决定,若电磁波的频率降低到使,三、截止频率,(5.10),这时 0 , kz为虚数,而原来的相位因子,中的ikzz是一个负实数,电场强度Ex为,三、截止频率,即 变成衰减因子,这时电磁场虽然沿z 轴传播,但衰减的非常快,也就是无法沿z 轴传播。能够在波导中传播的最低频率 称为该波模的截止频率。,三、截止频率,若ab, 则TE10波有最低的截止频率为,(5.13),三、截止频率,由fv得,(5.14),三、截止频率,四、TE10波的电磁场和管壁电流,当 m1,n0时,对于TE波来说,Ez0,因而A30,由(5.11)式得,在A1, A2和A3中,只有A20,四、 TE10波的电磁场和管壁电流,在Hz 中有 为常数,令它等于H0,四、 TE10波的电磁场和管壁电流,四、 TE10波的电磁场和管壁电流,(5.16),四、 TE10波的电磁场和管壁电流,四、 TE10波的电磁场和管壁电流,四、 TE10波的电磁场和管壁电流,