电动力学第四章-余飞.ppt

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1、1,电磁波的传播,第四章,引言,2,本章重点：1、电磁场波动方程、亥姆霍兹方程和平面电磁波2、反射和折射定律的导出、振幅的位相关系、偏振3、导体内的电磁波特性、良导体条件、趋肤效应4、了解谐振腔和波导管中电磁波的运动形式本章难点：1、振幅的位相关系2、导体内电磁波的运动3、波导管中电磁波解的过程,引言,3,电磁波传播问题在无线电通讯、光信息处理、微波技术、雷达和激光等领域都有着重要的应用。,随时间变化的运动电荷和电流辐射电磁场，电磁场在空间互相激发，在空间以波动的形式存在，这就是电磁波。,传播问题是指：研究电磁场在空间存在一定介质和导体的情况下的波动。在真空与介质、介质与介质、介质与导体的分界

2、面上，电磁波会产生反射、折射、衍射和衰减等等，因此传播问题本质上是边值问题。,引言,4,电磁波的波段划分及其应用,名 称频率范围波长范围典型业务甚低频VLF超长波 330KHz10010km导航，声纳低频LF长波，LW 30300KHz101km导航，频标中频MF中波,MW 3003000KHz1km100mAM,海上通信高频HF短波,SW 330MHz100m10mAM,通信甚高频VHF超短波 30300MHz101mTV,FM,MC特高频UHF微波 3003000MHz10010cmTV,MC,GPS超高频SHF微波 330GHz101cmSDTV,通信,雷达极高频EHF微波 30300G

3、Hz101mm通信,雷达光频 光波 150THz3000.006m光纤通信,引言,5,中波调幅广播（AM）：550KHz1650KHz短波调幅广播（AM）：2MHz30MHz调频广播（FM）：88MHz108MHz电视频道（TV）：50MHz100MHz;170MHz220MHz 470MHz870MHz无绳电话(Cordless Phone)：50MHz;900MHz;2.4GHz 蜂窝电话(Cellular Phone)：900MHz;1.8GHz;1.9GHz卫星TV直播（SDTV）：4GHz6GHz;12GHz14GHz全球卫星定位系统（GPS）：L1=1575.42MHz L2=12

4、27.60MHz,L3=1176.45MHz光纤通信：1.55m，1.33m，0.85m ISM波段：902928MHz，2.42.4835GHz，5.7255.850GHz,引言,6,隐身飞机是怎么隐身的？,隐身大体可以分为三种：1.视觉隐身（或光学隐身）光线弯曲，透视等。2.红外隐身 红外辐射屏蔽。3.电磁隐身（或雷达隐身）外形整体设计，涂敷吸波材料，面阻抗加载等。,红外探测器看到的B-2A隐身轰炸机,引言,7,引言,8,F-117A“夜鹰”,引言,9,F-117A“夜鹰”,10,B-2隐形轰炸机,11,B-2隐形轰炸机,12,13,F22隐身战斗机,14,引言,15,美国畸形的隐形飞机-

5、“沉默之蓝”,16,1 平面电磁波,电磁波在空间传播有各种各样的形式，最简单、最基本的波型是平面电磁波。,一、电磁场波动方程,1自由空间电磁场的 基本方程,2真空中的波动方程,能否直接用到介质中？,4-1 平面电磁波,17,3介质的色散,若电磁波仅有一种频率成分,电磁波动在介质中一般频率成分不是单一的，可能含有各种成分。,4-1 平面电磁波,18,由此可知，由于 以及，而不能将真空中的波动方程简单地用 代、代 转化为介质中的波动方程。,若电磁波具有各种频率成分，则：,实际上具有各种成分的电磁波可以写为：,4-1 平面电磁波,19,4时谐波（又称定态波）及其方程,时谐波是指以单一频率 做正弦（或

6、余弦）振荡的电磁波（又称为单色波或者定态电磁波）。,这种波的空间分布与时间t无关，时间部分可以表示为，因此有以下关系成立：,4-1 平面电磁波,20,对单一频率、成立。介质中波动方程为：,（或者）,对定态波,4-1 平面电磁波,21,称为时谐波的亥姆霍兹方程（其中 称为波矢量）,同理可以导出磁感应强度满足的方程,4-1 平面电磁波,22,三、平面电磁波,1平面波解的形式,亥姆霍兹方程有多种解：平面波解，球面波解，高斯波解等等。其中最简单、最基本的形式为平面波解。,4-1 平面电磁波,23,证明上面的解满足亥姆霍兹方程：,4-1 平面电磁波,24,2平面电磁波的传播特性,（1）解为平面波,设 S

7、 为与 垂直的平面。在S 面上相位,=常数，因此在同一时刻，S 平面为等相面，而波沿 方向传播。,4-1 平面电磁波,25,（2）波长与周期,4-1 平面电磁波,26,（3）横波特性(TEM波）,（4）与 的关系,证明：,4-1 平面电磁波,27,几点说明,a)与 同相位；,c)，振幅比为波速（因为 相互垂直且）。,4-1 平面电磁波,28,（5）波形图,假定在某一时刻（），取 的实部。,4-1 平面电磁波,29,3平面电磁波的偏振特性,4-1 平面电磁波,30,4-1 平面电磁波,做为平面波解，也可以是复函数。,实部分量为：,31,（1）线偏振：，,实部分量,与 轴夹角 与 无关，因此在波动

8、过程中的大小变，而方向不变。,（2）椭圆偏振：,4-1 平面电磁波,32,两相位差为、振幅不同、振动方向垂直的振动的合成。,当 时，为圆偏振,4-1 平面电磁波,33,4平面电磁波的能量和能流,电磁能量传播方向与电磁波传播方向一致,4-1 平面电磁波,34,4-1 平面电磁波,35,例一：有一平面电磁波，其电场强度为,（1）判断电场强度的方向和波传播的方向；（2）确定频率、波长和波速；（3）若介质的磁导率 求磁场强度；（4）求在单位时间内从一个与 平面平行的单位 面积通过的电磁场能量。,4-1 平面电磁波,36,（2）,解：,4-1 平面电磁波,37,（4）：单位时间垂直通过单位横向截面的能量

9、,（3），,（与 同相位同频率，与 垂直且与 垂直，故它在 轴方向）。,4-1 平面电磁波,38,解：设两个电磁波分别为,例二、两个频率和振幅均相等的单色平面电磁波沿z轴传播，一个波沿x方向偏振，另一个波y 沿方向偏振，但其相位比前者超前，求合成波的偏振。,合成波为,4-1 平面电磁波,39,同样一个右旋圆偏振波可分解为两个相互垂直的线偏振波，且沿y轴波比x轴波相位超前。,4-1 平面电磁波,40,电磁波的极化在许多领域中获得了广泛应用。如在光学工程中利用材料对于不同极化波的传播特性设计光学偏振片。在分析化学中利用某些物质对于传播其中的电磁波具有改变极化方向的特性来实现物质结构的分析。在雷达目

10、标探测的技术中，利用目标对电磁波散射过程中改变极化的特性实现目标的识别。无线电技术中，利用天线发射和接收电磁波的极化特性，实现最佳无线电信号的发射和接收等等。,电磁波极化特性的工程应用,4-1 平面电磁波,41,例如：由于圆极化波穿过雨区时受到的吸收衰减较小，全天候雷达宜用圆极化波。,在微波设备中，有些器件的功能就是利用了电磁波的极化特性获得的，例如，铁氧体环行器及隔离器等。,在无线通信中，为了有效地接收电磁波的能量，接收天线的极化特性必须与被接收电磁波的极化特性一致。,在移动卫星通信和卫星导航定位系统中，由于卫星姿态随时变更，应该使用圆极化电磁波。,4-1 平面电磁波,42,光波也是电磁波。

11、但是光波不具有固定的极化特性，即其极化特性是随机的,因此，光波通常是无偏振的。要获得偏振光必须采取特殊方法。光学中将光波的极化称为偏振。,立体电影是利用两个相互垂直的偏振镜头从不同的角度拍摄的。因此，观众必须佩带一副左右相互垂直的偏振镜片，才能看到立体效果。,4-1 平面电磁波,43,2.电磁波在介质界面上的反射和折射,电磁波入射到介质界面上，会发生反射、折射现象(如光入射到水面、玻璃面)。反射、折射定律有两个方面的问题：（1）入射角、反射角和折射角之间的关系问题；（2）入射波、反射波和折射波振幅和相位的变化关系。反射、折射既然发生在界面上，就属于边值问题。从电磁场理论可以导出反射和折射定律，

12、也从一个侧面证明麦氏方程的正确性。,4-2电磁波的反射和折射,44,一、反射和折射定律,1电磁场的边值关系,4-2电磁波的反射和折射,45,2反射、折射定律的导出过程,（1）假设入射波为单色平面电磁波，反射、折射电磁波也为平面电磁波,4-2电磁波的反射和折射,46,（2）波矢量分量间的关系,且 和 在一个平面内,证明,4-2电磁波的反射和折射,47,4-2电磁波的反射和折射,48,4-2电磁波的反射和折射,49,（4）入射、反射、折射波矢与z轴夹角之间的关系,4-2电磁波的反射和折射,50,二、振幅和位相的关系,1 垂直入射面（平面）,4-2电磁波的反射和折射,51,4-2电磁波的反射和折射,

13、52,2 平行入射面（）,入射面，假定 与 方向相同,由边值关系得：,3 在任意方向，可以分解为,4-2电磁波的反射和折射,53,4相位关系分析,（1），从光疏煤质到光密煤质,但是 与 总是同相位。,4-2电磁波的反射和折射,54,（2），从光密煤质到光疏煤质,但是 与 总是相位相同。,4-2电磁波的反射和折射,55,（1）入射波与折射波相位相同，无相位突变；（2）入射波与反射波在一定条件下有相位突变。,对于 垂直入射情况：由于按假定方向，与 同方向，即同相位；若 与假定反向，与 反方向，即相位差，这种现象称为半波损失（在一般斜入射时，有 分量，、,与 方向不同，谈不上半波损失）。,结论：,4

14、-2电磁波的反射和折射,56,5偏振问题,这样，反射和折射波就被变为部分偏振光（各个方向上 大小不完全相同）。,（2）布儒斯特定律：若 则反射波，即反射波只有 分量；若自然光入射，则反射波为完全线偏振波。,由菲涅尔公式,4-2电磁波的反射和折射,57,6正入射（）的菲涅尔公式,4-2电磁波的反射和折射,58,三全反射,1全反射现象,折射定律,4-2电磁波的反射和折射,59,特别是当 时，折射定律的原形式将失去意义，这时一般观察不到折射波，只有反射波，因而称作全反射。实际上仍然有波透射入第二种介质，但是透射波仅仅存在于界面附近薄层中。,2全反射情况下 的表达式,4-2电磁波的反射和折射,60,全

15、反射条件为，由、得,4-2电磁波的反射和折射,61,3 折射波的特点,4-2电磁波的反射和折射,62,4全反射情况下振幅和相位关系,垂直入射时：,振幅大小相等，有相位差,平行入射时：,折射波平均能流密度,入射到界面上的能量全部被反射，因此称为全反射,4-2电磁波的反射和折射,63,媒质的波阻抗(或本征阻抗),具有阻抗的量纲，单位为欧姆()，它的值与媒质参数有关，因此它被称为媒质的波阻抗(或本征阻抗)。对于真空,对于无耗的理想介质，为实数，表现为纯电阻,补充,64,波速（相速）,谐变均匀平面电磁波的等相位面方程为,上式两端对时间求导，相速为,空间相位kz变化2所经过的距离称为波长，以表示。按此定

16、义有k=2，所以,补充,65,电磁场能量的平均值为,任一时刻电场能量密度和磁场能量密度相等，各为总电磁能量的一半。,平均坡印廷矢量,补充,66,均匀平面电磁波的能量传播速度,补充,67,电磁波的色散和群速,1、问题的提出 单频的谐变信号是不携带任何信息的；具有一定信息的信号可由一群不同频率的谐变信号组成，形成包络，包络上一点的传播速度（群速）；在色散介质中，某一频率的谐变电磁波的相速是与频率有关的；群速与相速的关系。,补充,68,假定色散媒质中同时存在着两个电场强度方向相同、振幅相同、频率不同，向z方向传播的线极化谐变平面波，它们的角频率和相位常数分别为,2、群速,且有,补充,69,电场强度表

17、达式为,合成电磁波的场强表达式为,补充,70,下图表示了某一时刻的波形图，由图知：,描述了包络线,描述了包络线内快速震荡变化的曲线,补充,71,当 0 时，上式可写为,群速 的定义：包络波上某一恒定相位点推进的速度，即,补充,72,3、群速与相速的关系,由于在色散介质中，电磁波的相速与频率有关，有必要研究群速与相速的关系,补充,73,(1)，则vg vp，这类色散称为非正常色散。,补充,74,反射系数折射系数,反射系数与透射系数,反射系数R定义为反射波与入射波平均法向能流之比；透射系数T定义为折射波与入射波平均法向能流之比；,无损耗时反射系数和透射系数的关系为,补充,75,例、为了保护天线，在

18、天线的外面用一理想介质材料制作一天线罩。天线辐射的电磁波频率为4 GHz，近似地看作均匀平面电磁波，此电磁波垂直入射到天线罩理想介质板上。天线罩的电磁参数为r=2.25,r=1，求天线罩理想介质板厚度为多少时介质板上无反射。,解：,理想介质板中的电磁波波长,天线罩两侧为空气，故天线罩的最小厚度应为,补充,76,3 有导体存在时电磁波的传播,引言（1）真空或介质中电磁波传播可视为无能量损耗，电磁波无衰减；（2）电磁波遇到导体，导体内自由电子在电场的作用下运动，形成电流，电流产生焦耳热，使电磁波的能量不断损耗，因此在导体内部电磁波是一种衰减波；（3）在导体中，交变电磁场与自由电子运动相互作用，使导

19、体中电磁波传播不同于真空或介质中电磁波的传播形式。,4-3有导体时电磁波的传播,77,一导体内的自由电荷分布,在变化电磁场中，导体不再处于静电平衡状态，必然有体电荷分布，分布随时间变化形成电流，产生附加变化电磁场，形成导体内总电磁场分布，又影响。,1静电场中导体上的电荷分布,静电平衡时，电荷仅分布在表面上，导体内部无电荷，且电场强度垂直导体表面。,2变化场情况下的电荷分布,本节仅讨论均匀导体。,4-3有导体时电磁波的传播,78,为特征时间或驰豫时间，表示 减小到 所需时间。,3良导体条件,4-3有导体时电磁波的传播,79,二导体内的电磁波,1基本方程（导体内部）,良导体中电流也在表面薄层内分布

20、，一般仍用体电流分布来解决问题。注意：用了体电流分布，面电流必须视为零。在特殊情况下采用面电流分布时，就不能再考虑体电流分布。,4-3有导体时电磁波的传播,80,2导体中的平面波解,（1）引入复介电场数,实部为位移电流的贡献；虚部为传导电流的贡献，引起能耗（耗散功率）。因此，定态波方程组与介质中定态波方程组形式上完全一样。,（2）直接写出亥姆霍兹方程,（3）平面波解仍可写作,4-3有导体时电磁波的传播,81,3、的意义及表示式,（1）平面电磁波解改写为：,（2）、与 间的关系式,4-3有导体时电磁波的传播,82,（即 分界面指向导体内部，波沿 方向衰减）,（3）平面波从介质入射到导体表面,4-

21、3有导体时电磁波的传播,83,由,解出：,4-3有导体时电磁波的传播,84,，相速为。,对良导体情况：，、几乎同方向。,4-3有导体时电磁波的传播,85,与 均沿z轴正方向；介质中，所以,良导体情况下：（）。,对正入射：，,4-3有导体时电磁波的传播,86,三穿透深度和趋肤效应,在导体中的平面波为（在 情况下）,4-3有导体时电磁波的传播,87,2趋肤效应：对于良导体，当电磁波频率为交变频率时，电磁场及交频电流集中在导体表面薄层。例如，当 兆赫，铜,3导体内磁场与电场的关系,对良导体,4-3有导体时电磁波的传播,88,且，因此，电场与磁场有 的相位差。,振幅比：则有；,在真空或介质中，两者比较

22、可见导体中磁场比真空或介质中磁场重要的多，金属中电磁能主要是磁场能量。,4-3有导体时电磁波的传播,89,四导体表面上的反射,真空正入射，,反射系数为,4-3有导体时电磁波的传播,90,TEM波：电场和磁场在垂直传播方向上振动的电磁波。平面电磁波在无界空间中传播时就是典型的TEM波。,一有界空间中的电磁波,1无界空间中横电磁波（TEM波）,2有界空间中的电磁波边值问题,金属一般为良导体，电磁波几乎全部被反射。因此，若空间中的良导体构成电磁波存在的边界，特别是若电磁波在中空的金属管中传播，金属边界制约管内电磁波的存在形式。在这种情况下，亥姆霍兹方程的解不再是平面波解。,4-4 谐振腔,91,二理

23、想导体边界条件,讨论 的理想导体(一般金属接近理想导体)。假定它的穿透深度（）。,1一般边值关系,（由于边界为理想导体，故认为导体内，因此只有面电流分布）设 为导体的电磁场量，为真空或绝缘介质中的电磁场量，。,4-4 谐振腔,92,2理想导体内部,，用 代替,则在界面上：,4-4 谐振腔,93,定态波,3理想导体为边界的边值问题,4-4 谐振腔,94,三谐振腔,低频电磁波可采用 回路振荡器产生，频率越高，辐射损耗越大，焦耳热损耗越大（因为，越小，电容电感不能集中分布电场和磁场，只能向外辐射；又因趋肤效应，使电磁能量大量损耗）。,用来产生高频振荡电磁波的一种装置由几个金属板或反射镜（光学）构成，

24、称为谐振腔。,4-4 谐振腔,95,（1）由6个金属壁构成的空腔,6 个面在直角坐标中表示为,（2）设 为腔内 的任意一个直角分量,每个分量都满足,1矩形谐振腔的驻波解,4-4 谐振腔,96,（3）分离变量法求解,4-4 谐振腔,97,2边界条件确定常数,（1）考虑,对，,假定,4-4 谐振腔,98,（2）考虑,4-4 谐振腔,99,3谐振波型,（1）电场强度,两个独立常数由激励谐振的信号强度来确定,（2）谐振频率（本征频率）：,4-4 谐振腔,100,（3）讨论,l 给定一组，解代表一种谐振波型（在腔内可能存在多种谐振波型的迭加）；只有当激励信号频率 时，谐振腔才处于谐振态。,l 中不能有两

25、个为零,若 则,对每一组 值，有两个独立的偏振波型（这是因为对于确定的 可分解到任意两个方向。,4-4 谐振腔,101,设，则最低谐振频率为,l 最低频率的谐振波型,（1，1，0）型,但在一般情况下，,4-4 谐振腔,102,1低频电路情况,虽然能量在场中传播，但在低频时，场在线路中的作用可由一些参数（电压、电流、电阻和电容等）表示出来，不必直接研究场的分布，用电路方程即可解决。对于低频电力系统一般用双线传输或采用同轴线传输。同轴线传输是为了避免电磁波向外辐射的损耗及周围环境的干扰，但是频率变高时，内线半径小，电阻大，焦耳热损耗严重，趋肤效应也严重。,一高频电磁波能量的传输,4-5 波导管,1

26、03,高频情况场的波动性明显，电容、电感等概念一般不再适用，线路中电流也具有波动性，电压概念不再适用于高频情况，电路方程求解一般不适用。在有线通讯中，高频电磁波若用双线或同轴线传输，能量因热损耗损失严重。在高频情况常常用一根空心金属管（波导管）传输电磁波，多用于微波范围。,2高频情况,4-5 波导管,104,二矩形波导中的电磁波,1矩形波导管,让电磁波沿 轴传播,2解的形式,四个壁构成的金属管，四个面为,4-5 波导管,105,其中 满足亥姆霍兹方程,令 代表电场强读任意一个直角坐标分量，它也必然满足上述方程。令：则有,4-5 波导管,106,3边界条件定常数,特解为：,4-5 波导管,107,与谐振腔讨论相似,4-5 波导管,108,其余两个常数 由激发源功率确定。,（1）当 为横波（横电波，即 TE 波）由上式得出，所以、不能同 时为横波；,4 的解由 确定,不能同时为零,4-5 波导管,109,（2）当 为横波，横磁波（TM波）,三截止频率,波数，由激发频率 确定；，由 确定；,对于给定的，有可能使 为复数，变为实数，称为衰减因子；电磁波不再沿 方向传播，而是沿 方向振幅不断衰减的振荡。,（3）不同的，有不同的TE 和TM（）,4-5 波导管,110,要使管中有波传播，必须使,一般把波长 的波，称为超短波，即微波。,截止频率为：,4-5 波导管,