平面电磁波知识讲座

1、平面电磁波1时变电磁场以电磁波的形式存在于时间和空间这个统一的物理世界。2研究某一具体情况下电磁波的激发和传播规律，从数学上讲就是求解在这具体条件下Maxwell equations 或 wave equations 的解。3在某些特定条件下，Maxwell equations或wave equations可以简化，从而导出简化的模型,如传输线模型、集中参数等效电路模型等等。4最简单的电磁波是平面波。等相面（波阵面）为无限大平面电磁波称为平面波。如果平面波等相面上场强的幅度均匀不变，则称为均匀平面波。5许多复杂的电磁波，如柱面波、球面波，可以分解为许多均匀平面波的叠加；反之亦然。故均匀平面波是

2、最简单最基本的电磁波模式，因此我们从均匀平面波开始电磁波的学习。磁场波动方程 2H2 二-''J§6.1波动方程f tE=J -；：t；1电场波动方程:2如果媒质导电（意味着损耗），有J -代入上面，则波动方程变为VP,:E.:t& a2如果是时谐电磁场，用场量用复矢量表示，则' 2 一 I 2E _ j J；E ，2.i；e =z2 2'、h _ j二0采用复介电常数， . 2 ,1. ； _ j _ .2=：（1_j_）= .2=：,上面也可写成OS3在线性、均匀、各向同性非导电媒质的无源区域，波动方程成为齐次方程。；：2e-:t2=04在

3、线性、均匀、各向同性、导电媒质的无源区域，波动方程成为齐次方程。2E - V Ey =0從從2=0jHH2-.tt如果是时谐电磁场，用场量用复矢量表示，并采用复介电常数，2 2 . 2 j 丁 = " ; （1j）=",上面也可写成I 2E 2；e =0'、2H Ji HI =0注意，介电常数是复数代表有损耗。5学习要求：推导，数学形式与物理意义的对应。§6.2均匀平面电磁波1波动方程的均匀平面波解真实的物理世界不存在均匀平面波，它需要无限大的理想介质和无穷大的能量。但离场源很远的局部区域的电磁波可以看成均匀平面波。2由均匀平面波的定义，我们可以设电场只与

4、同一坐标分量有关，如直角坐标系中的z坐标。3下面我们首先用 Maxwell方程证明均匀平面波电磁场的纵向分量（平行于传播方向的电 磁场分量，此时为 z分量）等于零；其次我们给出非零场分量wave方程的一般解，由一般解说明波的本质；然后导出均匀平面波的传播特性。cEcEcH4 把 0,0,L、L、l、.x:y:x:H=0, '0,代入Maxwell两个旋度方程，可得-yJ,:t.:t=0因此Ez, Hz是不随时间变化的常量，相互没有耦合，既与时变电磁场无关，又不包含信息，在时变电磁场中，可令它们为零。故均匀平面波电磁场的纵向分量（平行于传播方向的电磁场分量，此时为z分量）等于零。5现在电

5、场矢量位于 x y平面，不失一般性，可令 E =axEx，这时电场波动方程可以简 化为：2ex-:t2=0其一般解为Ex 二 f,z -vt） f2（z vt）式中v =为波速6波动的本质:令 c = z -vt场量仅仅与c有关，c的值决定场量的处于上面状态。因此c的值称为相位，上述方程称为等相位面方程。从等相位面方程看，空间坐标的变化与时间坐标的变化可以相互补偿以保持 相位或者说场量的恒定，这就是波动的本质。7电磁波传播方向的判定：利用等相位面方程判定。如果等相位面方程是 C二Z - vt，时间t增加，欲保持相位不变，z必须增加，因此等相位面是向 Z增加方向移动，也就是电磁波传播方向是Z方向

6、。8均匀平面波为横电磁波（TEM）由5可知，电磁波传播方向为 -Z和-Z方向。电场没有传播方向的分量。电磁波的传播方向通常称为纵向，如果电场和磁场没有传播方向的分量，则该电磁波称为TEM波（横电磁波）。9磁场、磁场与电场的关系、波阻抗：由Maxwell磁场旋度方程可得-Hy常:？ z-z-：Ex-t-；-vfi(Z - vt) vf2(Z vt)两边积分可得Hy 二 vfi(zvt) - f2 z vt二丄fi(zvt) - f2 z vt式中 Z =( -v)，二-二J为波阻抗。它仅仅与媒质的参数有关，也称为媒质的本征阻抗。在真空中Z二= 120377(")。10均匀平面波中电场、

7、磁场及电磁波传播方向三者之间的关系: 前面的式中包含着两个方向传播的电磁波， 磁波，则有如果只考虑向一个方向， 比如 z方向传播的电E = axEx 二axfjz - vt)- - -1H =ayHy =ay Z f1(z _vt)因此在真空中的均匀平面波，其电场方向、 满足右手螺旋关系；电场与磁场相位相等； 11电磁能量：e =1 E2 =- ；（ZH）2 =丄卜2 =2 2 2故电场能量密度与磁场能量密度相等。磁场方向及电磁波传播方向三者之间相互正交, 电场与磁场的幅度之比等于波阻抗。（如果不相等会怎样？）空间任一点电磁波的瞬时能量密度等于电场能量密度与磁场能量密度之和。 12坡印亭矢量与

8、电磁能量的传播：2 2 2-Ex - Ex - ExS = E 疋 H =(axEx)父(ayH y) =az 万=az= aj = a®v故均匀平面波电磁波能量沿传播方向以波速传播。§6.3正弦均匀平面波在无限大均匀媒质中的传播1无限大均匀媒质中的正弦均匀平面波除了具有前面均匀平面波的全部特性之外，还有一些特点：1）正弦意味着时谐电磁波，此时的波形函数f1或f2变为正弦类函数，有正弦函数就会出现频率变量 ，也可以引入场量的复数表示式；2 ）媒质既可以无耗，也可以有耗。这样就更接近实际世界。一在理想介质：2波动方程及其解场量用复数表示，无源区复数形式的波动方程为'

9、2E k2E =0与§6.2同样的假定和推理，有E = axEx和；：2Ex.:zk2Ex-022式中k =-， k为传播常数，简称为波数。上面方程的解为jkzjkz j eEx=Ex°e=Ex0e其瞬时值为E（z,t） =axEx°cos（，t kz e）（注：教科书式笔误，应与前面复数表示式规定一致）同样利用Maxwell磁场旋度方程可得 H =ayHyH (z, t) = ayH y0 cos( -t - kz e)二 ayEx0ZCOS( t - kz e )3等相位面方程、波的相速及波长。等相位面方程是t-kz=c,在时谐电磁波条件下，k为恒定量，由此可

10、得 'dt - kdz = 0。相速 Vp 为Vp与§6.2中的结论一致。但这里的方法更具有一般性。波长：在传播方向上相位差为 2二的两点之间的距离4复数坡印亭矢量二在导电媒质中5波动方程及其解场量用复数表示，无源区复数形式的波动方程为 2E k2E =0式中k2二- 2- -）。因此只要把前面的实数 k改为复数k ,解的形式不变。co6传播常数、波阻抗：k 二，.（；_ j j _ - - j:传播常数为复数意味着沿传播方向电磁波有衰减。这时称为一：相位常数，:-为衰减常数。Zej*波阻抗的相角（ :：:-）表示磁场滞后于电场。波阻抗为复数表示电场与磁场在时间上不同步。二 二 E = axEx和H = ay H y，电场、磁场的复数表示式为yoe齐Ex 二 Ex°e-jkz 二 Exoe Hy°e恥 jeEx0e电场、磁场的瞬时值为E （z,t） =axExoecos®t -Pz+札）H (z,t) =ayH y°e竺 cos®