中南大学电磁场及电磁波课件 ch6

1、2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院12022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院2边界条件边界条件入射波（已知）反射波（未知）入射波（已知）反射波（未知） 透射波（未知）透射波（未知） 现象现象：电磁波入射到不同媒质电磁波入射到不同媒质 分界面上时，一部分波分界面上时，一部分波 被分界面反射，一部分被分界面反射，一部分 波透过分界波透过分界 面面。均匀平面波垂直入射到两种不同媒均匀平面波垂直入射到两种不同媒质的分界平面质的分界平面 入入射射波波 反反射射波波 介介质质分分界界面面 iE ik rE iH rH rk o z y x

2、媒媒质质 1 媒媒质质 2 tE tH tk 透透射射波波 入射方式：入射方式：垂直入射、斜入射垂直入射、斜入射； 媒质类型媒质类型： 理想导体、理想介质、导电媒质理想导体、理想介质、导电媒质 分析方法：分析方法：2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院3 本章内容本章内容 6.1 均匀平面波对分界面的垂直入射均匀平面波对分界面的垂直入射 6.2 均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射 6.3 均匀平面波对理想介质分界平面的斜入射均匀平面波对理想介质分界平面的斜入射 6.4 均匀平面波对理想导体表面的斜入射均匀平面波对理想导体

3、表面的斜入射第第6章章 均匀平面波的反射与透射均匀平面波的反射与透射2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院4 6.1 均匀平面波对分界平面的垂直入射均匀平面波对分界平面的垂直入射 本节内容本节内容 6.1.1 对导电媒质分界面的垂直入射对导电媒质分界面的垂直入射 6.1.2 对理想导体表面的垂直入射对理想导体表面的垂直入射 6.1.3 对理想介质分界面的垂直入射对理想介质分界面的垂直入射2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院56.1.1 对导电媒质分界面的垂直入射对导电媒质分界面的垂直入射111、222、zx媒质媒质1 1：媒质媒

4、质2 2：111,222,yiEiHikrErHrktEtHtk 沿沿x方向极化的均匀平面波从方向极化的均匀平面波从 媒质媒质1 垂直入射到与导电媒质垂直入射到与导电媒质 2 的分界平面上。的分界平面上。 z 0中，导电媒质中，导电媒质 2 的参数为的参数为2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院611c11c1 21111jjj(1j)k 1 21111c1c111 2111(1j)(1j)媒质媒质1中的入射波：中的入射波：11iimimi1c( )e( )ezxzyEze EEHze媒质媒质1中的反射波中的反射波：11rrmrmr1c( )e( )ezxzyE

5、ze EEHze 媒质媒质1中的合成波中的合成波：11111irimrmrmim1ir1c1c( )( )( )ee( )( )( )eezzxxzzyyEzEzEze Ee EEEHzHzHzee2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院7媒质媒质2中的透射波中的透射波：1 2222c22c222jjj(1j)k 1 21 222222c22c222(1j)(1j)22tmttmt2c( )e,( )ezzxyEEze EHze在分界面在分界面z = 0 上，电场强度和磁场强度切向分量连续，即上，电场强度和磁场强度切向分量连续，即)0()0()0()0(2121H

6、HEEimrmtmimrmtm1c2c11()EEEEEE2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院8 定义分界面上的定义分界面上的反射系数反射系数为反射波电场的振幅与入射波电为反射波电场的振幅与入射波电场振幅之比、场振幅之比、透射系数透射系数为为透射波电场的振幅与入射波电场振幅透射波电场的振幅与入射波电场振幅之比，则之比，则21221212,imrmtmimrmtm1c2c11()EEEEEEtm2cim2c1c2EE2c1crmim2c1cEE 讨论：讨论：1 和和 是复数，表明反射波和透射波的振幅和相位与入射波是复数，表明反射波和透射波的振幅和相位与入射波 都

7、不同。都不同。01、 若两种媒质均为理想介质，即若两种媒质均为理想介质，即1= 2= 0，则得到，则得到 若媒质若媒质2为理想导体，即为理想导体，即2 = ，则，则 ，故有，故有2c02022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院9rmimEE 6.1.2 对理想导体表面的垂直入射对理想导体表面的垂直入射x媒质媒质1 1：媒质媒质2 2：111,2zz = 0yiEiHikrErHrk媒质媒质1为理想介质，为理想介质，10媒质媒质2为理想导体，为理想导体，2故故01、媒质媒质1中的入射波：中的入射波：11jjimiimi1( )e,( )ezzxyEEze EHze媒质

8、媒质1中的反射波中的反射波：11jjimrimr1( )e,( )ezzxyEEze EHze 11 1, 111,则则20在分界面上，反射在分界面上，反射波电场与入射波电波电场与入射波电场的相位差为场的相位差为2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院101111jj1imim1jjimim1111( )(ee)j2sin()2cos()( )(ee)zzxxzzyyE ze EeEzEEzHzee 媒质媒质1中合成波的电磁场为中合成波的电磁场为合成波的平均能流密度矢量合成波的平均能流密度矢量*im1av11im112cos()11ReRej2sin()022xy

9、EzSEHeEzej11im1jim1111( , )Re( )e2sin()sin()2( , )Re( )ecos()cos()txtyE z tE zeEztEHz tHzezt瞬时值形式瞬时值形式im1imn100112cos()2( )|SzzyzxEzEJeH zeee 理想导体表面上的感应电流理想导体表面上的感应电流2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院11 电场波节点电场波节点（ 的最小值的位置）的最小值的位置）1( ) zE 合成波的特点合成波的特点1minzn 1min2nz 1max(21)4nz (n = 0,1,2,3,) (n = 0

10、 ,1,2,3, ) 媒质媒质1中的合成波是中的合成波是驻波。驻波。 电场振幅的最大值为电场振幅的最大值为2Eim， 最小值为最小值为0 ；磁场振幅的最；磁场振幅的最 大值为大值为2Eim /1，最小值也，最小值也 为为0。 电场波腹点电场波腹点（ 的最大值的位置）的最大值的位置）1( )E z1 min(21)/2zn 2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院12zEx0232zHy043454zHy043454zEx0232j11im1jim1111( , )Re( )e2sin()sin()2( , )Re( )ecos()cos()txtyE z tE z

11、eEztEHz tHzezt2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院13 坡印廷矢量的平均值为零坡印廷矢量的平均值为零，不，不 发生能量传输过程，仅在两个发生能量传输过程，仅在两个 波节间进行电场能量和磁场能波节间进行电场能量和磁场能 的交换。的交换。 在时间上在时间上有有/ 2 的相移。的相移。 11EH、 在空间上错开在空间上错开/ 4，电，电 场的波腹（节）点正好是磁场场的波腹（节）点正好是磁场 的波节腹）点。的波节腹）点。11EH、 两相邻波节点之间任意两点两相邻波节点之间任意两点 的电场同相的电场同相。同一波节点两。同一波节点两 侧的电场反相。侧的电场反

12、相。 4 23 25 4 4 23 25 4 25 4 42022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院14 例例6.1.1 一均匀平面波沿一均匀平面波沿+ +z 方向传播，其电场强度矢量为方向传播，其电场强度矢量为i100sin()200cos() V/mxyEetzetz 解：解：(1) (1) 电场强度的复数表示电场强度的复数表示 jj/2ji100ee200ezzxyEee（1）求相伴的磁场强度）求相伴的磁场强度 ；（2）若在传播方向上）若在传播方向上 z = 0处，放置一无限大的理想导体平板，处，放置一无限大的理想导体平板， 求区域求区域 z 0 中的电场强度

13、中的电场强度 和磁场强度和磁场强度 ；（3）求理想导体板表面的电流密度。）求理想导体板表面的电流密度。jjj/2ii0011( )(200e100ee)zzzxyH zeEee则则 2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院15写成瞬时表达式写成瞬时表达式 (2) 反射波的电场为反射波的电场为 jii0( , )Re( )e11200cos()100cos()2txyH z tH zetzetz反射波的磁场为反射波的磁场为jj /2jr( )100ee200ezzxyEzee jjj/2rr0011( )()(200e100ee)zzzxyHzeEee2022-1-

14、13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院16j/21irj/21ir0j200esin()j400sin()1400cos()200ecos()xyxyEEEezezHHHezez j/200200400ej0.531.06xyxyeeee 在区域在区域 z 1时，时， 0，反射波电场与入射波电场同相。反射波电场与入射波电场同相。 当当2 1时，时， 0）当当1z =n，即，即 z =n1/ 2 时，有时，有(0,1,2,)n 当当1z =(2n1)/2，即，即z =(n/2+1/4)1 时，有时，有(0,1,2,)n 2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科

15、学与工程学院211j221imim1( )1e12cos(2)zE zEEz1immin( )1E zE1immax( )1E zE 合成波电场振幅合成波电场振幅（ 0）2/1 1 2/31 12 2/51 41431451491471 合成波电合成波电 场振幅场振幅 合成波电合成波电 场场z当当1z =n，即，即 z =n1/ 2 时，有时，有(0,1,2,)n 当当1z =(2n1)/2，即，即z =(n/2+1/4)1 时，有时，有(0,1,2,)n 2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院22 驻波系数驻波系数 S 定义为定义为驻波的电场强度振幅的最大值驻

16、波的电场强度振幅的最大值与与最小值最小值之之比，即比，即11SS驻波系数驻波系数(驻波比驻波比) Smaxmin11ESE 讨论讨论 当当0 时，时，S 1，为行波。，为行波。 当当1 时，时，S = ，是纯驻波。是纯驻波。 当当 时，时，1 S ，为混合波。，为混合波。S 越大，驻波分量越大，驻波分量 越越 大，行波分量越小；大，行波分量越小；012022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院23 例例6.1.2 在自由空间，一均匀平面波垂直入射到半无限大的在自由空间，一均匀平面波垂直入射到半无限大的无耗介质平面上，已知自由空间中，合成波的驻波比为无耗介质平面上，已知

17、自由空间中，合成波的驻波比为3，介质内，介质内传输波的波长是自由空间波长的传输波的波长是自由空间波长的1/ /6，且分界面上为驻波电场的最，且分界面上为驻波电场的最小点。求介质的相对磁导率和相对介电常数。小点。求介质的相对磁导率和相对介电常数。131S解解：因为驻波比因为驻波比由于界面上是驻波电场的最小点，故由于界面上是驻波电场的最小点，故6002rr又因为又因为2区的波长区的波长12 2121而反射系数而反射系数10,2202rr式中式中1291rr36rr02312r18r2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院24媒质媒质2中的平均功率密度中的平均功率密度媒

18、质媒质1中沿中沿 z 方向传播的平均功率密度方向传播的平均功率密度*2iaviiim111Re22zSEHeE 电磁能流密度电磁能流密度22121(1)(1)由由1av2avSS入射波平均功率入射波平均功率密度减去反射波密度减去反射波平均功率密度平均功率密度*22ravrrim111Re22zSEHeE 2*2im1av1111Re(1)22zESEHe 2*2im2av2221Re22zESEHe2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院25 例例6.1.3 入射波电场入射波电场 ，从空，从空气（气（z 0区域中，区域中，r=1 、r = 4 。求区域。求区域 z

19、 0的电场和磁场的电场和磁场 。 9i100cos(31010 ) V/mxEetz 解解：z 0 区域的本征阻抗区域的本征阻抗 2r2202r212060 2透射系数透射系数 21222 600.66712060媒质媒质1媒质媒质20,1110,222zxyiEiHikrErHrktEtHtk2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院26相位常数相位常数 故故 922200r283 10220 rad/m3 10 22m2im299cos()cos()0.667 10cos(3 1020 )6.67cos(3 1020 ) V/mxxxxEe EtzeEtzetz

20、etz2229916.67cos(3 1020 )600.036cos(3 1020 ) A/mzyyHeEetzetz2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院27 例例 6.1.4 已知媒质已知媒质1的的r1= 4、r1=1、1= 0 ； 媒质媒质2 的的r2=10、r2 = 4、2= 0 。角频率。角频率5108 rad /s 的均匀平面波从媒质的均匀平面波从媒质1垂垂直入射到分界面上，设入射波是沿直入射到分界面上，设入射波是沿 x 轴方向的线极化波，在轴方向的线极化波，在 t0、z0 时，入射波电场的振幅为时，入射波电场的振幅为2.4 V/m 。求：。求：

21、解解:（1） 811 100r1r185 1023.33 rad/m3 10 8200r2r285 1010 410.54 rad/m3 10 (1) 1和和2 ； (2) 反射系数反射系数1 和和2 ； (3) 1区的电场区的电场 ； (4) 2区的电场区的电场 。),(1tzE),(2tzE2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院281r11001r1160 22r22002r2475.9 10117. 09 .7560609 .751212（2 2） （3 3） 1 1区的电场区的电场111jj1irimjim1j3.33( )( )( )(ee)(1)ej

22、2sin()2.41.117ej0.234sin(3.33 )zzxzxzxE zE zE ze Ee Ezez2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院29（4）22jj2tmim( )eezzxxEze EeE故故 12. 1221282( , )2.68cos(5 1010.54 )xEz tetz或或 j3.33j3.331ir( )( )( )2.4e0.281ezzxxE zE zE zeej1188( , )Re( )e2.4cos(5 103.33 )0.281cos(5 103.33 )txxE z tE zetzetzj10.54j10.541.

23、12 2.4e2.68ezzxxee2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院306.2 均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射射 本节内容本节内容6.2.1 多层介质中的场量关系与等效波阻抗多层介质中的场量关系与等效波阻抗6.2.2 四分之一波长匹配层四分之一波长匹配层6.2.3 半波长介质窗半波长介质窗 2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院31 电磁波在多层介质中的传播具有普遍的实际意义。电磁波在多层介质中的传播具有普遍的实际意义。 以三种介质形成的多层媒质为例，说明平面波在多层媒质中以三种介

24、质形成的多层媒质为例，说明平面波在多层媒质中的传播过程及其求解方法。的传播过程及其求解方法。 如图所示，当平面波自媒质如图所示，当平面波自媒质向向分界面垂直入射时，在媒质分界面垂直入射时，在媒质和和之间的分界面上发生反射和透射。之间的分界面上发生反射和透射。当透射波到达媒质当透射波到达媒质和和的分界面的分界面时，又发生反射与透射，而且此分时，又发生反射与透射，而且此分界面上的反射波回到界面上的反射波回到媒质媒质和和的的分界面上分界面上时再次发生反射与透射。时再次发生反射与透射。由此可见，在两个分界面上发生多次反射与透射现象。由此可见，在两个分界面上发生多次反射与透射现象。6.2.1 多层介质中

25、的场量关系与等效波阻抗多层介质中的场量关系与等效波阻抗Odz 1, 1k1iH1iE1ik1rH2iE2ik2iE1rH1rk2rE2rH2rk3tH3tE3t 2, 2 3, 3x界面界面1 1界面界面2 22022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院32 媒质媒质和和中存在两种平面波，其一是向正中存在两种平面波，其一是向正z方向传播的波，方向传播的波，另一是向负另一是向负z 方向传播的波，在媒质方向传播的波，在媒质中仅存在向正中仅存在向正z 方向传播的方向传播的波波 。因此，各个媒质中的电场和磁场强度可以分别表示为。因此，各个媒质中的电场和磁场强度可以分别表示为1

26、11111jjjj11im1rm1im1jj1im111( )(ee)(ee)( )(ee)zzzzxxzzyEzeEEe EEHze222222j()j()j()j()22im2rm11im2j()j()11im222( )eeee( )eez dz dz dz dxxz dz dyE ze EEeEEHze333j()j()33tm1 21imj()1 21im33( )ee( )ez dz dxxz dyE ze EeEEHze 1rm11imEE2im11imEE2rm22imEE3tm22imEE2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院3322jj112

27、121(1)eedd3222)1 (122jj1121eedd221根据根据边界条件，在边界条件，在分界面分界面z = d上 ， 得得)()()()(3232dHdHdEdE、在在分界面分界面z = 0 上，上， ，得，得)0()0()0()0(2121HHEE、,2323223322ef11ef1,2211jj21eedd其中：其中：2222jj3222ef22jj2232jtan()eeeejtan()dddddd等效波阻抗等效波阻抗2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院34 在计算多层媒质的第一个分界面上的总反射系数时，引入在计算多层媒质的第一个分界面上的

28、总反射系数时，引入等效波阻抗概念可以简化求解过程。等效波阻抗概念可以简化求解过程。则媒质则媒质中任一点的波阻抗为中任一点的波阻抗为 ( )( )( )E zzH z2222j()j()2222j()j()22( )ee( )( )eez dz dz dz dE zzHz 定义媒质中任一点的合成波电场与合成波磁场之比为该点的定义媒质中任一点的合成波电场与合成波磁场之比为该点的波阻抗波阻抗 ，即，即( ) z在在z0 0 处，有处，有2222jj222efjj2ee(0)eedddd 由此可见，由此可见， 即为媒质即为媒质中中z0 处的波阻抗。处的波阻抗。 ef2022-1-13中南大学信息科学与

29、工程学院中南大学信息科学与工程学院35 引入等效波阻抗以后，在计算第一层媒质分界面上的反射系引入等效波阻抗以后，在计算第一层媒质分界面上的反射系数数 时时 ，第二层媒质和第三层媒质可以看作等效波阻抗为，第二层媒质和第三层媒质可以看作等效波阻抗为 的的一种媒质。一种媒质。ef1Odz 1, 1k1iH1iE1ik1rH2iE2ik2iE1rH1rk2rE2rH2rk3tH3tE3t 2, 2 3, 3x界面界面1 1界面界面2 2Oz 1, 1k1iH1iE1ik1rH2E2k2E1rH1r efx界面界面1 12022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院36 利用等效

30、波阻抗计算利用等效波阻抗计算n 层媒质的第一条边界上的总反射系数层媒质的第一条边界上的总反射系数时，首先求出第时，首先求出第 (n2) 条分界面处的等效波阻抗条分界面处的等效波阻抗(n-2)ef ，然后用，然后用波阻抗为波阻抗为(n-2)ef 的媒质代替第的媒质代替第(n1) 层及第层及第 n 层媒质。层媒质。 依次类推，自右向左逐一计算各条分界面处的等效波阻抗，直依次类推，自右向左逐一计算各条分界面处的等效波阻抗，直至求得第一条边界处的等效波阻抗后，即可计算总反射系数。至求得第一条边界处的等效波阻抗后，即可计算总反射系数。123(n-2)ef(3)(2)(1)(n-3)12ef(1)123(

31、n-2)(n-1)n(n-2) (n-1)(3)(2)(1)(n-3)123(n-2)(n-1)ef(n-2)(3)(2)(1)(n-3)2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院37 设两种理想介质的波阻抗分别为设两种理想介质的波阻抗分别为1 与与2 ，为了消除分界面，为了消除分界面的反射，可在两种理想介质中间插入厚度为四分之一波长（该的反射，可在两种理想介质中间插入厚度为四分之一波长（该波长是指平面波在夹层中的波长）的理想介质夹层，波长是指平面波在夹层中的波长）的理想介质夹层，如图所示。如图所示。 首先求出第一个分界面上的等首先求出第一个分界面上的等效波阻抗。考

32、虑到效波阻抗。考虑到4d1242d为了消除反射，必须要求为了消除反射，必须要求 ，那么由上式得，那么由上式得ef121 6.2.2 四分之一波长匹配层四分之一波长匹配层22122ef22jtan()jtan()dd2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院38 如果介质如果介质1和介质和介质3是相同的介质，即是相同的介质，即 ，当介质，当介质2的厚的厚度度 时，有时，有同时，同时， 6.2.3 半波长介质窗半波长介质窗 2222tan()tan()tan02d322ef231232jtan()jtan()ddef11ef102211jj2211ee1dd 1 21

33、3tm1imEE 312/2d由此得到介质由此得到介质1与介质与介质2的分界面上的反射系数的分界面上的反射系数2/2d2d结论结论：电磁波可以无损耗地通过厚度为：电磁波可以无损耗地通过厚度为 的介质层。因此，这的介质层。因此，这 种厚度种厚度 的介质层又称为半波长介质窗。的介质层又称为半波长介质窗。22d2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院396.3 均匀平面波对理想介质分界平面的斜入射均匀平面波对理想介质分界平面的斜入射 本节内容本节内容 6.3.1 反射定律与折射定律反射定律与折射定律 6.3.2 反射系数与折射系数反射系数与折射系数 6.3.3 全反射与

34、全透射全反射与全透射2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院406.3.1 反射定律与折射定律反射定律与折射定律 当平面波向平面边界上当平面波向平面边界上以任意角度斜投射时，同样以任意角度斜投射时，同样会发生反射与透射现象，而会发生反射与透射现象，而且通常透射波的方向与入射且通常透射波的方向与入射波不同，其传播方向发生弯波不同，其传播方向发生弯折。因此，这种透射波又称折。因此，这种透射波又称为折射波。为折射波。入射面入射面：入射线与边界面法线构成的平面：入射线与边界面法线构成的平面反射角反射角r ：反射线与边界面法线之间的夹角反射线与边界面法线之间的夹角入射角入射

35、角i ：入射线与边界面法线之间的夹角：入射线与边界面法线之间的夹角折射角折射角t ：折射线与边界面法线之间的夹角：折射线与边界面法线之间的夹角均匀平面波对理想介质分界面的斜入射均匀平面波对理想介质分界面的斜入射 iqrqtqzxyiE/iEiE入射波入射波 反射波反射波 透射波透射波 分界面分界面 入射面入射面 /rErErEtEtE/tEikrktk2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院41设入射面位于设入射面位于 x z 平面内，则入射波的电场强度可以表示为平面内，则入射波的电场强度可以表示为1iij(sincos)iim( )ekxzErEqq1rrj(

36、sincos)rrm( )e,kxzE rEqq2ttj( sincos)ttm( )ekxzE rEqq反射波及折射波电场分别为反射波及折射波电场分别为 由于分界面由于分界面 ( z = 0 ) 上电场切向分量连续，得上电场切向分量连续，得 2t1i1rjsinjsinjsinimrmtmeeek xk xk xzzeEEeEqqq上述等式对于任意上述等式对于任意 x 均应成立，因此各项指数中对应的系数应该均应成立，因此各项指数中对应的系数应该相等，即相等，即1i1r2tsinsinsinkkkqqq 此式表明反射波及透射波的相位沿分界面的变化始终与入射此式表明反射波及透射波的相位沿分界面的

37、变化始终与入射波保持一致。因此，该式又称为分界面上的波保持一致。因此，该式又称为分界面上的相位匹配条件相位匹配条件。 2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院42 折射角折射角 q t 与入射角与入射角 q i 的关系的关系 （斯耐尔折射定律斯耐尔折射定律）i2t1sinsinkkqq式中式中 ， 。111k222k由由1i1rsinsinkkqq，得，得 riqq 反射角反射角q r 等于入射角等于入射角q i （斯耐尔反射定律斯耐尔反射定律）由由1i2tsinsinkkqq，得，得 斯耐尔定律描述了电磁波的反射和折射规律，具有广泛应用。斯耐尔定律描述了电磁波的

38、反射和折射规律，具有广泛应用。上述两条结论总称为斯耐尔定律。上述两条结论总称为斯耐尔定律。2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院43 斜投射时的反射系数及透射斜投射时的反射系数及透射系数与平面波的极化特性有关。系数与平面波的极化特性有关。 6.3.2 反射系数与折射系数反射系数与折射系数任意极化波平行极化波垂直极化波任意极化波平行极化波垂直极化波 定义定义（如图所示（如图所示) ) 平行极化波平行极化波:电场方向与入电场方向与入 射面平行的平面波射面平行的平面波。 垂直极化波垂直极化波:电场方向与入电场方向与入 射面垂直的平面波射面垂直的平面波；均匀平面波对理想

39、介质分界面的斜入射均匀平面波对理想介质分界面的斜入射 iqrqtqzxyiE/iEiE入射波入射波 反射波反射波 透射波透射波 分界面分界面 入射面入射面 /rErErEtEtE/tEikrktk 根据边界条件可推知，无论平行极化平面波或者垂直极化平根据边界条件可推知，无论平行极化平面波或者垂直极化平面波在平面边界上被反射和折射时，极化特性都不会发生变化，面波在平面边界上被反射和折射时，极化特性都不会发生变化，即反射波和折射波与入射波的极化特性相同。即反射波和折射波与入射波的极化特性相同。2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院44 1. 垂直极化波的反射系数与透

40、射系数垂直极化波的反射系数与透射系数媒质媒质1 1中的入射波中的入射波：1iij( sincos)iim( )ekxzyE re Eqq1ii1iiiii1j( sincos)iiim1( sincos)imii11( )( )1(sincos)e(sincos)ekxzxzyjkxzzxH reE reee EEeeqqqqqqqqii1111iii,sincosxzxyzke kkeeere xe ye z qq由于由于故故介质介质 1介质介质 2zxiEiHierHrEretHtEte入射波入射波反射波反射波透射波透射波rqiqtqO2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信

41、息科学与工程学院45媒质媒质1 1中的反射波中的反射波：r1iijrimj( sincos)im( )eek rykxzyE reEeEqq1ii1iirrr1j( sincos)iiim1j( sincos)imii11( )( )1(sincos)e(sincos)ekxzxzykxzzxHreE reeeEEeeqqqqqqqqrr111 1rii,sincosxzke kkeee qq由于由于故故介质介质 1介质介质 2zxiEiHierHrEretHtEte入射波入射波反射波反射波透射波透射波rqiqtqO2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院46媒质

42、媒质1 1中的合成波中的合成波：1ii1ii1i1i1i1irj( sincos)j( sincos)imjcosjcosjsinim( )( )( )ee(ee)ekxzkxzyk zk zk xyE rE rE re Ee Eqqqqqqq1ii1ii1ii1ii1i1i1i1j( sincos)j( sincos)imi1j( sincos)j( sincos)imi1jcosjcosjsinimi1im( )( )( )sineecoseesineeeirkxzkxzzkxzkxzxk zk zk xzxEeEeEeEeqqqqqqqqqqqqqqHrH rHr1i1i1ijcosjc

43、osjsini1coseeek zk zk xqqqq2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院47媒质媒质2中的透射波：中的透射波：2tt2tj( sincos)im( )( )ekxzyErE reEqqt2 t222ttt,sincosxzxyzkk ekeeere xe ye z qqt2tt2ttt2jttim2j( sincos)imtt21( )( )( )1(sincos)e(sincos)ek rxzykxzzxHrHreE reeeEEeeqqqqqq故故由于由于介质介质 1介质介质 2zxiEiHierHrEretHtEte入射波入射波反射波反

44、射波透射波透射波rqiqtqO2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院48分界面上电场强度和磁场强度的切向分量连续，有分界面上电场强度和磁场强度的切向分量连续，有)0 ,()0 ,(21xExEyy)0 ,()0 ,(21xHxHxx对于非磁性介质，对于非磁性介质，120 ，则则111ti222, sinsinqq2i1t2i1t2i2i1tcoscoscoscos2coscoscosqqqqqqq2i21i2i21ii2i21icossincossin2coscossinqqqqqqq1ti12coscos(1)qq菲涅尔公式菲涅尔公式2022-1-13中南大学

45、信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院49 2. 平行极化波的反射系数与透射系数平行极化波的反射系数与透射系数ii 1i1 1iii,sincosxzkekeeee qq由于由于1iiiii1j( sincos)im11( )( )ekxzyH reE rEeqq故故1iij( sincos)iiiim( )(sincos)ekxzzxE reeEqqqq 媒质媒质1中的入射波中的入射波介质介质 1介质介质 2ziEiHierHrEretHtEte入射波入射波反射波反射波透射波透射波rqiqtqxO2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院501iij( si

46、ncos)rii/im( )(sincos)ekxzzxE reeEqqqq rr111 1rii,sincosxzke kkeee qq由于由于故故rm/imEE1iirrr1j( sincos)/im11( )( )ekxzyHreE rEeqq其中其中 媒质媒质1中的反射波中的反射波介质介质 1介质介质 2ziEiHierHrEretHtEte入射波入射波反射波反射波透射波透射波rqiqtqxO2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院511ir( )( )( )H rH rH r1ir( )( )( )E rE rEr 媒质媒质1中的合成波中的合成波1i1i

47、1i1i1i1ijcosjcosjsinimi/jcosjcosjsinimi/sin( ee)ecos(ee)ek zk zk xzk zk zk xxe Ee Eqqqqqqqq1i1i1ijcosjcosjsinim/1(ee)ek zk zk xyEeqqq2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院522tt2ttt2j( sincos)/im21( )( )( )ekxzyHrH reE rEeqqt2t222ttt,sincosxzkk ekeee qq2ttj( sincos)2ttt/im( )( )(sincos)ekxzzxErEreeEqqqq

48、 tm/imEE其中其中 媒质媒质2中的透射波中的透射波介质介质 1介质介质 2ziEiHierHrEretHtEte入射波入射波反射波反射波透射波透射波rqiqtqxO2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院53分界面上电场强度和磁场强度切向分量连续，即分界面上电场强度和磁场强度切向分量连续，即1020( )|( )|xzxzErEr1020( )|( )|yzyzHrHr/1211(1)/i/t(1)coscosqq1i2t/1i2t2i/1i2tcoscoscoscos2coscoscosqqqqqqq111ti222, sinsinqq221i21i/22

49、1i21i21i/221i21i()cos()sin()cos()sin2 () cos()cos()sinqqqqqqq对于非磁性介质，对于非磁性介质，120 ，则则菲涅尔公式菲涅尔公式2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院54irqq1i1r2tsinsinsinkkkqqq 小结小结 分界面上的分界面上的相位匹配条件相位匹配条件 反射定律反射定律 折射定律折射定律1i2tsinsinnnqq 或或 反射系数、折射系数与两种媒质性质、入射角大小以及反射系数、折射系数与两种媒质性质、入射角大小以及 入射波的极化方式有关，由菲涅尔公式确定。入射波的极化方式有关，

50、由菲涅尔公式确定。1i2tsinsinkkqq2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院551020,2.25,120 布儒斯特角布儒斯特角b ：使平行极化波的反射系数等于：使平行极化波的反射系数等于0 的角。的角。垂直极化波垂直极化波/40.20.40.60.81.0/20.0透射系数透射系数反射系数反射系数平行极化波平行极化波/4/20.20.40.60.81.00.0透射系数透射系数反射系数反射系数/2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院566.3.3 全反射与全透射全反射与全透射 1. 全反射与临界角全反射与临界角问题：问题：

51、电磁波在理想导体表面会产生全反射，在理想介质表面也电磁波在理想导体表面会产生全反射，在理想介质表面也 会产生全反射吗？会产生全反射吗？概念：概念：反射系数的模等于反射系数的模等于 1 的电磁现象称为的电磁现象称为全反射全反射。2i21i2i21icos/sincos/sinqqqq当当22i1sin0q条件：条件：（非磁性媒质，即（非磁性媒质，即 ）120由于由于i21sinq/| | 1221i21i/221i21i(/)cos/sin(/)cos/sinqqqq2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院57因此得到，产生全反射的条件为：因此得到，产生全反射的条件

52、为： 电磁波由稠密媒质入射到稀疏媒质电磁波由稠密媒质入射到稀疏媒质中，即中，即1 2 ； 对全反射的进一步讨论对全反射的进一步讨论 i c 时，时，/1 透射波仍然是沿分界面方向传播，但振幅在垂直于分界面的透射波仍然是沿分界面方向传播，但振幅在垂直于分界面的方向上按指数规律衰减。这种波称为方向上按指数规律衰减。这种波称为表面波表面波。 cq122022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院59z表面波表面波分界面分界面稠密媒质稠密媒质zxO稀疏媒质稀疏媒质2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院60 例例 6.3.1 一圆极化波以入射角一圆

53、极化波以入射角i/ 3 从媒质从媒质1（参数为（参数为=0、40 ）斜入射至空气。试求临界角，并指出此时反射波是什么）斜入射至空气。试求临界角，并指出此时反射波是什么极化？极化？02c10arcsinarcsin46q 入射的圆极化波可以分解成平行入射的圆极化波可以分解成平行极化极化与垂直与垂直极化的极化的两个线极两个线极化波，虽然两个线极化波的反射系数的大小此时都为化波，虽然两个线极化波的反射系数的大小此时都为1，但它们的，但它们的相位差不等于相位差不等于/ 2，因此反射波是椭圆极化波。，因此反射波是椭圆极化波。解解：临界角为：临界角为可见入射角可见入射角i/ 3大于临界角大于临界角c/ 6

54、 ，此时发生全反射。，此时发生全反射。2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院612. 全透射和布儒斯特角全透射和布儒斯特角平行极化波发生全透射。平行极化波发生全透射。当当ib 时，时，/ = 0 全透射现象全透射现象：反射系数为：反射系数为0 无反射波。无反射波。2b1arctanq 布儒斯特角布儒斯特角（非磁性媒质）（非磁性媒质） ： 讨论讨论bt2qq 产生全透射时，产生全透射时， 。 在非磁性媒质中，垂直极化入射的波不会产生全透射。在非磁性媒质中，垂直极化入射的波不会产生全透射。 任意极化波以任意极化波以ib 入射时，反射波中只有垂直极化分量入射时，反射波

55、中只有垂直极化分量 极极 化滤波。化滤波。2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院62222ii11/222ii11cossin0cossinqqqq222ii11cossin0qq22222222iiii111()sectan(tan1)tanqqqqi21tan/qb21arctan(/)q b的推证的推证22222ii11() cossinqq2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院63 例例6.3.3 一平面波从介质一平面波从介质1 斜入射到介质与空气的分界面，试斜入射到介质与空气的分界面，试计算：（计算：（1）当介质）当介质

56、1分别为水分别为水r 81、玻璃、玻璃r 9 和聚苯乙烯和聚苯乙烯r 1.56 时的临界角时的临界角c ；（；（2）若入射角）若入射角i = b ，则波全部透射入空气。，则波全部透射入空气。上述三种介质的上述三种介质的i =？ 解解：c21arcsin(/)q6.3819.4738.68水水玻璃玻璃聚苯乙烯聚苯乙烯介质介质临界角临界角 布儒斯特角布儒斯特角b21arctan(/)q6.3418.43322022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院646.4 6.4 均匀平面波对理想导体表面的斜入射均匀平面波对理想导体表面的斜入射 本节内容本节内容 6.4.1 垂直极化

57、波对理想导体表面的斜入射垂直极化波对理想导体表面的斜入射 6.4.2 平行极化波对理想导体表面的斜入射平行极化波对理想导体表面的斜入射2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院65 6.4.1 垂直极化波对理想导体表面的斜入射垂直极化波对理想导体表面的斜入射 2i1t2i1t2i2i1tcoscoscoscos2coscoscosqqqqqqq22c22c22/(j)001设媒质设媒质1为理想介质，媒质为理想介质，媒质2 为理想导电体，即为理想导电体，即120, 则媒质则媒质 2 的波阻抗为的波阻抗为 此结果表明，当平面波向理想导体表面斜投射时，无论入射此结果表明，

58、当平面波向理想导体表面斜投射时，无论入射角如何，均会发生全反射。因为电磁波无法进入理想导体内部，角如何，均会发生全反射。因为电磁波无法进入理想导体内部，入射波必然被全部反射。入射波必然被全部反射。 2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院661ii1rr1ij( sincos)j( sincos)1imimjsinim1i( )eej2sin(cos)ekxzkxzyk xyE reEEeEk zqqqqqq 1i1ijsinimi11i1jsinimi1i1j2sin( )sin(cos)e2sincos(cos)ek xzk xxEHrek zEek zqqq

59、qqq 媒质媒质1中的合成波中的合成波 合成波是沿合成波是沿 x 方向的行波，其振幅沿方向的行波，其振幅沿 z 方向成驻波分布，是方向成驻波分布，是非均匀平面波；非均匀平面波； 合成波电场垂直于传播方向，而磁场则存在合成波电场垂直于传播方向，而磁场则存在 x 分量，这种波分量，这种波 称为横电波，即称为横电波，即TE 波；波； 合成波的特点合成波的特点2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院67 在在 处，合成波电场处，合成波电场E1= 0，如果在此处放置一如果在此处放置一块无限大的理想导电平面，块无限大的理想导电平面， 则不会破坏原来的场分布，则不会破坏原来的场

60、分布， 这就意味着在两块相互平行这就意味着在两块相互平行 的无限大理想导电平面之间的无限大理想导电平面之间 可以传播可以传播TE波。波。1i/(2cos)znq 1av1111112imi1i11Re( )( )21Re( )( )( )( )24Esinsin (cos)xyzzyxxSE rHre Er Hre Er Hrek zqq 合成波的平均能流密度矢量合成波的平均能流密度矢量Oxz2022-1-13中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院68 例例6.4.1 当垂直极化的平面波以角度当垂直极化的平面波以角度qi 由空气向无限大的理想由空气向无限大的理想导电平面投射时，若