探讨平面电磁波的传播特性

1、论文提要在迅变情况下，电磁场以波动形式存在。变化着的电场和磁场互相激发，形成空间中传播的电磁波。由于在广播通信，光学和其他科学技术中广泛应用，电磁波的传播问题已经发展为独立学科，具有十分丰富的内容。平面电磁波作为交变电磁场存在的最基本形式，其传播特性分析是电磁场理论基础的核心内容。探讨电磁波在不同媒介中的不同传播特性，有利于在实际生产生活中的应用。在这篇论文中我们重点探讨了无界空间的平面电磁波传播；介质分界面平面电磁波传播；良导体表面平面电磁波传播特性。探讨平面电磁波的传播特性摘 要：由于在广播通信，光学和其他科学技术中广泛应用，电磁波的传播问题已经发展为独立学科，具有十分丰富的内容。平面电磁

2、波作为交变电磁场存在的最基本形式，其传播特性分析是电磁场理论基础的核心内容。关键词：平面电磁波 良导体 电磁场从经典电磁学理论出发，时变电磁场可以在空间形成电磁波，其能量以电磁波形式传播。根据电磁波的波面形状可将其分类，其中存在一种最基本形式的电磁波，即平面电磁波。电磁波在现代电子技术中应用范围很广，如通讯、广播、导航、雷达、测控等都离不开电磁波的传播。因此，探讨电磁波在不同媒介中的不同传播特性，有利于在实际生产生活中的应用。一、无界空间中的平面电磁波传播特征在没有电荷电流分布的自由空间或均匀的绝缘介质中，根据麦克斯韦方程组， （1）可以导出时谐电磁波的亥姆霍兹（Helmholtz）方程： （

3、2） 其中k为波数， （3)应用分离变量法得（2）式平面电磁波解 （4）上式中，和是复恒定振幅矢量，是波矢量。当为复矢量时，可设，此时式（4）代表一个平面波，它的传播方向沿方向，而衰减方向沿方向。当和在同一方向时是一减幅的均匀电磁波。二、介质分界面上的平面电磁波的传播特征不失一般性，考虑如图1所示的平面电磁波由电磁参数为的介质1，向电磁参数为的介质2平面边界上以任意角度投射时的传播特性。 图1 平面波在分层介质中的传播根据相位匹配条件，磁场的解为 （5）上式中，R为反射系数，和满足如下色散关系： （6）现讨论以下四种情况（6）式的解:此时和满足色散关系如下： （7）由于，故沿z方向，沿x方向，

4、即波沿垂直于分界面衰减，沿平行于分界面传播，此即全反射现象。此时传输波为表面波，场解为 （8）上式中。其中，时对应的入射角称为临界角。这是平面波由理想介质向导电介质边界斜入射的情形。此时有 （9）由上式可得 （10）传输波沿垂直于分界面方面的衰减，折射角由下式确定 （11） 这也是平面波由理想介质向导电介质边界斜入射的情景。由于此时，故有： （12） （13） 由电场切分向量满足的边界条件可得反射系数为 （14）式中，为介质2的等效介电常数。由式（13)(14），加上反射系数的零点或极点条件，可得到和的唯一解。三、良导体表面的平面电磁波传播特征 （一）良导体表面的电磁波以Z=0面为导体表面，导

5、电介质中平面电磁波电场可表示为 （15） 其中、分别为衰减常数和相位常数，由电介质参数和电磁波频率决定，可以表示为 (16)当电磁波频率满足为良导体，此时设为导电介质的复介电常数，则良导体的波阻抗为，其电阻部分和电抗部分相等，即的相角为45。公式（16）中的衰减因子为，随z增大电场强度按指数规律衰减，相位也相对滞后，穿透深度。因此对于高频电磁波，电磁场一级和它相互作用的高频电流仅集中于表面很薄的一层内，这种现象叫趋肤效应。可以得出规律，频率越高，衰减越快，透入深度越浅。（二） 良导体表面的平面电磁波模拟设入射波，反射波场强为。这里以正入射为例，有 ， (17)反射系数R定义为反射能流与入射能流

6、之比，由上式可得 (18)由此式可知，频率越低，导电率越高，则反射系数越趋近于1.可以利用计算机仿真电磁波在良导体表面传播。设Z区域中为理想介质，其中存在入射波和反射波，则Z0处为良导体，其中的透射波可以忽略。对于良导体，反射波和入射波相差不是，因为有一个由（17）式决定的相位差，这一点不同于理想导体；在某时刻，入射波、反射波、驻波岁空间位置做正弦变化；反射波和入射波的合成波是驻波，反射波和入射波振幅都为等幅波，而且两者近似相等。参考文献:1蒋泽：分层介质中平面电磁波的传播与Zenneck波，电子电器教学学报，2009年。2谢处方：电磁场与电磁波，高等教育出版社,2006年。3熊翠秀：电磁波在导