电磁场第四章电磁波的传播1课件

1、研究生学位课程（4） 电磁场 理论 Theory ofElectromagnetic Fields主讲 哈工大 江滨浩 教授第1页，共86页。 第四章 电磁波的传播4.1 电磁场的定态波动方程4.2 平面电磁波4.3 电磁波在介质界面上的反射与折射 4.4 导电煤介中的电磁波4.5 电磁波在介质界面上的正入射4.6 波速度 第2页，共86页。回顾：波动是电磁场的基本属性当 时，电场和磁场相耦合，相互为源，可以脱离电荷、电流，以波的形式存在于空间中电磁波 无源情况下的麦克斯韦方程组真空中：电波动方程横波条件磁波动方程横波条件波速度第3页，共86页。 物质不灭定律， 能量守恒与转换定律， 质能关系

2、， 动量守恒定律粒子性 光子 能量动量质量电磁波具有能量、动量、质量等物质的基本属性，服从物质基本定律电磁波独立存在，不依附电荷与实物粒子可以互换与一般物质不同： 光子无静止质量，真空中光速不变，电磁波具有空间共存性。正、负电子对两个光子电磁波的物质性电磁理论中的波问题 传播问题（介质中的本征模式）， 吸收（与物质相互作用，能量转换）， 辐射（发射、激发）， 散射，反射/折射，绕射/衍射（二次源辐射）第4页，共86页。电磁波谱VHF,FMRFMW电子,核自旋UHF晶体IR分子振,转动热电偶UV内,外层电子光电管可见光外层电子人眼波 谱 微观源检测方法人工源电力交流发电机电子线路电子线路行波管磁

3、控管速调管热物体,灯,电火花弧光,激光X-ray内层电子电离室X-射线管 -ray原子核加速器盖革计数管第5页，共86页。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 330GHz101cm

4、SDTV, 通信,雷达极高频EHF微波 30300GHz101mm通信, 雷达光频 光波 150THz3000.006m光纤通信第6页，共86页。第7页，共86页。4.1 定态波动方程对介质的考虑 介质的色散性质 电磁场的傅立叶变换 定态波动方程 Helmhotz 方程 电磁场时空联合傅立叶变换第8页，共86页。 严格地讲一般不成立对介质的考虑介质中，电磁场方程能否写成 严格的（前述的）波动方程的形式？如果可以，有无条件？条件是什么？?均匀、稳定的介质也不行！随时变的电场加在介质上，介质的响应会有延时，并且不同时间的作用会累加，因此响应的结果与过程有关。?第9页，共86页。介质中的微观粒子（如

5、电子）由于其惯性，来不及响应外场介质的色散性质 对一般的介质中的电磁场，不满足波动方程。怎么办？！一般的介质具有色散性质，即介质对电磁场的响应性质与电磁场的变化频率有关：色即是频率，散即是不同。“色散”就是对不同频率响应性质不同第10页，共86页。电磁场的傅立叶变换任一时域函数 ，可以视为由频域函数 叠加而成，反之亦然。这就是傅立叶（Fourier）变换：正变换逆变换对电磁场作傅立叶变换：第11页，共86页。定态波动方程若电磁场以特定频率随时间作简谐变化，称为 定态 ，即傅立叶分解的一个基态：代入麦克斯韦方程：其中：定态波动方程不是空间函数第12页，共86页。Helmhotz 方程定态情况下的

6、电磁场方程可以写成：此处的 是电磁场的振幅，时间变化部分不包含在内或者Helmhotz 方程第13页，共86页。电磁场时空联合傅立叶变换对任一时空变化的函数 ，可以进行时空联合的傅立叶变换：逆变换 任意的时空函数，可以写成下列基（本）函数之叠加：正变换 时空（时域）表达式： 波函数的宗量形式：第14页，共86页。课堂休息课 堂 休 息第15页，共86页。 平面波 平面波是 Helmhotz方 程的解 平面电磁波特性 平面电磁波能流 极化 4.2 理想介质中的平面波 时空变化电磁场傅立叶变换中的一个基函数谱函数。 平面电磁波也可看作是均匀、无限大介质中远离场源区域麦克斯韦方程 的解, 实际要求：

7、均匀空间的线度远大于波长，无反射 理想介质： 均匀且无介质损耗 第16页，共86页。平面波一般平面波形式为： 称为波矢，代表波传播方向，波数空间两点 ， ,若满足 ,平面波则场相同，垂直于 的平面上各点场值相同相速度：(传播方向上）相位传播速度 称为振幅Ot1 = 0第17页，共86页。平面波是 Helmhotz 方程的解对平面波，微分算符变成代数算符：是Helmhotz方程的解第18页，共86页。平面电磁波特性平面电磁波：平面电磁波为横波: 相互垂直，构成右手螺旋: 同相位， 波阻抗：同方向 电场 / 磁场 （TEM 波）Z in第19页，共86页。平面电磁波能流平面电磁波能量密度：电、磁能

8、量相等，可相互转换能量、能流密度瞬时值：平面电磁波能流密度：能流方向为波矢方向，其值为能量密度与相速度之积能量、能流密度时间平均值：第20页，共86页。波极化（1）特定的平面电磁波有一个独立变化的矢量 ，但 两个自由度、两种状态 偏振态电场可分解两个矢量之和偏振系指电场矢量 在垂直于传播方向的平面内的随时间变化的（振动）状态，电场强度 矢量末端随时间变化的轨迹 直线极化 设 x 为波的传播方向合成Y - 轴取向直线极化波Z - 轴取向直线极化波极化方向与时间无关. 两个相位相同 (或相反），振幅不等的空间相互正交的 线极化平面波，合成后仍然形成一个线极化平面波，反之可分解。第21页，共86页。

9、波极化（2） 圆极化特点：Ey 和 Ez 振幅相同，相位差90合成后E y 超前 E z 为右旋极化波Ey 滞后 Ez 为左旋极化波EzE yEzy0左旋右旋 可见，两个振幅相等，相位相差 90 度的空 间相互正交的线极化波，合成后形成一个圆 极化波；反之可分解 还可证明，一个线极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波。反之亦然第22页，共86页。波极化（3） 椭圆极化特点： 和 的振幅不同，相位不同。合成后椭圆的长轴与 y 轴的夹角为- 分为右旋极化和左旋极化若 椭圆的长短轴与坐标轴重合若 时，椭圆极化 直线极化若 时，椭圆极化 圆极化第23页，共86页。波极化（4） 电磁波的极化特性的实

10、际应用 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 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 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。 电磁波不一定具有固定的极化特性，其极化特性可能是随机的。将电磁 波的极化称为偏振，为了获得偏振光必须采取特殊方法。第24页，共86页

11、。课堂休息课 堂 休 息第25页，共86页。4.3 电磁波的反射与折射 引 言 介质界面上的边值关系 反射、折射定律 菲涅耳公式 全折射，线偏振 全反射， 表面波 第26页，共86页。引 言 界面介质电磁特性的突变，入射电磁波在界面两侧的薄层内感应出时 变的极化电荷（电流）和磁化电流，成为新的电磁波辐射源。新的辐 射源向界面两侧辐射电磁波，其中在入射波所在空间的部分称为反射 波，在界面另一侧的称为透射波或折射波。 包括两个方面： 运动学规律: 入射角、反射角和折射角的关系 动力学规律: 入射波、反射波和折射波的振幅比和相对相位关系感应极化电荷极化电流层等入射波反射波 透射波感应极化电荷极化电流

12、层等完全依赖于电磁场的特定性质以及边界条件第27页，共86页。定态电磁场 、 由 、 表示 介质界面上的边值关系基本方程一般情况方程边条件无源、介质情况 证明：其它两个方程和 边界条件是不独立的第28页，共86页。平面电磁波边界条件几何考察两介质界面为无限大平面对于平面电磁波的边界情况，设入射波在介质 1 中，在边界处激发新的波，其中在介质 1 内传播的称为反射波，在介质 2 中传播的波称为折射波。频率不变，这是边界条件满足的基本要求。（1) 入射波（介质 1 内）：（2) 反射波（介质 1 内）：（3) 折射波（介质 2 内）：第29页，共86页。三波矢共面由电场边界条件反射波矢、折射波矢与

13、入射波矢在同一平面上（入射面）由于对任意 成立，有：取入射波波矢在 平面：证 明第30页，共86页。 反射、折射定律波矢关系：反射定律、折射定律电磁波运动学结论相位匹配条件: 反射波及折射波的相位沿边界的变化始终与入射波保持一致, 衔接条件的要求射线是可逆的，即入射波从哪种介质入射如上结果均成立 而第31页，共86页。垂直偏振与平行偏振电磁波有两种偏振态，这里划分：（1）垂直偏振，电场矢量垂直入射面（TE 波）（2）平行偏振，电场矢量在入射面内（TM 波）若入射波是垂直偏振，则反射、折射波也是垂直偏振若入射波是平行偏振，则反射、折射波也是平行偏振证 明 但当入射是圆极化时，反射波和折射波可能是

14、椭圆极化的，且旋转方向也不同 除非垂直和平行偏振态情况下，两种偏振的反射系数和折射系数相同。第32页，共86页。附：诸k 相等之证明证明：将上式分别对 微分一次、二次，有非平庸解要求：至少有两者相等，设：对任意 有 ,则有证毕第33页，共86页。附：垂直偏振波入射情况证明：由振幅边界条件若 ,则由横波条件:证毕以上 4 方程是关于 的线性齐次方程第34页，共86页。附：平行偏振波入射情况证明：由振幅边界条件若 ,则证毕以上 2 方程是关于 的线性齐次方程第35页，共86页。垂直偏振入射时振幅关系 联立，解有 基本方程组 第36页，共86页。平行偏振入射时振幅关系 联立，有 基本关系第37页，共

15、86页。总结：菲涅耳（Fresnel）公式第38页，共86页。课堂休息课 堂 休 息第39页，共86页。 基 本 特 征 垂直极化的反射系数的幅角保持定值 不变；模随波的入射角的增加 而增大，但变化缓慢 平行极化时；当 ，反射系数下降减小，幅角约为零恒值 当 时，反射系数模变为零，幅角发生突变；当 反射 系数模随入射角的增加增大，幅角为恒定值（约为 ） 当入射角 （正投射）时， 异号？(如前图） 当入射角 （称为斜滑）投射时，当十分倾斜观察物体表面时，物体显得明亮反射系数曲线 低空雷达盲区第40页，共86页。半波损失 对垂直极化波，当平面波从光疏介质入射到光密介质时，根据 对水平极化波，当 此

16、时， 如上结果与前页图示 相同。反射波与入射波的相应分量反向， 即反射波与入射波位相相差 ，好象差个半波长，称为半波损失 但，对垂直极化波，当平面波从光密介质入射到光疏介质时，即 反射波与入射波同位相，无半波损失。第41页，共86页。全折射，线偏振器 当反射系数为零时，可认为电磁波发生全折射由知 当而垂直极化波的反射系数，仅当 不可能发生无反射 若以布鲁斯特角向边界斜投射时，反射波中只剩下垂直极化波。即可获得 具有一定极化特性的偏振光。 例，相对介电常数为 当入射以布鲁斯特角 入射时，布鲁斯特角第42页，共86页。全反射（1）直角坐标系下 Helmhotz 方程解的一般形式： 可以小于零标记

17、无论何种极化， 的现象称为全反射。 显然，当 ，即 因函数 ，故仅当 时才可能发生全反射现象。只有当平 面波由光密媒质进入光疏媒质时，才可能发生全反射现象。 第43页，共86页。全反射（2） 根据斯耐尔定律 ，可见当入射角满足上式时，折射角已增 至 。因此，当入射角大于发生全反射的角度时，全反射现象继续存在 现研究入射角大于临界角情况，此时xz介质1介质2反射系数的模值为1，但幅角不同第44页，共86页。全反射（3）当波束以大于临界角的入射角向边界投射时，即可发生全反射，光波局限在芯线内部传播，导波原理 介质波导 例 电磁波以角度 入射, 并只在棒内传播，求该棒的相对介电常数 的取值范围临界入

18、射角当 ，即 发生全反射因为解得折射定律表面波（加装金属外壳可屏蔽掉，形成光缆）221表面波第45页，共86页。表面波（1） 折射波应该与入射波相同，是平面电磁波，以保证边界条件的成立 折射定律 当入射角大于临界角时 折射波第46页，共86页。表面波（2）c沿介质表面传播的行波表面波垂直方向上的指数衰减 表明当入射角度大于临界角时，介质2中与介质表面垂直方向是指数衰减（非波宗量）；介质切向方向是行波 表面波 透射波磁场 x 分量滞后电场 y 分量 的相位，沿 z 的向的能流密度 为零。折射波能量不沿 z 向传播，而被反射回介质 1中. 介质2类似于电感器，在周期时间内，介质2从入射电磁波中获得

19、能量， 另一半周期内释放能量，并返回介质1。 表达式第47页，共86页。表面波（3） 表面波是慢波因为 所以，表面波的相速度是小于同介质中的相速度 表面波将电磁场的空间压缩在 1-2 波长的空间内，相应的增加了场强 表面波的应用实例：超视距雷达，临近空间电推进器第48页，共86页。课 堂 休 息课 堂 休 息第49页，共86页。4.4 导电媒质中的电磁波 导体内部自由电荷密度 导体等效复介电常数 复波矢 均匀导电媒质中电磁波 理想导体表面上平面波的斜入射 横磁波，横电波 波导第50页，共86页。导体内部自由电荷密度为零导体内部电磁场方程：导体内部电荷密度随时间指数衰减，时间尺度为：，良导体内部

20、不存在自由电荷，无电磁场与静电情形类似，导电内部不存在电荷分布，只分布在导体表面。但机理不同第51页，共86页。导体等效复介电常数定态情况下，导体也可以用介质方法处理：导体中有自由电荷、电流导体中极化、磁化现象可略定态情况下，导体的电磁场运动方程：定态情况下自由电荷与极化电荷作用相当导体可以视为具有复介电常数的介质为等效复介电常数 、 相位相差第52页，共86页。说 明 复介电常数的实部代表位移电流对磁场的贡献，虚部是传导电流对 磁场的贡献 位移电流与电场有 900 相位差，它不引起电磁波能量的耗散。传导 电流与电场相位相同，它引起电磁波能量在传播过程中的耗散。可以 预言导电介质中电磁波振幅将

21、随传播距离增加而减小 复介电常数的引入，使得导电介质中场的方程与理想介质场的方程 形式上完全一致 导电媒质中的相速和波长 不仅与媒质参数有关，而且还与频率 有关。各个频率波的相速不同，经过一段距离后，各个频率分量之间的相位关系将发生变化，导致信号失真，这种现象称为色散。导电媒质为色散媒质- 频率非线性函数第53页，共86页。导体中电磁波方程与解导体中电磁波方程：其中：平面波解： 必须为复矢量： 传播方向， 为衰减方向 证明导电媒质 中，电磁场量的（广义）波动方程为（作业） 电导率热损失外，媒质的极化和磁化也会损耗。相应介电常数和磁导率 本身为复数包含扩散（方程）损耗项第54页，共86页。复波矢

22、求解复波矢方程：由空间入射至导体表面（x y - 平面），入射面为 x z -平面，由波的运动学结论知波矢关系：等相位面等振幅面利用边界上的波矢关系，可以决定于是，导电媒质与理想介质分界面上的反射和折射波的等相位面与等振幅面不同ir 1 1 2 2 2z波面波面，等幅面t等幅面第55页，共86页。均匀导电媒质中电磁波（1）为方便讨论，设电磁波沿 z 方向传播 导电介质空间中的电磁波为： 波阻抗 电场和磁场的相位不同，电场超前与磁场要量：第56页，共86页。均匀导电媒质中电磁波（2）z 仍为平面波（TEM波），但指数衰减 因电场与磁场相位不同，复能流密度的实部及虚部均不会为零，导电媒质中的平面波

23、既有单向流动的传播能量，又有来回流动的交换能量(回授现象） 媒质的导电性 为了定量描述导电介质的导电强弱的程度，可根据导电 媒质中传导电流与位移电流之比 弱导电媒质 半导体 良导体良导体中，以传导电流为主，弱导电媒质（理想介质）中，以位移电流为主第57页，共86页。均匀导电媒质中电磁波（3） 两种特殊情况 具有低电导率的介质 ，此时 电场与磁场同相，振幅衰减弱。与理想介质情况几乎一致 良导体情况 ，此时 电场超前于磁场相位差为45度，振幅衰减程度和相速度与频率和电导率有关第58页，共86页。良导体中磁能为主磁场表达式磁能密度：导体中，电磁波以磁场能量为主，电能更容易直接转换为导体的热能 第59

24、页，共86页。趋肤效应描述电磁波在导电媒质中衰减特征量 透入深度- 高频穿透深度极小，仅存在于表面，趋肤效应 - 将场幅度衰减 所传播的距离 由于趋肤效应，导致导体的高频电阻必然大于低频或直流电阻（有效面 积减小）有效传输面积恒定电流 高频电流铜：50 Hz 100 MHz（见后页）第60页，共86页。导体表面阻抗设电磁波垂直入射进入导电媒介定义单位长度导体表面阻抗（可表示任意导体表面的阻抗）：（单位面积）平均能量损耗密度：导体内的电磁场：定量地给出高频情况下描述导体趋肤效应的工程量 导体内的总电流（只分布在表面） 表面电流作业：比较直流情况的结果第61页，共86页。理想介质与良导体中均匀平面

25、波的比较理 想 介 质良 导 体相同点不同点E 和 H 是时间 t 及传播方向的坐标的函数沿传播方向没有 E 与 H 的分量，即为 TEM 波E, H , S 在空间上相互垂直等幅波波阻抗为实数与 同相 波速与 无关，电磁波为非色散波波速与 有关，电磁波为色散波。波阻抗为复数减幅波超前第62页，共86页。理想导体表面上平面波的斜入射 假定第一种媒质为理想介质，第二种媒质为理想导电体，即那么反射系数为 无论入射角如何，均会发生全反射 ，但上半空间的场分 布与平面波的极化特性有关 理想导体边界条件（内部电磁场为零） - 电场垂直于导体表面 - 磁场平行于导体表面- 电场的平行分量为零，- 电场的垂

26、直分量法向 导数为零自然条件第63页，共86页。平行极化波斜入射/ 横磁波（1） 对于平行极化波，下半空间的合成电场的 x 分量为 同理可得合成电场的 z 分量及合成磁场分别为 可见，合成波的相位随 x 变化，而振幅与 z 有关，合成波为向正 x 方向 传播的非均匀平面波 由于在传播方向 x 上存在电场分量 x ，合成场是非 TEM 波，而磁场垂 直于传播方向，即横磁波或 TM 波Hx第64页，共86页。平行极化波斜入射/ 横磁波（2） 由上求得 E x 分量的振幅为振幅沿 z 轴的变化为正弦函数而 E z 分量和 H y 分量沿 z 轴的变化为余弦函数可见，在 z 方向上形成 驻波，沿 x

27、方向上为行波HxzEx01 = 02 = x 合成波的复能流密度矢量为在 x 方向上存在单向的能量流动，而在 z 方向上只有电磁能量的相互交换第65页，共86页。垂直极化波斜入射/ 横电波 对于垂直极化波，同样可以求得下半空间合成场的各个分量分别为 可见，合成场同样构成向 x 方向传播的非均匀平面波，但电场垂直于传播方向，合成场称为横电波或 TE 波。Ex- 同样，在 x 方向上存在单向的能量流动， 而在 z 方向上只有电磁能量的相互交换第66页，共86页。 TM 波 / TE 波 波导（1） 如上分析表明，当入射波斜射到导体表明时，入射波和反射波合成的波沿 边界传播，因此导体表面有导行电磁波

28、的功能 平行入射波时为 TM 波，垂直入射波时为 TE 波，且在 处，电场为零。如果在 处放置一块无限大的理想导电平面， 不会破坏原来的场分布 如果实际放置导体平面，并认为电 磁波在两个导体表面间连续反射而 传播导向 TM / TE 波.在放置导体 平面后，导体板外侧的电磁波为零。 因此，在两块相互平行的无限大的 理想导体可导行电磁波波导。z1 = 02 = x第67页，共86页。TM 波 / TE 波 波导（2） 如果在垂直于y-轴上放置两个导体平面，那么，对 TM 情况，电场平行导体平面 ，其间的电磁场均无影响。对 TE 情况电场是垂直平面的，不影响边界条件 成立。两种情况均满足波导特有的

29、边界条件（见后），因此，封闭的局限导体管可导行电磁波波导。 此外，波导的几何尺寸要求 因此，波导不能导行大于 波 长的电磁波。故有截止波长和截止 频率的限制（概念）。第68页，共86页。课堂休息课 堂 休 息第69页，共86页。4.5 电磁波正入射/ 驻波 正入射到理想导体/ 驻波 平面波对理想介质的正入射 驻波比 入端（等效）阻抗 半波窗和阻抗变换器第70页，共86页。 正入射到理想导体/ 驻波（1） - 理想导体中 平面波正入射到理想导体- 分界面上- 理想介质中 瞬时形式振幅随 x 作正弦变化，相位与 x 无关 , 无波动性 , 称为驻波 驻波的能量 电能与磁能相互等值交换第71页，共8

30、6页。正入射到理想导体/ 驻波（2） 理想导体表面必有感应电流 波节与波腹 当称为波节 E 最大, 称为波腹Ex 00 x 1 = 02 = t1 = 0 磁场电场在空间上相差 。 反射场的源第72页，共86页。平面波对理想介质的正入射 分界面边界条件 区域 行驻波，能量一部分返回电源，一部分传播 区域 行波、等幅波第73页，共86页。驻波比z 标记当 时 ， 电磁波是行波/驻波当 时， 阻抗匹配 ， 全透射，电磁波是行波当 （导体）时， 全反射，电磁波是驻波。 驻波比（行波，全透射)(驻波，全反射） （部分反射）第74页，共86页。入端（等效）阻抗式中 是媒质分界面处( x 0 )的反射系数

31、。 Z ( x ) 是 x 处的入端阻抗。波阻抗等效将均匀介质的波阻抗推广到不同介质组成的介质空间中，将z右边视为一种介 质空间所表现出的阻抗反过来第75页，共86页。半波窗和阻抗变换器已知波阻抗 ，试求当均匀平面波正入射到介质1,2 的界面时，不发生反射的 d 及思路若介质 1 中无反射，则 可给出 d 及 求解方程式中又 依次代人可列得出方程第76页，共86页。半波窗和阻抗变换器方程实部和虚部为零： 当 时，令 两式均成立解得称为“半波窗”即有 当 时， 令 电磁波可完全地通过半波介质而无损耗克服电磁反射而使电磁波能量透射，在实际中有广泛的应用。例，雷达天线罩电磁波可完全地通过 厚度的介质阻抗变换器阻抗匹配阻抗变换器第77页，共86页。 相速度 群速度 信号速度4.6 波速度第78页，共86页。波速度 电磁波的速度 变化的电场和磁场相互激发在空间传递的速度可视为电磁波的速度。 但对于波动而言，存在着不同物理量的传播速度