《电磁场与电磁波》绪论

2023/2/4张洪欣《电磁场与电磁波》

张洪欣沈远茂等编电子工程学院2023/2/4本课程的内容一、静态场二、静电场与恒定电场三、恒定磁场四、静态场边值问题六、平面电磁波七、电磁波反射折射九、电磁辐射无线电波传播射频/微波电路天线五、时变电磁场八、传输线与波导2023/2/40概论学习电磁场理论的意义本课程的性质、任务和要求本课程的学习方法（2）P27:（1-108)改错：（1）P15:（1-75)（3）P104:例题4-1（4）P283:5-10，E和H的表达式中去掉2023/2/4学习电磁理论的意义(1)2023/2/4GPS是美国国防部投资100亿美元，历时20余年开发成功的一种无线电导航定位系统。1993年用于民用.GPS是一个全球性无线电导航定位、定时多功能系统。就是在外太空设置一个“无线电导航台”。由24颗人造卫星组成的卫星网，距地球2万多公里。向地球不断发射定位信号。地球上的GPS接收机，均能接收到4颗以上的卫星发出的信号，经过计算后，就可报出GPS接收机的位置（经度、纬度、高度）、时间和运动状态（速度、航向）2023/2/4世界上有美国、俄罗斯（Glonass）和欧洲“伽利略”（我国参股）、北斗系统。GNSS。中国北斗卫星导航定位系统：5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，提供开放服务和授权服务。现在有11颗，定位精度达到10米以内。GNSS:GlobalNavigationSatelliteSystem2023/2/42012年2月发射第11颗北斗导航卫星(第9颗组网卫星

)2023/2/4国产北斗海上搜索定位系统“北斗”导航卫星北斗卫星导航系统2012年12月27日起向亚太大部分地区正式提供区域服务，包括定位、导航、双向授时和短报文信息服务。基本性能:位置精度平面10米、高程10米；测速精度每秒0.2米；授时精度单向50纳秒。2023/2/4新业务1频率有效利用技术新频段的启用信道容量不足信道容量仍不足新业务2移动通信：f=60MHz→

150MHz→400MHz→800/900MHz→1800/1900MHz2000MHz

=5m

→2m →75cm→37.5/33.3cm→16.6/15.7cm→15cm频率有效利用技术新频段的启用2023/2/4随着工作频率的升高:小结构电大尺寸；当频率高于某个值后，电感或电容不再是单纯的电感、电容；集中参数元件需当作分立参数电路结构对待。2023/2/4学习电磁理论的意义(2)微电子器件与电路微波工程与射频工程无线通信生物医学工程光通信电气工程电磁理论电磁理论通过不同的学科/技术日益渗入人们的日常生活。2023/2/4无线通信2023/2/4TypicalApplicationsrelatedtoEMs: Personalcomputers

–GHzfrequencyrange

Cellularphones,pagers,satellitephones

–GHzfrequencyrange Biomedicalequipment

–Implantsinsidethehumanbody

Wearablewirelessdevices

–Landwarrior Remotesensing

–Astronomy RFIDandTagging

–Inventoryandsecurity GPS

–Navigation

BluetoothandWLAN，UWB

–Shortdistancecommunication VehicleDopplerradar

–collisionavoidance

PoliceRadio

–Communication2023/2/42023/2/4•公元前600希腊——摩擦后的琥珀可吸引微小物体•公元前300中国——磁石吸铁•公元初中国——世界上第一个指南针——地球磁场•1785年法国——库仑(1736~1806)定律•1820年丹麦丹麦——奥斯特(1777~1851)发现电流的磁场；法国物理学家毕奥和萨伐尔通过实验总结出了毕奥－萨伐尔定律•1820年法国——安培(1775~1836)电流回路间作用力，安培定律。•

1822年安培提出一切磁现象的根源是电流的假说2023/2/4•1831年英国——法拉第电磁感应定律变化的磁场产生电场•1887年德国——赫兹(1857~1894)实验麦氏方程组—电磁波的存在•1873年英国英国—麦克斯韦(1831~1879)位移电流,时变电场产生磁场—麦氏方程组2023/2/4如果介质的μ和ε都小于零，电磁波能在其中传播。但是E

、H、k

之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系。这种介质被称为“左手材料”（Left-HandedMetamaterials)(a)右手材料(e>0,m>0)右手材料(e>0,m>0)左手材料(e<0,m<0)(e(b)一种奇特的媒质2023/2/4

(a)一维LHM结构(b)二维LHM结构左手材料结构2023/2/4折射光仍然满足Snell定律(c)左手材料(c)左手材料(c)左手材料(b)左手材料左手材料(b)左手材料左手材料(b)左手材料左手材料2Ev·Svkv(e1>0,m1>0)(e2<0,m2<0)·(a)左手材料·(e1>0,m1>0)(e2<0,m2<0)·(a)左手材料(2>0,

2>0)右手材料2023/2/4反常的Doppler效应2023/2/4电磁黑洞在窄频带内能近100％吸收入射电磁波。2023/2/4太赫兹技术THz波所处的位置正好处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区（0.1T-10T）；(1)瞬态性：脉宽在皮秒量级（10-12），时间分辨高；(2)宽带性(3)相干性，由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或由相干的激光脉冲通过非线性光学差频变换产生。2023/2/4(4)低能性：THz光子的能量只有10-3eV，无损检测，适合生物大分子与活性物质结构的研究；(5)THz辐射具有很好的穿透性，它能以很小的衰减穿透物质如烟尘、墙壁、布料及陶瓷等，在环境控制与国家安全方面能有效发挥作用．2023/2/4本课程的性质、任务和要求《电磁场理论与微波技术》是电子类专业必修的一门专业基础理论课。

电路理论的生长点：Maxwell方程组电路理论

低频高频射频/微波光纤任务:介绍宏观电磁现象的基础理论和平面电磁波动的基本规律，研究静电场，恒定电场，恒定磁场，静态场的边值问题，时变电磁场，平面电磁波以及导行电磁波与电磁辐射基础理论。2023/2/4与其它课程的关系2023/2/4要求：完整地理解和掌握宏观电磁场的基本性质和基本规律； 对通信工程中的电磁现象和电磁场问题能用场的观点进行分析和 计算，提高分析和解决通信工程中实际问题的能力。 为后续课程的学习打下坚实的基础。

2023/2/42023/2/4本课程的学习方法电磁场与电磁波理论：

体系完整；概念性强；空时多位矢量；方法灵活。 熟练数学工具； 加深对基本概念的理解； 培养形象思维与抽象思维

本课程不是数学课，不要陷入数学之中。认真完成作业。作业成绩20％，期中20％，期末60％2023/2/4方法论与实践在这个世界上，人们不是不喜欢美好的前景与伟大的目标。人们实在是不得其法或者不得要领。

专业化的时代可以理解为是一个专业方法论的时代。探索、发明、提升、推广、普及方法论才是我们这个时代真正需要的东西。“佛是善导,导入善道。行与不行,并非在导；佛是良医,看病与药。服与不服,并非在医。2023/2/4哈佛大学教授安娜格林伯格：“要重视那些方法论与工具论的课程，因为需要有更多的投入与实践才能掌握。而你一旦掌握