第四章 时变电磁场

第四章时变电磁场1第1页，共101页，2023年，2月20日，星期四麦克斯韦方程组的微分形式（描述电场与磁场间的相互作用关系）

麦克斯韦第一方程，表明传导电流和变化的电场都能产生磁场麦克斯韦第二方程，表明变化的磁场产生电场麦克斯韦第三方程表明磁场是无源场，磁力线总是闭合曲线麦克斯韦第四方程，表明电荷产生电场2第2页，共101页，2023年，2月20日，星期四时变电场的激发源除了电荷以外，还有变化的磁场；而时变磁场的激发源除了传导电流以外，还有变化的电场。电场和磁场互为激发源，相互激发。时变电磁场的电场和磁场不再相互独立，而是相互关联，构成一个整体——电磁场。电场和磁场分别是电磁场的两个分量。在时变的情况下，电场和磁场可以相互激发，从而在空间形成电磁振荡并传播，这就是电磁波；时变电磁场的能量以电磁波的形式进行传播。3第3页，共101页，2023年，2月20日，星期四

波的概念

波阵面：空间相位相同的点构成的曲面，即等相位面电磁波可以按等相位面的形状分为：平面波、柱面波和球面波。

平面波：等相位面为无限大平面的电磁波横电磁波（TEM):电场强度E和磁场强度H相互垂直，两者又位于波的传播方向垂直的横向平面内

均匀平面波：等相位面上电场和磁场的方向、振幅都保持不变的平面波4第4页，共101页，2023年，2月20日，星期四EHz波传播方向

均匀平面波波阵面xyo平面波是一种最简单、最基本的电磁波，它具有电磁波的普遍性质和规律，实际存在的电磁波均可以分解成许多平面波，因此，平面波是研究电磁波的基础，有着十分重要的理论价值；均匀平面波是电磁波的一种理想情况，其分析方法简单，但又表征了电磁波的重要特性。5第5页，共101页，2023年，2月20日，星期四严格地说，理想的平面电磁波是不存在的，因为只有无限大的波源才能激励出这样的波。但是如果场点离波源足够远，那么空间曲面的很小一部分就十分接近平面，在这一小范围内，波的传播特性近似为平面波的传播特性。例如，距离发射天线相当远的接收天线附近的电磁波，由于天线辐射的球面波的等相位球面非常大，其局部可近似为平面，因此可以近似地看成均匀平面波6第6页，共101页，2023年，2月20日，星期四7第7页，共101页，2023年，2月20日，星期四4.1时谐电磁场电磁场波动方程电磁场的位函数时谐电磁场8第8页，共101页，2023年，2月20日，星期四波动方程在无源空间中，设媒质是线形、各向同性且无损耗的均匀媒质，则有无源区的波动方程波动方程——二阶矢量微分方程，揭示电磁场的波动性

麦克斯韦方程——一阶矢量微分方程组，描述电场与磁场间的相互作用关系

麦克斯韦方程组波动方程（揭示了时变电磁场的运动规律

）问题的提出电磁波动方程9第9页，共101页，2023年，2月20日，星期四引入位函数来描述时变电磁场，使一些问题的分析得到简化。引入位函数的意义位函数的定义10第10页，共101页，2023年，2月20日，星期四位函数的不确定性满足下列变换关系的两组位函数和能描述同一个电磁场问题。即也就是说，对一给定的电磁场可用不同的位函数来描述。不同位函数之间的上述变换称为规范变换

原因：未规定的散度为任意可微函数11第11页，共101页，2023年，2月20日，星期四在电磁理论中，通常采用洛伦兹条件，即位函数的规范条件造成位函数的不确定性的原因就是没有规定的散度。利用位函数的不确定性，可通过规定的散度使位函数满足的方程得以简化。12第12页，共101页，2023年，2月20日，星期四电磁位函数只是简化时变电磁场分析求解的一种辅助函数，应用不同的规范条件，矢量位A和标量位的解也不相同，但最终得到的电磁场矢量是相同的。在时变电磁场条件下，若应用洛伦兹条件,电磁场的标量位和矢量位满足的波动方程13第13页，共101页，2023年，2月20日，星期四时谐电磁场

复矢量的麦克斯韦方程时谐电磁场的复数表示时谐场的位函数亥姆霍兹方程平均能流密度矢量14第14页，共101页，2023年，2月20日，星期四HyExz15第15页，共101页，2023年，2月20日，星期四时谐电磁场的概念如果场源以一定的角频率随时间呈时谐（正弦或余弦）变化，则所产生电磁场也以同样的角频率随时间呈时谐变化。这种以一定角频率作时谐变化的电磁场，称为时谐电磁场或正弦电磁场。

研究时谐电磁场具有重要意义在工程上，应用最多的就是时谐电磁场。广播、电视和通信的载波等都是时谐电磁场。

任意的时变场在一定的条件下可通过傅立叶分析方法展开为不同频率的时谐场的叠加。16第16页，共101页，2023年，2月20日，星期四4.5.1时谐电磁场的复数表示时谐电磁场可用复数方法来表示，使得大多数时谐电磁场问题得分析得以简化。

设是一个以角频率随时间t作正弦变化的场量，它可以是电场和磁场的任意一个分量，也可以是电荷或电流等变量，它与时间的关系可以表示成其中时间因子空间相位因子利用三角公式式中的A0为振幅、为与坐标有关的相位因子。实数表示法或瞬时表示法复数表示法复振幅17第17页，共101页，2023年，2月20日，星期四复数式只是数学表示方式，不代表真实的场真实场是复数式的实部，即瞬时表达式时间因子它反映了电场强度随时间变化的规律。照此法，矢量场的各分量Ei（i表示x、y或z）可表示成各分量合成以后，电场强度为

有关复数表示的进一步说明复矢量18第18页，共101页，2023年，2月20日，星期四例4.5.1

将下列场矢量的瞬时值形式写为复数形式（2）解：（1）由于（1）19第19页，共101页，2023年，2月20日，星期四（2）因为故所以20第20页，共101页，2023年，2月20日，星期四复矢量的麦克斯韦方程从形式上讲，只要把微分算子用代替，就可以把时谐电磁场的场量之间的关系，转换为复矢量之间关系。因此得到复矢量的麦克斯韦方程～21第21页，共101页，2023年，2月20日，星期四例题：已知正弦电磁场的电场瞬时值为式中

解：（1）因为故电场的复矢量为试求：（1）电场的复矢量;。22第22页，共101页，2023年，2月20日，星期四4.5.4亥姆霍兹方程

导电媒质无损耗介质

在时谐时情况下，将、，即可得到复矢量的波动方程，称为亥姆霍兹方程。瞬时矢量复矢量23第23页，共101页，2023年，2月20日，星期四4.5.5时谐场的位函数

在时谐情况下，矢量位和标量位以及它们满足的方程都可以表示成复数形式。洛仑兹条件达朗贝尔方程瞬时矢量复矢量24第24页，共101页，2023年，2月20日，星期四4.5.6平均能量密度和平均能流密度矢量

时谐场中二次式的表示方法

二次式本身不能用复数形式表示，其中的场量必须是实数形式，不能将复数形式的场量直接代入。

设某正弦电磁场的电场强度和磁场强度分别为电磁场能量密度和能流密度的表达式中都包含了场量的平方关系，这种关系式称为二次式。25第25页，共101页，2023年，2月20日，星期四则能流密度为如把电场强度和磁场强度用复数表示，即有先取实部，再代入26第26页，共101页，2023年，2月20日，星期四使用二次式时需要注意的问题二次式只有实数的形式，没有复数形式场量是实数式时，直接代入二次式即可场量是复数式时，应先取实部再代入，即“先取实后相乘”如复数形式的场量中没有时间因子，取实前先补充时间因子27第27页，共101页，2023年，2月20日，星期四二次式的时间平均值在时谐电磁场中，常常要关心二次式在一个时间周期T中的平均值，即平均能流密度矢量平均电场能量密度平均磁场能量密度在时谐电磁场中，二次式的时间平均值可以直接由复矢量计算，有28第28页，共101页，2023年，2月20日，星期四则平均能流密度矢量为如果电场和磁场都用复数形式给出，即有时间平均值与时间无关例如某正弦电磁场的电场强度和磁场强度都用实数形式给出29第29页，共101页，2023年，2月20日，星期四无损耗介质中的均匀平面波5.1.1一维波动方程的均匀平面波解5.1.2理想介质中均匀平面波的传播特点5.1.3沿任意方向传播的均匀平面波30第30页，共101页，2023年，2月20日，星期四由于5.1.1一维波动方程的均匀平面波解设在无限大的无源空间中，充满线性、各向同性的均匀理想介质。均匀平面波沿z轴传播，则电磁强度和磁场强度均不是x和y的函数，即同理

结论：均匀平面波的电场强度和磁场强度都垂直于波的传播方向——横电磁波（TEM波）31第31页，共101页，2023年，2月20日，星期四设电场只有x分量，即其解为：可见，表示沿+z方向传播的波。的波形解的物理意义第一项第二项沿-z方向传播的波32第32页，共101页，2023年，2月20日，星期四由，可得

其中称为媒质的本征阻抗。在真空中相伴的磁场同理，对于磁场与电场相互垂直，且同相位

结论：在无损耗介质中，均匀平面波的电场强度与磁场强度相互垂直，且同相位。33第33页，共101页，2023年，2月20日，星期四1、均匀平面波的传播参数周期T：时间相位变化2π的时间间隔，即（1）角频率、频率和周期角频率ω：表示单位时间内的相位变化，单位为rad/s

频率f

：

t

T

o

xE

的曲线5.1.2无损耗介质中均匀平面波的传播特点34第34页，共101页，2023年，2月20日，星期四（2）波长和相位常数k的大小等于空间距离2π内所包含的波长数目，因此也称为波数。波长λ：空间相位差为2π的两个波阵面的间距，即相位常数

k

：表示波传播单位距离的相位变化

o

xE

lz的曲线35第35页，共101页，2023年，2月20日，星期四（3）相速（波速）真空中：由相速v：电磁波的等相位面在空间中的移动速度相速只与媒质参数有关，而与电磁波的频率无关故得到均匀平面波的相速为36第36页，共101页，2023年，2月20日，星期四2、能量密度与能流密度由于，于是有能量的传输速度等于相速故电场能量与磁场能量相同37第37页，共101页，2023年，2月20日，星期四3、无损耗介质中的均匀平面波的传播特点xyzEHo理想介质中均匀平面波的和EH电场、磁场与传播方向之间相互垂直，是横电磁波（TEM波）无衰减，电场与磁场的振幅不变波阻抗为实数，电场与磁场同相位电磁波的相速与频率无关，无色散电场能量密度等于磁场能量密度，

能量的传输速度等于相速根据前面的分析，可总结出理想介质中的均匀平面波的传播特点为：38第38页，共101页，2023年，2月20日，星期四

例5.1.1频率为9.4GHz的均匀平面波在聚乙烯中传播，设其为无耗材料，相对介电常数为εr=2.26。若磁场的振幅为7mA/m，求相速、波长、波阻抗和电场强度的幅值。

解：由题意因此

39第39页，共101页，2023年，2月20日，星期四

解：以余弦为基准，直接写出

例5.1.2

均匀平面波的磁场强度的振幅为A/m，以相位常数为30rad/m在空气中沿方向传播。当t=0和z=0时，若取向为，试写出和的表示式，并求出频率和波长。因，故则40第40页，共101页，2023年，2月20日，星期四例5.1.3

频率为100Mz的均匀电磁波，在一无耗媒质中沿+z方向传播，其电场。已知该媒质的相对介电常数εr=4、相对磁导率μr=1，且当t=0、z=1/8m时，电场幅值为10－4V/m。试求电场强度和磁场强度的瞬时表示式。

解：设电场强度的瞬时表示式为对于余弦函数，当相角为零时达振幅值。考虑条件t=0、z=1/8m时，电场达到幅值，得式中41第41页，共101页，2023年，2月20日，星期四

所以磁场强度的瞬时表示式为式中因此42第42页，共101页，2023年，2月20日，星期四沿+z方向传播的均匀平面波5、沿任意方向传播的均匀平面波沿传播方向的均匀平面波沿任意方向传播的均匀平面波

波传播方向

z

y

x

o

rne等相位面

P(x,y,z)yzxo沿＋z方向传播的均匀平面波P(x,y,z)波传播方向r等相位面

43第43页，共101页，2023年，2月20日，星期四电磁波的极化极化的概念

线极化波圆极化波椭圆极化波极化波的合成与分解极化的工程应用44第44页，共101页，2023年，2月20日，星期四极化的概念

波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性,是电磁理论中的一个重要概念。在电磁波传播空间给定点处，电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹。

波的极化45第45页，共101页，2023年，2月20日，星期四一般情况下，沿+z方向传播的均匀平面波，其中电磁波的极化状态取决于Ex和Ey的振幅之间和相位之间的关系，分为：线极化、圆极化、椭圆极化。

极化的三种形式

线极化：电场强度矢量的端点轨迹为一直线段

圆极化：电场强度矢量的端点轨迹为一个圆

椭圆极化：电场强度矢量的端点轨迹为一个椭圆46第46页，共101页，2023年，2月20日，星期四线极化波随时间变化

条件：或合成波电场的模合成波电场与+x轴的夹角

特点：合成波电场的大小随时间变化但其矢端，轨迹与x轴的夹角始终保持不变。

结论：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的线极化波，当它们的相位相同或相差为±π

时，其合成波为线极化波。常数47第47页，共101页，2023年，2月20日，星期四圆极化波则

条件：合成波电场的模常数合成波电场与+x轴的夹角随时间变化

特点：合成波电场的大小不随时间改变，但方向却随时间变化，电场的矢端在一个圆上并以角速度ω旋转。

结论：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的线极化波，当它们的振幅相同、相位差为±π/2时，其合成波为圆极化波。48第48页，共101页，2023年，2月20日，星期四（b）左旋圆极化波图6-8圆极化波的空间极化zxy

OzxyO（a）右旋圆极化波49第49页，共101页，2023年，2月20日，星期四右旋圆极化波oExyxE

Eya

左旋圆极化波oxEyxEyEa

右旋圆极化波：若φx－φy＝π/2，则电场矢端的旋转方向与电磁波传播方向成右手螺旋关系，称为右旋圆极化波左旋圆极化波：若φx－φy＝π/2，则电场矢端的旋转方向与电磁波传播方向成左手螺旋关系，称为左旋圆极化波50第50页，共101页，2023年，2月20日，星期四其它情况下，令，由椭圆极化波可得到

特点：合成波电场的大小和方向都随时间改变，其端点在一个椭圆上旋转。51第51页，共101页，2023年，2月20日，星期四

合成波极化的小结线极化：φ

=0、±；φ

=0，在1、3象限，φ

=，在2、4象限

椭圆极化：其它情况；φ

＞0，右旋，φ

＜0，左旋圆极化：φ

=±/2，Exm=Eym；取“＋”，右旋圆极化，取“－”，左旋圆极化电磁波的极化状态取决于Ex和Ey的振幅Exm、Eym和相位差φ＝φx－φy对于沿+z方向传播的均匀平面波：52第52页，共101页，2023年，2月20日，星期四

例5.2.1

说明下列均匀平面波的极化方式。(1)(2)(3)(4)解：（1）（2）（3）（4）左旋圆极化波右旋圆极化波线极化波左旋椭圆极化波53第53页，共101页，2023年，2月20日，星期四极化波的分解任何一个线极化波都可以表示成旋向相反、振幅相等的两圆极化波的叠加,即任何一个椭圆极化波也可以表示成旋向相反、振幅不等的两圆极化波的叠加，即任何一个线极化波、圆极化波或椭圆极化波可分解成两个线极化波的叠加54第54页，共101页，2023年，2月20日，星期四

电磁波的极化特性，在工程上获得非常广泛的实际应用。无线电技术中，利用天线发射和接收电磁波的极化特性，实现无线电信号的最佳发射和接收。电场垂直于地面的线极化波沿地球表面传播时，其损耗小于电场平行于地面传播时的损耗，所以调幅电台发射的电磁波的电场强度矢量是与地面垂直的线极化波，收听者想得到最佳的收音效果，应将收音机的天线调整到与电场平行的位置，即与大地垂直。在移动通信或微波通信中使用的极化分集接收技术，就是利用了极化方向相互正交的两个线极化55第55页，共101页，2023年，2月20日，星期四

的电平衰落统计特性的不相关性进行合成，以减少信号的衰落深度。在军事上为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标，需要应用圆极化天线，因为使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。如果通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，例如在剧烈摆动或旋转的运载体（如飞行器等）上，为了提高通信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中，信号穿过电离层传播后，因法拉第旋转效应（见第6-6-2节）产生极化畸变，这也要求地面上安装圆极化天线作发射或接收天线。56第56页，共101页，2023年，2月20日，星期四

在电视中为了克服杂乱反射所产生的重影，也可采用圆极化天线，因为当圆极化波入射到一个平面上或球面上时，其反射波旋向相反，天线只能接收旋向相同的直射波，抑制了反射波传来的重影信号。当然，这需对整个电视天线系统作改造，目前应用的仍是水平线极化天线（电视信号为空间直接波传播，不是地面波传播，不同于上述水平极化波在地球表面传播损耗大的情况），电视接收天线应调整到与地面平行的位置。而由国际通信卫星转发的卫星电视信号是圆极化的。在雷达中，可利用圆极化波来消除云雨的干扰，因为水滴近似呈球形，对圆极化波的反射是反旋的，不会被雷达天线所接57第57页，共101页，2023年，2月20日，星期四收；而雷达目标（如飞机、舰船等）一般是非简单对称体，其反射波是椭圆极化波，必有同旋向的圆极化成分，因而能收到。在气象雷达中可利用雨滴的散射极化的不同响应来识别目标。EiHixzy媒质Ⅱ媒质Ⅰ反射波ErHr透射波EtHt入射波图6-10均匀平面波的垂直入射此外，有些微波器件的功能就是利用电磁波的极化特性获得的，例如铁氧体环行器和隔离器等。在分析化学中利用某些物质对于传播其中的电磁波具有改变极化方向的特性来实现物质结构的分析。58第58页，共101页，2023年，2月20日，星期四

电磁波的极化在许多领域中获得了广泛应用。如：极化波的工程应用在雷达目标探测的技术中，利用目标对电磁波散射过程中改变极化的特性实现目标的识别无线电技术中，利用天线发射和接收电磁波的极化特性，实现最佳无线电信号的发射和接收。在光学工程中利用材料对于不同极化波的传播特性设计光学偏振片等等59第59页，共101页，2023年，2月20日，星期四垂直极化水平极化水平金属栅网金属反射板玻璃钢罩馈源抛物面/4出极化扭转天线示意图45°金属栅网垂直极化水平极化水平金属栅网金属反射板玻璃钢罩馈源抛物面/4出极化扭转天线示意图45°金属栅网入60第60页，共101页，2023年，2月20日，星期四导电媒质中的均匀平面波导电媒质的典型特征是电导率≠0电磁波在导电媒质中传播时，有传导电流J=E存在，同时伴随着电磁能量的损耗电磁波的传播特性与非导电媒质中的传播特性有所不同61第61页，共101页，2023年，2月20日，星期四沿z轴传播的均匀平面波解为令，则均匀平面波解为5.3.1导电媒质中的均匀平面波

称为电磁波的传播常数，单位：1/m是衰减因子，称为衰减常数，单位：Np/m（奈培/米）是相位因子，称为相位常数，单位：rad/m（弧度/米）瞬时值形式振幅有衰减波动方程62第62页，共101页，2023年，2月20日，星期四本征阻抗导电媒质中的电场与磁场非导电媒质中的电场与磁场

相伴的磁场本征阻抗为复数磁场滞后于电场63第63页，共101页，2023年，2月20日，星期四相速不仅与媒质参数有关，而与电磁波的频率有关

传播参数64第64页，共101页，2023年，2月20日，星期四

导电媒质中均匀平面波的传播特点电场强度E、磁场强度H与波的传播方向相互垂直，是横电磁波（TEM波）；媒质的本征阻抗为复数，电场与磁场不同相位，磁场滞后于电场角；在波的传播过程中，电场与磁场的振幅呈指数衰减；波的传播速度（相度）不仅与媒质参数有关，而与频率有关（有色散）。65第65页，共101页，2023年，2月20日，星期四弱导电媒质：5.3.2弱导电媒质中的均匀平面波

弱导电媒质中均匀平面波的特点相位常数和非导电媒质中的相位常数大致相等；电场和磁场存在较小的相位差。衰减小；66第66页，共101页，2023年，2月20日，星期四良导体：5.3.3良导体中的均匀平面波

良导体中的参数波长：相速：金、银、铜、铁、铝等金属对于无线电波均是良导体。例如铜：

67第67页，共101页，2023年，2月20日，星期四趋肤效应：电磁波的频率越高，衰减系数越大，高频电磁波只能存在于良导体的表面层内，称为趋肤效应。

趋肤深度（）：电磁波进入良导体后，其振幅下降到表面处振幅的1/e时所传播的距离。即本征阻抗良导体中电磁波的磁场强度的相位滞后于电磁强度45o。趋肤深度68第68页，共101页，2023年，2月20日，星期四铜：69第69页，共101页，2023年，2月20日，星期四表5.3.1一些金属材料的趋肤深度和表面电阻材料名称电导率σ

/(S/m)趋肤深度δ

/m表面电阻RS/Ω银6.17×107紫铜5.8×107铝3.72×107钠2.1×107黄铜1.6×107锡0.87×107石墨0.01×10770第70页，共101页，2023年，2月20日，星期四例5.3.1一沿x方向极化的线极化波在海水中传播，取+z轴方向为传播方向。已知海水的媒质参数为εr=81、μr=1、σ=4S/m，在z=0处的电场Ex=100cos(107πt)V/m。求：（1）衰减常数、相位常数、本征阻抗、相速、波长及趋肤深度；（2）电场强度幅值减小为z=0处的1/1000时，波传播的距离（3）z=0.8m处的电场强度和磁场强度的瞬时表达式；（4）z=0.8m处处穿过1m2面积的平均功率。解：（1）根据题意，有所以此时海水可视为良导体。71第71页，共101页，2023年，2月20日，星期四故衰减常数相位常数本征阻抗相速波长趋肤深度72第72页，共101页，2023年，2月20日，星期四（2）令e-αz＝1/1000，即eαz＝1000，由此得到电场强度幅值减小为z=0处的1/1000时，波传播的距离故在z=0.8m处，电场的瞬时表达式为磁场的瞬时表达式为（3）根据题意，电场的瞬时表达式为73第73页，共101页，2023年，2月20日，星期四（4）在z=0.8m处的平均坡印廷矢量穿过1m2的平均功率Pav=0.75mW

由此可知，电磁波在海水中传播时衰减很快，尤其在高频时，衰减更为严重，这给潜艇之间的通信带来了很大的困难。若为保持低衰减，工作频率必须很低，但即使在1kHz的低频下，衰减仍然很明显。海水中的趋肤深度随频率变化的曲线74第74页，共101页，2023年，2月20日，星期四战争时，潜艇要遂行军事任务必须要有安全可靠的通信方式，也就是说要秘密地与外界“对话”。潜艇在海上是如何进行通信联络的呢？潜艇在水面和潜望状态航行时，主要是靠无线电短波通信（波长为10米至100米）。短波通信是利用电磁波在空中传播某种信号的通信方式，是潜艇与岸上指挥机构联络的主要方式，属于双向通信。短波在水中不能使用，因为海水为良导体，由于趋肤效应，短波在水中衰减得太快，不等到它传到水面就已经衰耗完了，所以必须把发射天线伸出水面才能正常工作。但是潜艇的升降天线装置长度有限，为了解决升降天线短的问题，还可以采用浮标天线或浮力天线，即把天线通过一根长长的绳索施放到水面或接近水面的地方，这样潜艇在水下一定深度也可发射信号。实际上，这样仍然存在一个潜艇自我暴露的问题。解决办法：声纳（声波）75第75页，共101页，2023年，2月20日，星期四高频感应炉的加热方式是通过电子管振荡电路产生高频电磁场，然后加到样品之上，对样品进行感应，产生涡电流（涡流），从而产生焦耳热，使样品迅速升温熔化，所以称为高频感应炉。

感应加热的原理是：将工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电(1000-300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000ºC，而心部温度升高很小。76第76页，共101页，2023年，2月20日，星期四

一般厚度的金属外壳在无线电频段有很好的屏蔽作用，如中频变压器的铝罩,晶体管的金属外壳等都很好地起屏蔽作用，但对低频无工程意义。低频时可采用铁磁性导体（如铁)进行屏蔽。趋肤效应在工程上有重要应用，例如用于表面热处理：用高频强电流通过一块金属，由于趋肤效应，它的表面首先被加热，迅速达到淬火的温度，而内部温度较低，这时立即淬火使之冷却，表面就会变得很硬，而内部仍保持原有的韧性。77第77页，共101页，2023年，2月20日，星期四

同一根导线高频时的电阻比直流电阻大得多。如何减少导体的高频电阻呢？可以采用多股漆包线或辫线，即用相互绝缘的细导线编织成束，来代替同样总截面积的实心导线。在无线电技术中通常用它绕制高Q值电感。78第78页，共101页，2023年，2月20日，星期四色散与群速

色散现象：相速随频率变化单一频率的电磁波不载有任何有用信息，只有由多个频率的正弦波叠加而成的电磁波才能携带有用信息。

电磁波的传播特性与介质参数(、和)有关，当这些参数和传播常数随频率变化时，不同频率电磁波的传播特性就会有所不同，这就是色散效应，这种媒质称为色散媒质。79第79页，共101页，2023年，2月20日，星期四色散的名称来源于光学，当一束太阳光入射至三棱镜上时，则在三棱镜的另一边就可看到散开的七色光，其原因是不同频率的光在同一媒质中具有不同的折射率，亦即具有不同的相速。色散会使已调制的无线电信号波形发生畸变一个调制波可认为是由许多不同频率的时谐波合成的波群，不同频率的时谐波相速不同，衰减也不同，传播一段距离后，必然会有新的相位和振幅关系，合成波将可能发生失真。而且，已调波中这些不同频率的时谐波在媒质中各有各的相速，造成无法用相速进行总体描述，因此，有必要研究作为整体的波群在空间的传播速度80第80页，共101页，2023年，2月20日，星期四群速度（vg）是指脉冲波的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度，它是波群的能量传播速度。通俗的说，群速度是关于一族频率相近的波的传播速度。而相速度（vp）是波上相位固定的一点传播方向的传播速度。不同的谐波以不同的相速度vp传播，但叠加起来之后的波群以群速度vg传播。群速：载有信息的电磁波通常是由一个高频载波和以载频为中心向两侧扩展的频带所构成的波包，波包包络传播的速度就是群速。81第81页，共101页，2023年，2月20日，星期四2．波速的一般概念电磁波的传播速度或波速是一个统称，通常有相速、能速、群速和信号速度之分，其大小和相互关系依赖于媒质特性与导波系统的结构。只有在非色散媒质中，均匀平面波的能速、群速与相速相等可以笼统地称之为波速v，若媒质为真空,则波速等于光速c。（1）相速

相速定义为单一频率的平面波（单色波）的等相位面的传播速度，计算公式是。相速的概念只适用于一个t从延伸到的单色波,而这样的波是不可能实现的，实际的波总是从某个时刻开始产生，这就成了一种被阶跃函数调制的已调波。82第82页，共101页，2023年，2月20日，星期四

相速仅仅确定相位关系，未调制载波不能传递信息，相速也不代表能量的速度。（2）群速载信息的信号总是包含许多不同频率的分量，现在讨论一个简单情况。假设信号由两个振幅相同、角频率分别为（）和的时谐波组成。由于角频率不同，两个波的相位常数也不同，分别为和，则合成波为

83第83页，共101页，2023年，2月20日，星期四合成波的振幅随时间按余弦变化，这个按余弦变化的调制波称为包络（Envelope）或波群。该包络移动的相速度定义为群速（Group

Velocity）。

由于群速是波的包络的传播速度，所以只有当包络的形状不随波的传播而变化（即不失真）时，群速才有意义。包络不失真的条件是：在频带内衰减常数为恒定值，不随频率变化；相位常数与频率呈线性函数关系，即包络传播速度一致。若信号频谱很宽不能满足上述条件，则信号包络在传播过程84第84页，共101页，2023年，2月20日，星期四

故（6-42）

可见，只有当，即无色散时，群速才等于相速。当

时，频率越高相速越小，则有群速小于相速，称为正常色散。

当

时，频率越高相速越大，则有群速大于相速，称为反常色散。在反常色散区域内，群速既可小于光速，也可大于光速，甚至变为负值，此时群速无意义。85第85页，共101页，2023年，2月20日，星期四两个振幅均为Em、角频率分别为+

和－

、相位常数分别为+

和－

的同向行波振幅，包络波，以角频率缓慢变化不同频率电磁波的叠加行波因子，代表沿z轴传播的行波合成波电场86第86页，共101页，2023年，2月20日，星期四包络波，速度vgz载波，速度vp87第87页，共101页，2023年，2月20日，星期四——无色散——正常色散——反常色散

群速vg：包络波的恒定相位点推进速度由

相速vp：载波的的恒定相位点推进速度推进速度88第88页，共101页，2023年，2月20日，星期四均匀平面波对平面边界的垂直入射

.前面讨论了均匀平面波在单一媒质中的传播规律。然而，电磁波在传播过程中不可避免地会碰到不同形状的分界面，为此需研究波在分界面上所遵循的规律和传播特性。为分析简便，假设分界面为无限大的平面，在分界面上取一点作坐标原点，取z轴与分界面垂直，并由媒质Ⅰ指向媒质Ⅱ。我们把在第一种媒质中投射到分界面的波称为入射波把透过分界面在第二种媒质中传播的波称为透射波（transmittedwave）,把从分界面上返回到第一种媒质中传播的波称为反射波（reflectedwave）.89第89页，共101页，2023年，2月20日，星期四根据波传播方向上电场和磁场Ez、Hz的存在情况：TEM:横电磁波Ez=