均匀平面波在无界媒质中的传播-电磁场与电磁波-课件-谢处方

均匀平面波在无界媒质中的传播均匀平面波在无界媒质中的传播是指电磁波在无限大的均匀介质中传播的情况。这种情况下，电磁波的波前是平面的，并且波的传播方向与波前垂直。导论电磁场和电磁波电磁场和电磁波是物理学的重要概念，也是现代科技的基础。电磁场电磁场是由电荷运动产生的，它们相互作用，并以光速传播。电磁波电磁波是电磁场在空间中传播的一种形式，例如可见光、无线电波等。电磁波的重要性电磁波在通信、医疗、能源、军事等领域有着广泛的应用。电磁场和电磁波电磁场是由运动电荷产生的。变化的电场会产生磁场，反之亦然，两者构成电磁场。电磁场以波的形式传播，称为电磁波。电磁波是一种横波，电场和磁场相互垂直，并且垂直于传播方向。平面波与球面波平面波平面波在空间中沿单个方向传播。波阵面是平面的，并且波的能量均匀分布。球面波球面波从点源发出，波阵面是球面，能量以球面方式向外传播。平面波的定义定义平面波是指波阵面是平面的电磁波。波阵面是同一时刻波传播到相同位置的点的集合。平面波是一种理想模型，但现实中的电磁波通常是球面波。特点平面波在传播过程中，电场和磁场的方向相互垂直，且都垂直于波的传播方向。平面波的能量沿着波的传播方向均匀分布。平面波的基本性质11.方向性平面波在空间中传播方向一致，波面是平面。22.相位一致平面波上各点振动相位相同。33.均匀性平面波在波面上的振幅和相位保持一致。44.无限延伸理论上，平面波的波面无限延伸，在实际应用中，可以近似看作有限的平面波。平面波的传播特性1传播方向平面波沿特定方向传播2相位变化波前上的各点相位相同3能量流动能量沿传播方向流动4波速波在媒质中的传播速度5偏振电场矢量振动方向平面波具有独特的传播特性，能量沿特定方向传播。波前上的各点相位相同，形成了统一的相位面。平面波的传播速度取决于媒质性质，同时，电场矢量振动方向也反映了平面波的偏振特性。电磁波在自由空间中的传播1速度电磁波在自由空间中的传播速度为光速，约为每秒299,792,458米。这是所有电磁波在真空中传播的固定速度。2波长电磁波的波长与其频率成反比，频率越高，波长越短。电磁波的波长范围从几公里到几纳米不等。3极化电磁波的极化是指其电场方向在空间中的排列方式。电磁波的极化可以是线性极化、圆极化或椭圆极化。损耗媒质中的平面波传播衰减系数电磁波在损耗媒质中传播时，其振幅会随着距离的增加而衰减。相速度相速度指电磁波波前移动的速度，在损耗媒质中，相速度也会发生改变。阻抗损耗媒质的阻抗是一个复数，其实部表示电磁波在媒质中传播时的能量损耗，虚部表示相位变化。波形由于损耗，电磁波在损耗媒质中传播时的波形会发生畸变，不再是完美的正弦波。波阻抗媒质特性描述电磁波在媒质中传播时的阻抗，表示电场强度与磁场强度之比。电磁波传播波阻抗反映媒质对电磁波传播的阻碍程度，影响电磁波的传播速度和能量损耗。计算公式波阻抗可以通过媒质的介电常数和磁导率计算得出，适用于不同类型媒质。反射与透射反射当电磁波遇到两种不同介质的分界面时，部分能量会被反射回原介质。透射部分能量会穿过界面进入另一种介质，这部分能量称为透射波。反射与透射系数反射系数和透射系数分别表示反射波和透射波的能量比例。边界条件电磁场边界条件电磁场在不同介质交界面处的特性。切向分量连续电场强度和磁场强度的切向分量在界面上连续。法向分量不连续电场强度的法向分量和磁场强度的法向分量在界面上不连续。漫反射与干涉漫反射是指光线照射到粗糙表面时，入射光线以各个方向反射，形成漫射光。干涉是指两列或多列波相互叠加，在叠加区域中产生振幅加强或减弱的现象。这两者都是电磁波传播过程中的重要现象。能量流密度能量流密度表示电磁波传播方向上单位时间内通过单位面积的能量。能量流密度通常用坡印廷矢量表示，其大小等于电场强度和磁场强度叉积的模。能量流密度单位符号能量流密度瓦特/平方米S相干性与非相干性相干性相干性指的是多个波源发出的波在空间或时间上的相关性。当波源的频率相同、相位差恒定，且波的振幅保持稳定时，它们被称为相干波。非相干性当多个波源发出的波在频率、相位或振幅方面不一致时，它们被称为非相干波。应用相干波在许多应用中发挥重要作用，例如激光、干涉仪和全息术。波束和指向性波束宽度波束宽度是指电磁波能量集中区域的角度范围。它决定了雷达的探测范围和精度。指向性指向性是指电磁波发射或接收的方向性。高指向性意味着能量集中在特定方向，提高信号强度和抗干扰能力。偏振电磁波的偏振电磁波的偏振是指电场矢量振动方向的特性，它与传播方向垂直。线性偏振电场矢量始终在一个平面内振动，称为线性偏振。圆偏振电场矢量的末端在与传播方向垂直的平面上描绘一个圆形，称为圆偏振。椭圆偏振电场矢量的末端在与传播方向垂直的平面上描绘一个椭圆，称为椭圆偏振。雷达方程1发射功率雷达发射信号的功率2天线增益天线集中能量的能力3目标反射截面积目标反射雷达信号的截面积4雷达与目标距离雷达与目标之间的距离雷达方程用于计算雷达接收到的信号强度，它反映了雷达发射功率、天线增益、目标反射截面积以及雷达与目标距离等因素对接收信号强度的影响。自由空间路径损耗自由空间路径损耗是指电磁波在自由空间中传播过程中，由于信号能量的扩散而导致的信号强度衰减。自由空间路径损耗与传播距离、发射频率和天线增益有关。随着传播距离的增加，自由空间路径损耗也随之增大，信号强度呈平方反比衰减。传播距离越远，路径损耗就越大，信号强度就越弱。图示表明，在自由空间中，随着传播距离的增加，路径损耗也随之线性增大，例如，在传播距离为100公里时，路径损耗约为40dB。大气对电磁波的影响1吸收大气中的气体分子可以吸收特定频率的电磁波，例如臭氧层吸收紫外线。2散射大气中的气体分子和微粒会散射电磁波，导致信号强度减弱和方向改变，例如瑞利散射。3折射电磁波在不同介质中传播时会发生折射，大气温度和湿度变化会导致电磁波路径发生偏移。4衰减电磁波在穿过大气层时会受到吸收、散射和折射的影响，导致信号强度衰减。电离层的作用无线电波反射电离层能反射无线电波，使无线电波能够传播到更远的地方。卫星通信电离层可以作为卫星通信的反射层，用于长距离通信。极光电离层中的带电粒子与大气中的原子碰撞，产生极光现象。空间天气电离层受太阳活动影响，会发生空间天气事件，影响无线电通信和卫星导航。雷达跟踪1目标探测雷达发射电磁波，探测目标的存在2目标定位测量目标距离、方位、高度3目标跟踪预测目标运动轨迹4数据处理提取目标信息，进行分析雷达跟踪是利用雷达系统对目标进行连续的观测和跟踪。雷达通过发射电磁波，接收目标反射的信号，根据信号到达时间和方向，确定目标位置和运动轨迹。雷达跟踪在军事、航空、气象等领域应用广泛。被动式微波遥感被动式微波遥感被动式微波遥感是利用自然界物体自身辐射的微波信号进行遥感探测的一种技术，它不受天气和昼夜的影响，能够全天候工作，并在云层和雨雪天气中穿透，可以获取地表以下一定深度的信息。特点全天候工作穿透性强可用于探测地表以下信息应用被动式微波遥感在农业、水文、气象、海洋、地质等领域都有广泛的应用。主动式微波遥感主动式微波遥感主动式微波遥感系统发射微波信号，并接收反射回来的信号。这可以提供有关地球表面特征的信息，如地形、土壤水分和植被覆盖。应用主动式微波遥感用于各种应用，如天气预报、海洋学和农业。它还可以用于监测自然灾害，如洪水和地震。雷达成像雷达成像技术利用雷达发射的电磁波信号，通过接收反射信号，形成目标的图像。雷达成像可以不受天气和光照条件影响，全天候、全天时对目标进行观测。该技术在军事、民用领域应用广泛，包括目标识别、地形测绘、灾害监测等。人造卫星遥感人造卫星遥感利用搭载在卫星上的传感器获取地球表面信息。卫星传感器包括光学传感器、微波传感器等，可以收集各种数据，如可见光、红外线、微波信号。人造卫星遥感在环境监测、资源勘探、灾害预警等领域发挥着重要作用。雷达系统设计系统参数雷达系统的设计需要考虑许多参数，包括频率、带宽、波束宽度、功率、距离分辨率、速度分辨率、噪声水平等。天线设计天线是雷达系统的关键部件之一，它决定了雷达的波束形状、方