《电磁波与天线仿真与实践》课件-电波与天线知识点8 电磁波的入射和传播

《电磁波与天线仿真及实践》课件

本次课内容电磁波的入射导体的趋肤效应电磁波的无线传播电磁波的正入射

当电磁波在传播路径中遇到不同媒质时，在其分界面上，受边界条件约束，总有部分能量被反射，其余的能量透射到另一媒质中去。下面我们讨论TEM波垂直入射(正入射)到分界平面的问题。电磁波不能穿入完纯导体，因此当它到达分界面时将被反射回来。在分界面左方的合成电场是

电磁波对理想导体的正入射

补充时谐电磁场时谐电磁场：以一定的角频率随时间作正弦或余弦变化的电磁场或者正弦电磁场。若场源以一定的角频率随时间呈正弦或余弦变化，则场源所产生的电磁场也以同样的角频率随时间呈时谐变化。研究时谐场具有重要的意义，因为在一定条件下以任意方式随时间变化的电磁场都可以通过傅里叶级数展开为不同频率的时谐场的叠加。

时谐电磁场的复数表示对时谐电磁场采用复数表示可使问题的分析得以简化。电磁场随时间作正弦变化时，电场强度的三个分量可用余弦函数表示用复数的实部表示根据式中称为时谐电场各分量的复振幅故式中称为时谐电场的复矢量时谐因子瞬时矢量和复矢量的关系为：

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，即瞬时表达式由于时间因子是默认的，有时它不用写出来，只用与坐标有关的部分就可表示复矢量

有关复数表示的进一步说明例：将下列场矢量的瞬时形式写为复数形式瞬时形式复数形式有入射波和反射波相加后得到的合成电场和合成磁场在空间仍互相垂直，振幅仍差η倍，但形成了驻波，驻波相位差90°在分界面上电场为零，但磁场有最大值（参看图）。为了满足边界条件，在导体表面应有x方向的表面电流密度

Jsx=n×Hy

图理想导体面的正入射电磁波的正入射入射波到达分界面后一部分被反射，一部分传输入2区。反射系数为传输系数为

电磁波对理想介质的正入射电磁波的正入射电磁波对理想介质的正入射1+R=T

当2区为完纯导体时，没有传输波，与前述结果一致。当2区与1区具有相同媒质参量时，没有反射波，2区的传输波就是1区入射波的继续。这也是合乎逻辑的，因为2区与1区具有相同媒质参量时，实际上不存在分界面。

电磁波的斜入射在实际问题中，还会遇到电磁波的斜入射，可以证明电磁波在分界面处将发生反射和折射现象。如图，反射波的传播方向遵从反射定律；折射波的传播方向遵从折射定律

图电磁波在不同介质中的斜射导体的趋肤效应均匀平面波在损耗媒质中沿z方向传播时，场强的振幅不断地按指数规律衰减。而方向上依旧是电场、磁场和传播方向间相互垂直。对低损耗介质，σ很小，波幅的衰减是缓慢的。而在导体媒质中，σ很大。所以电磁波在导电媒质中衰减是很快的。而且电场强度在时间上超前于磁场强度Л/4，正如图所示。

图在导体中电场的衰减导体的趋肤效应为了定量估价在导电媒质中传播的衰减现象，通常用趋肤深度δ来表示电磁波对导体的穿透能力，它定义为场强幅度衰减到原值的0.368倍时所深入导体的距离。因此比较上式指数的宗量，其趋肤深度应等于常用导电材料的导磁率与真空导磁率相等

导体的趋肤效应例如工作频率为1MHz，50MHz，1000MHz时，计算铜的趋肤深度，鉴于铜的电导率为5.9×107S/m，用上式可分别得δ=9.43mm、65.6μm、0.655μm。由此可见，在高频工作下，电磁波在导体内受到极大的衰减，电流只能集中在导体的表层流动，这种现象谓之趋肤效应。导体的趋肤效应频率不一样时导体的趋肤效应

改善导电性能，关键是解决导体表面的传导特性。考虑到导体中心区的电流密度为零，在较高频率下工作，可采用空心铜管，甚至金属薄层。这类措施既减轻了重量，又节省了有色金属材料。电磁波的传播电磁波（ElectromagneticWave）电与电磁波是相互关联的物理现象。一个电磁场包含了电场与磁场。在高频电磁振荡的情况下部分能量以“电磁波”辐射方式从空间传播出去。电磁场的场源随时间变化时，其电场与磁场互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波。电磁波的传播还伴随着能量的传播。宇宙射线

射线X射线紫外线可见光红外线微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波无线电波电磁波谱无线电波波段的划分波段名称波段范围频率范围频段名称甚长波长波中波短波超短波(米波)10000～l00000m1000～10000ml00～1000m10～100m1～10m3～30kHz30~300kHz0.3～3MHz3～30MHz30～300MHz甚低频VLF低频LF中频MF高频HF甚高频VHF

微波

分米波厘米波毫米波亚毫米波10～100cm1～10cm1～10mm0.1～1mm0.3～3GHz3～30GHz30～300GHz300～3000GHz特高频UHF超高频SHF极高频EHF超极高频提问：各频段无线电波传播特点一样吗？无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。电磁波的传播模式发射天线或自然辐射源所辐射的电磁波，在自由空间通过自然条件下的各种不同媒质（如地表、地球大气层或宇宙空间等）到达接收天线的传播过程，称为无线电波传播。在传播过程中，无线电波有可能受到反射、折射、绕射、散射和吸收，电磁波强度将发生衰减，传播方向、传播速度或极化形式将发生变化，传输波形将产生畸变。无线电波的传播特性主要取决于无线电波的频率。地面波传播地面波是指沿地球表面传播的无线电波，也称为地表面波。空间波传播（视距传播）空间波有两种形式，一种是直射波，另一种是地面反射波。直射波只能进行视距传播。所谓视距传播，又称直接波传播，是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。因此天线高度与地球曲率是限制直射波传播距离的主要因素。在地面上直射波的传播距离可以按如下公式估算：天波传播（电离层传播）天波传播（电离层传播）是远距离通信的常用方式。距地面60km以上的空间有一个由电子、离子等组成的电离层。地面上空大气层概况天波传播（电离层传播）

60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。3～30兆赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段。因此短波最适宜以天波的形式进行传播，其所传播的距离可以达到几千公里的地方，但是电离层是不稳定的，白天电离程度高，夜晚电离程度低，电离层对中波和中短波的吸收能力减弱，这时中波和中短波就可以更好的利用天波进行传播，因而收音机在夜晚的台比白天多。电离层反射电波的能力与电波频率有关。在入射角θ0一定时，电波频率大于短波频段，越易穿透电离层。电离层传播主要用于短波频段。图天波传播外层空间传播

电磁波由地面发出（或返回），经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播方式称为外层空间传播，如卫星传播，宇宙探测等均属于这种远距离传播。由于电磁波传播的距离很远，且主要是在大气以外的宇宙空间内进行的，而宇宙空间近似于真空状态，因而电波在其中传播时，它的传输特性比较稳定。我们可以把电波穿过电离层而到达外层空间的传播，基本上当作自由空间中的传播来研究。地壳传播

将发射天线埋在地下，让波长极长的电磁波在地壳层中传播，显然，由于地壳本身的屏蔽作用，这种传播的稳定性好。地下无线电波的研究和应用始于20年代，由于能源开发的需要和遥感技术的发展，地下电波传播的研究及其在通信和探测方面的应用取得了较大的进展，已在矿井巷道、铁路隧道和军事坑道中的无线电通信以及矿藏资源和地壳结构（包括断层、冰川、溶洞、管道、水源和海洋中物体）的电磁波探测等方面得到应用。无线电波传播方式无线通信的电磁波传播无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传播特点，下面按波长分述如下：

超长波（超低频SLF）传播超长波是指波长1千公里至1万公里（频率为30~300Hz）的电磁波。这一波段的电磁波传播十分稳定，在海水中衰耗很小（频率为75Hz时衰耗系数为0.3dB/m）对海水穿透能力很强，可深达100m以上。甚长波（甚低频VLF）传播甚长波是指波长10公里~100公里（频率为3~30kHz）的电磁波。无线通信中使用的甚长波的频率为10~30kHz，该波段的电磁波可在大地与低层的电离层间形成的波导中进行传播，距离可达数千公里乃至覆盖全球。低频电磁波的应用无线通信的电磁波传播长波（低频LF）传播长波是指波长1公里~10公里（频率为30~300kHz）的电磁波。其可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。中波（中频MF）传播中波是指波长100米~1000米（频率为300~3000kHz）的电磁波。中波可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。中波沿地表面传播时，受地表面的吸收较长波严重。中波的天波传播与昼夜变化有关。无线通信的电磁波传播短波（高频HF）传播短波是指波长为10米~100米（频率为3~30MHz）的电磁波。短波可沿地表面传播（地波），沿空间以直接或绕射方式传播（空间波）和靠电离层反射传播（天波）。超短波（甚高频VHF）传播超短波是指波长为1米~10米（频率为30~300MHz）的电磁波。超短波难以靠地波和天波传播，而主要以直射方式（即所谓的“视距”方式）传播。无线通信的电磁波传播微波传播微波是指波长小于1米（频率高于300MHz）的电磁波。目前又按其波长的不同，分为分米波（特高频UHF）、厘米波（超高频SHF）、毫米波（极高频EHF）和亚毫米波