6.1 理想介质中的均匀平面波6.1.1 理想介质中的波动方程6.1.2 理想介质中均匀平面波6.1.3 时谐均匀平面波瞬时值6.1.4 时谐均匀平面波的概念6.1.5 均匀平面波的传播特性6.2 平面波的极化6.2.1 平面波极化6.2.2 直线极化波6.2.3 圆形极化波6.2.4 椭圆极化波6.2.5 合成与分解6.3 导电媒质中的均匀平面波6.3.1 导电媒质中的波动方程6.3.2 时谐均匀平面波瞬时值6.3.3 导电媒质中平面波特性6.3.4 低损耗媒质的近似计算6.3.5 良导电媒质的表面阻抗6.4 均匀平面波对平面边界的垂直入射6.4.1 垂直入射的反射波与折射波6.4.2 理想介质与理想导体分界面6.4.3 理想介质与理想介质分界面
在无源的线性、均匀、各向同性的无限大理想介质中,
对于一般场,齐次波动方程为
对于时谐场,亥姆霍兹方程为
概念说明
波数:
波速:
考虑沿
麦克斯韦第一与第二方程的约束
齐次一维标量波动方程的标准形式
上述方程的解
入射波
反射波
本征波阻抗
时谐电磁场
符号说明
传播常数:
相位常数:
波动方程的复数解
给定初值
均匀平面波的说明
坡应廷矢量的角频率为电磁场的两倍.
电磁场量与坡应廷矢量的振幅为常数.
电磁场量的相位相等,
定义
周期:
传播常数:
波
波速:
波数:
波长:
相
相位:
相数:
相速:
理想介质中
均匀平面波的分量
电磁场沿平面波传播方向无分量,称为横电磁波(TEM 波)
横向分量中,两组相互垂直的电磁场分量分别组成独立分量波组.
每组分量波可存在入射波与反射波,其速度均为
电场与磁场的关系
平面波的性质
麦克斯韦方程
理想媒质(无损耗媒质)
本征波阻抗
电场与磁场的相位相同.
电磁波的能量
电磁场能量密度相等
电场:
磁场:
于是:
能量流动密度与均值
对于沿 z 轴方向传播的均匀平面波,
波的极化(偏振)
定义:空间中给定电场矢量的末端点随时间变化的轨迹.
分类:线极化、圆极化、椭圆极化.
当
当
特殊情况
当
当
此时称为右旋圆极化.
当
此时称为左旋圆极化.
消去
1Cos[a + b]^2 - 2 Cos[a + b] Cos[a + c] Cos[b - c] + Cos[a + c]^2 // Simplify
直线极化
当
当
圆形极化(
当
当
椭圆极化
当
固定
当
当
固定
当
当
在均匀、线性、各向同性、无局外电源的导电媒质中,
复数形式的麦克斯韦方程组
麦克斯韦第一方程
复介电常数:
损耗角正切:
麦克斯韦第二方程:
麦克斯韦第三方程:
麦克斯韦第四方程:
复数波动方程
考虑电磁波沿
复数 传播常数
传播常数:
衰减常数:
相位常数:
波动方程的复数解
复数 本征波阻抗
波动方程的瞬时值
电场相位超前磁场相位
相速
波长
相速与
均匀平面波的分量
仍为横电磁波(TEM 波).
横向分量有两组独立分量波组.
每组独立分量波存在入射波与反射波.
入射波与反射波
波数
波在传播的过程中按相速度
电导率
电场与磁场的关系
平面波的性质
麦克斯韦方程
导电媒质(有损耗媒质)
本振波阻抗
电场相位超前磁场相位
电磁波的能量
电磁场能量密度不等
电场:
磁场:
于是:
复数能流密度与均值
损耗角正切
当
当
当
当
低损耗媒质(
近似计算(1)
近似计算(2)
例子:云母、聚乙烯、聚苯乙烯等.
良导电媒质的近似计算(
近似计算
表面电阻:
表面电抗:
性质说明
电场超前磁场
振幅按
趋肤效应
高频电磁波进入良导体后,在数微米内基本衰减完毕.
透入深度:衰减为表面值的
透入深度:
在经过距离
静电屏蔽
为实现静电屏蔽,一般取良导体的厚度为一个波长.
即
经过一个波长后衰减
良导电媒质的表面阻抗
导体内部(沿
场强的振幅:
电流体密度:
总传导电流:
表面阻抗(
表面阻抗:
表面电阻:
表面电抗:
电磁平均功率
等效表面电流密度:
平均功率:
平均功率:
上述磁场可取导体表面内侧或外侧的总磁场.
记号约定:
电场与磁场
媒质 1 中(入射波 + 反射波)
$ \dot{\bm E}_1(z) = \pqty{\dot{E}_{10} \e^{-\gamma_1 z} + \dot{E}'_{10} \e^{\gamma_1 z}} \bm a_x $.
$ \dot{\bm H}_1(z) = \dfrac{1}{\eta_1} \pqty{\dot{E}_{10} \e^{-\gamma_1 z} - \dot{E}'_{10} \e^{\gamma_1 z}} \bm a_y $.
媒质 2 中(折射波)
边界条件
联立
反射系数:
折射系数:
分界媒质
媒质性质
理想介质:
理想导体:
边界条件
自由面电流:
合成波
频域
时域(初值
说明
合成波为纯驻波
波节点:纯驻波的零点.
波腹点:纯驻波的最值点.
相位与振幅比较
行波:相位随时间变化,振幅不变.
驻波:振幅随时间变化,相位不变.
能量的传输
行波:可以传输能量.
驻波:不能传输能量,只有电磁振荡.
媒质 2
媒质 1
电场
磁场
电磁场的振幅
波幅点与波节点的分布
驻波系数(驻波比)
驻波系数:
行波
反射系数:
坡应廷矢量