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1、第六章 平面电磁波 第六章 平面电磁波 6.1 无耗媒质中的平面电磁波无耗媒质中的平面电磁波6.2 导电媒质中的平面电磁波导电媒质中的平面电磁波6.3 电磁波的极化电磁波的极化6.4 电磁波的色散和群速电磁波的色散和群速6.5 均匀平面电磁波向平面分界面的垂直入射均匀平面电磁波向平面分界面的垂直入射6.6 均匀平面电磁波向多层媒质分界面的垂直入射均匀平面电磁波向多层媒质分界面的垂直入射6.7 均匀平面电磁波向平面分界面的斜入射均匀平面电磁波向平面分界面的斜入射6.8 均匀平面电磁波的全透射和全反射均匀平面电磁波的全透射和全反射 第六章 平面电磁波 6.1 无耗媒质中的平面电磁波无耗媒质中的平面
2、电磁波 无耗媒质意味着描述媒质电磁特性的电磁参数满足如下条件：=0,、为实常数。无源意味着无外加场源，即=0，J=0。6.1.1 无耗媒质中齐次波动方程的均匀平面波解无耗媒质中齐次波动方程的均匀平面波解 式中 第六章 平面电磁波 图 6-1 均匀平面电磁波的传播 第六章 平面电磁波 因此，电场强度E和磁场强度H只是直角坐标z和时间t的函数。由于空间无外加场源，所以E=0。从而Ez(z,t)=c(t)。如果t=0时，电磁场为零，那么c(t)=0，从而Ez(z,t)=0。第六章 平面电磁波 综上可见，此方程的通解为(6-4)第六章 平面电磁波 图 6-2 向+z方向传播的波 第六章 平面电磁波 在
3、无界媒质中，一般没有反射波存在，只有单一行进方向的波。如果假设均匀平面电磁波沿+z方向传播，电场强度只有Ex(z,t)分量，则波动方程式(6-4)的解为 由麦克斯韦方程式 第六章 平面电磁波 即 第六章 平面电磁波 沿+z方向传播的均匀平面电磁波的电场强度和磁场强度的表达式：第六章 平面电磁波 将上式代入麦克斯韦方程E=-jH，得到均匀平面波的磁场强度：第六章 平面电磁波 式中：第六章 平面电磁波 具有阻抗的量纲，单位为欧姆()，它的值与媒质参数有关，因此它被称为媒质的波阻抗(或本征阻抗)。真空中的介电常数和磁导率为 第六章 平面电磁波 6.1.2 均匀平面波的传播特性均匀平面波的传播特性 第
4、六章 平面电磁波 图 6-3 理想介质中均匀平面电磁波的电场和磁场空间分布 第六章 平面电磁波 正弦均匀平面电磁波的等相位面方程为 空间相位kz变化2所经过的距离称为波长，以表示。按此定义有k=2，所以 第六章 平面电磁波 时间相位t变化2所经历的时间称为周期，以T表示。而一秒内相位变化2的次数称为频率，以f表示。由T=2得 复坡印廷矢量为 第六章 平面电磁波 平均功率密度为常数，表明与传播方向垂直的所有平面上，每单位面积通过的平均功率都相同，电磁波在传播过程中没有能量损失(沿传播方向电磁波无衰减)。因此理想媒质中的均匀平面电磁波是等振幅波。电场能量密度和磁场能量密度的瞬时值为 第六章 平面电
5、磁波 可见，任一时刻电场能量密度和磁场能量密度相等，各为总电磁能量的一半。电磁能量的时间平均值为 均匀平面电磁波的能量传播速度为 第六章 平面电磁波 6.1.3 向任意方向传播的均匀平面波向任意方向传播的均匀平面波 在直角坐标系oxyz中，我们仍然假设无界媒质中，均匀平面波沿+z方向传播，电场强度只有x方向的坐标分量Ex(z)，那么正弦均匀平面电磁波的复场量还可以表示为 利用矢量恒等式(A)=A+A和(A)=A+A，将上式代入麦克斯韦方程E=-jH和 E=0，可以得到 第六章 平面电磁波 第六章 平面电磁波 把它们写在一起就是 如果开始时我们选择直角坐标系oxyz，那么，正弦均匀平面电磁波的复
6、场量可以表示为(6-21)第六章 平面电磁波 图 6-4 向k方向传播的均匀平面电磁波 第六章 平面电磁波 式中cos、cos、cos是ez在直角坐标系oxyz中的方向余弦。这样式(6-21)中的相位因子为 第六章 平面电磁波 例例6-1 已知无界理想媒质(=90,=0，=0)中正弦均匀平面电磁波的频率f=108 Hz，电场强度 试求：(1)均匀平面电磁波的相速度vp、波长、相移常数k和波阻抗；(2)电场强度和磁场强度的瞬时值表达式；(3)与电磁波传播方向垂直的单位面积上通过的平均功率。第六章 平面电磁波 解解：(1)第六章 平面电磁波(2)第六章 平面电磁波（3）复坡印廷矢量：坡印延矢量的时
7、间平均值：与电磁波传播方向垂直的单位面积上通过的平均功率：第六章 平面电磁波 6.2 导电媒质中的平面电磁波导电媒质中的平面电磁波 6.2.1 导电媒质中平面电磁波的传播特性导电媒质中平面电磁波的传播特性 无源、无界的导电媒质中麦克斯韦方程组为(6-22a)第六章 平面电磁波 式(6-22a)可以写为 其中：波动方程：其中2=2c。第六章 平面电磁波 直角坐标系中，对于沿+z方向传播的均匀平面电磁波，如果假定电场强度只有x分量Ex，那么式(6-25)的一个解为 令=-j，则E=exE0e-j(-j)z=exE0e-ze-jz。显然电场强度的复振幅以因子e-z随z的增大而减小，表明是说明每单位距
8、离衰减程度的常数，称为电磁波的衰减常数。表示每单位距离落后的相位，称为相位常数。=-j称为传播常数。因此电场强度的瞬时值可以表示为 第六章 平面电磁波 其中Em、0分别表示电场强度的振幅值和初相角，即 因为 所以 故有 从而有 第六章 平面电磁波 由以上两方程解得 第六章 平面电磁波 其中：称为导电媒质的波阻抗，它是一个复数。式(6-31)中，(6-31)第六章 平面电磁波 导电媒质的本征阻抗是一个复数，其模小于理想介质的本征阻抗，幅角在0/4之间变化，具有感性相角。这意味着电场强度和磁场强度在空间上虽然仍互相垂直，但在时间上有相位差，二者不再同相，电场强度相位超前磁场强度相位。这样磁场强度可
9、以重写为 其瞬时值为 第六章 平面电磁波 图 6-5 导电媒质中平面电磁波的电磁场 第六章 平面电磁波 导电媒质中均匀平面电磁波的相速为 而波长 第六章 平面电磁波 磁场强度矢量的方向与电场强度矢量互相垂直，并都垂直于传播方向，因此导电媒质中的平面波是横电磁波。导电媒质中的坡印廷矢量的瞬时值、时间平均值和复坡印廷矢量分别为 第六章 平面电磁波 导电媒质中平均电能密度和平均磁能密度分别如下：第六章 平面电磁波 能量传播速度为 可见，导电媒质中均匀平面电磁波的能速与相速相等。第六章 平面电磁波 6.2.2 趋肤深度和表面电阻趋肤深度和表面电阻 通常，按/的比值(导电媒质中传导电流密度振幅与位移电流
10、密度振幅之比|E|/|jE|)把媒质分为三类：电介质(低损耗媒质)，例如聚四氟乙烯、聚苯乙烯和石英等材料，在高频和超高频范围内均有 。因此，电介质中均匀平面电磁波的相关参数可以近似为 第六章 平面电磁波 良导体中，有关表达式可以用泰勒级数简化并近似表达为 高频率电磁波传入良导体后，由于良导体的电导率一般在107S/m量级，所以电磁波在良导体中衰减极快。电磁波往往在微米量级的距离内就衰减得近于零了。因此高频电磁场只能存在于良导体表面的一个薄层内，这种现象称为集肤效应(Skin Effect)。电磁波场强振幅衰减到表面处的1/e的深度，称为趋肤深度(穿透深度)，以表示。第六章 平面电磁波 因为 所
11、以 可见导电性能越好(电导率越大)，工作频率越高，则趋肤深度越小。例如银的电导率=6.15 107 S/m，磁导率0=410-7 H/m，第六章 平面电磁波 良导体中均匀平面电磁波的电磁场分量和电流密度为 第六章 平面电磁波 在z=0处，平均功率流密度为 可见，传入导体的电磁波实功率全部转化为热损耗功率。第六章 平面电磁波 导体表面处切向电场强度Ex与切向磁场强度Hy之比定义为导体的表面阻抗，即 第六章 平面电磁波 图 6-6 平面导体 第六章 平面电磁波 从电路的观点看，此电流通过表面电阻所损耗的功率为 设想面电流JS均匀地集中在导体表面厚度内，此时导体的直流电阻所吸收的功率就等于电磁波垂直
12、传入导体所耗散的热损耗功率。第六章 平面电磁波 例例 6-2 海水的电磁参数是r=81,r=1,=4 S/m，频率为3 kHz和30 MHz的电磁波在紧切海平面下侧处的电场强度为1V/m，求：(1)电场强度衰减为1V/m处的深度，应选择哪个频率进行潜水艇的水下通信；(2)频率3 kHz的电磁波从海平面下侧向海水中传播的平均功率流密度。第六章 平面电磁波 解：解：(1)f=3kHz时：因为 所以海水对依此频率传播的电磁波呈显为良导体，故 由此可见，选高频30MHz的电磁波衰减较大，应采用低频3 kHz的电磁波。在具体的工程应用中，具体低频电磁波频率的选择还要全面考虑其它因素。第六章 平面电磁波(
13、2)平均功率密度为 第六章 平面电磁波 例例 6-3 微波炉利用磁控管输出的2.45 GHz的微波加热食品。在该频率上，牛排的等效复介电常数=400，tane=0.3，求：(1)微波传入牛排的趋肤深度，在牛排内8mm处的微波场强是表面处的百分之几；(2)微波炉中盛牛排的盘子是用发泡聚苯乙烯制成的，其等效复介电常数的损耗角正切为=1.030，tane=0.310-4。说明为何用微波加热时牛排被烧熟而盘子并没有被烧毁。第六章 平面电磁波 解：解：(1)根据牛排的损耗角正切知，牛排为不良导体，第六章 平面电磁波(2)发泡聚苯乙烯是低耗介质，所以其趋肤深度为 第六章 平面电磁波 例例 6-4 证明均匀
14、平面电磁波在良导体中传播时，每波长内场强的衰减约为55dB。证：证：良导体中衰减常数和相移常数相等。因为良导体满足条件 ，所以，相移常数=衰减常数 。设均匀平面电磁波的电场强度矢量为 第六章 平面电磁波 那么z=处的电场强度与z=0处的电场强度振幅比为 即 第六章 平面电磁波 例例 6-5 已知海水的电磁参量=51m，r=1,r=81，作为良导体欲使90以上的电磁能量(仅靠海水表面下部)进入1 m以下的深度，电磁波的频率应如何选择。解解：对于所给海水，当其视为良导体时，其中传播的均匀平面电磁波为 式中良导体海水的波阻抗为 第六章 平面电磁波 因此沿+z方向进入海水的平均电磁功率流密度为 故海水
15、表面下部z=l处的平均电磁功率流密度与海水表面下部z=0处的平均电磁功率流密度之比为 第六章 平面电磁波 依题意 考虑到良导体中衰减常数与相移常数有如下关系：从而 第六章 平面电磁波 6.3 电磁波的极化电磁波的极化6.3.1 极化的概念极化的概念 电场强度矢量的表达式为 电场强度矢量的两个分量的瞬时值为(6-41)第六章 平面电磁波 6.3.2 平面电磁波的极化形式平面电磁波的极化形式 1.线极化线极化 设Ex和Ey同相，即x=y=0。为了讨论方便，在空间任取一固定点z=0，则式(6-41)变为 合成电磁波的电场强度矢量的模为 第六章 平面电磁波 合成电磁波的电场强度矢量与x轴正向夹角的正切
16、为 同样的方法可以证明，x-y=时，合成电磁波的电场强度矢量与x轴正向的夹角的正切为 这时合成平面电磁波的电场强度矢量E的矢端轨迹是位于二、四象限的一条直线，故也称为线极化，如图6-7(b)所示。第六章 平面电磁波 图 6-7 线极化波 第六章 平面电磁波 2.圆极化圆极化 设 那么式(6-41)变为 消去t得 第六章 平面电磁波 图 6-8 圆极化波 第六章 平面电磁波 3.椭圆极化椭圆极化 更一般的情况是Ex和Ey及x和y之间为任意关系。在z=0处，消去式(6-41)中的t，得 第六章 平面电磁波 图 6-9 椭圆极化 第六章 平面电磁波 6.3.3 电磁波极化特性的工程应用电磁波极化特性
17、的工程应用 例例 6-6 证明任一线极化波总可以分解为两个振幅相等旋向相反的圆极化波的叠加。解解：假设线极化波沿+z方向传播。不失一般性，取x轴平行于电场强度矢量E，则 上式右边第一项为一左旋圆极化波，第二项为一右旋圆极化波，而且两者振幅相等，均为E0/2。第六章 平面电磁波 例例 6-7 判断下列平面电磁波的极化形式：解解：(1)E=jE0(jex+ey)e-jkz，Ex和Ey振幅相等，且Ex相位超前Ey相位/2，电磁波沿+z方向传播，故为右旋圆极化波。第六章 平面电磁波 (2)E=jE0(ex-2ey)ejkz，Ex和Ey相位差为，故为在二、四象限的线极化波。(3)EzmExm，Ez相位超
18、前Ex相位/2，电磁波沿+y方向传播，故为右旋椭圆极化波。(4)在垂直于en的平面内将E分解为exy和ez两个方向的分量，则这两个分量互相垂直，振幅相等，且exy相位超前ez相位/2，exyez=en，故为右旋圆极化波。第六章 平面电磁波 例例 6-8 电磁波在真空中传播，其电场强度矢量的复数表达式为 试求：(1)工作频率f;(2)磁场强度矢量的复数表达式；(3)坡印廷矢量的瞬时值和时间平均值；(4)此电磁波是何种极化，旋向如何。第六章 平面电磁波 解解：(1)真空中传播的均匀平面电磁波的电场强度矢量的复数表达式为 所以有 其瞬时值为 第六章 平面电磁波(2)磁场强度复矢量为 磁场强度的瞬时值
19、为 第六章 平面电磁波 (3)坡印廷矢量的瞬时值和时间平均值为 第六章 平面电磁波 (4)此均匀平面电磁波的电场强度矢量在x方向和y方向的分量振幅相等，且x方向的分量比y方向的分量相位超前/2，故为右旋圆极化波。第六章 平面电磁波 6.4 电磁波的色散和群速电磁波的色散和群速 6.4.1 色散现象与群速色散现象与群速 良导体中的相速为 假定色散媒质中同时存在着两个电场强度方向相同、振幅相同、频率不同，向z方向传播的正弦线极化电磁波，它们的角频率和相位常数分别为 第六章 平面电磁波 且有 电场强度表达式为 合成电磁波的场强表达式为 第六章 平面电磁波 图 6-10 相速与群速 第六章 平面电磁波
20、 群速(Group Velocity)vg的定义是包络波上某一恒定相位点推进的速度。令调制波的相位为常数：当0时，上式可写为 第六章 平面电磁波 6.4.2 群速与相速的关系群速与相速的关系(1)，则vgvp，这类色散称为非正常色散。第六章 平面电磁波 6.5 均匀平面电磁波向平面分界面的垂直入射均匀平面电磁波向平面分界面的垂直入射 6.5.1 平面电磁波向理想导体的垂直入射平面电磁波向理想导体的垂直入射 图 6-11 垂直入射到理想导体上的平面电磁波 第六章 平面电磁波 设入射电磁波的电场和磁场分别依次为 式中Ei0为z=0处入射波(Incident Wave)的振幅，k1和1为媒质1的相位
21、常数和波阻抗，且有 第六章 平面电磁波 为使分界面上的切向边界条件在分界面上任意点、任何时刻均可能满足，设反射与入射波有相同的频率和极化，且沿-ez方向传播。于是反射波(Reflected Wave)的电场和磁场可分别写为 媒质1中总的合成电磁场为 第六章 平面电磁波 分界面z=0两侧，电场强度E的切向分量连续，即ez(E2-E1)=0，所以 区的合成电场和磁场：第六章 平面电磁波 它们相应的瞬时值为 由于区中无电磁场，在理想导体表面两侧的磁场切向分量不连续，所以分界面上存在面电流。根据磁场切向分量的边界条件n(H2-H1)=JS，得面电流密度为 第六章 平面电磁波 任意时刻t,区的合成电场E
22、1和磁场H1都在距理想导体表面的某些固定位置处存在零值和最大值：第六章 平面电磁波 图 6-12 不同瞬间的驻波电场 第六章 平面电磁波 驻波不传输能量，其坡印廷矢量的时间平均值为 可见没有单向流动的实功率，而只有虚功率。由式(5-54)可得驻波的坡印廷矢量的瞬时值为 第六章 平面电磁波 6.5.2 平面电磁波向理想介质的垂直入射平面电磁波向理想介质的垂直入射 图 6-13 垂直入射到理想介质上的平面电磁波 第六章 平面电磁波 区域中只有透射波，其电场和磁场分别为 式中Et0为z=0处透射波的振幅，k2和2为媒质2的相位常数和波阻抗，且有 第六章 平面电磁波 考虑到z=0处分界面磁场强度切向分
23、量连续的边界条件H1t=H2t，可得 考虑到z=0处分界面电场强度切向分量连续的边界条件E1t=E2t，可得 第六章 平面电磁波 反射系数和透射系数的关系为 区域(z0(21)。当 时，有 即在离分界面四分之一波长(1/4)的奇数倍处为电场波节点和磁场波腹点。第六章 平面电磁波 (2)0(20(21)时的电场的波节点，磁场的波腹点对应于0(21)时的磁场的波节点；电场的波节点对应于0(21)时的电场的波腹点，磁场的波节点对应于0(21)时的磁场的波腹点。因为=-11，所以=1。当|=0、=1时，为行波状态，区域中无反射波，因此全部入射波功率都透入区域。第六章 平面电磁波 区域中，入射波向z方向
24、传输的平均功率密度矢量为 反射波向-z方向传输的平均功率密度矢量为 第六章 平面电磁波 区域中合成场向z方向传输的平均功率密度矢量为 区域中向z方向传输的平均功率密度矢量为 并且有 第六章 平面电磁波 例例 6-9 一右旋圆极化波由空气向一理想介质平面(z=0)垂直入射，坐标与图6-13相同，媒质的电磁参数为2=90，1=0，1=2=0。试求反射波、透射波的电场强度及相对平均功率密度；它们各是何种极化波。解：解：设入射波电场强度矢量为 则反射波和透射波的电场强度矢量为 第六章 平面电磁波 式中反射系数和透射系数为 第六章 平面电磁波 例例 6-10 频率为f=300MHz的线极化均匀平面电磁波
25、，其电场强度振幅值为2V/m，从空气垂直入射到r=4、r=1的理想介质平面上，求：(1)反射系数、透射系数、驻波比；(2)入射波、反射波和透射波的电场和磁场；(3)入射功率、反射功率和透射功率。解：设入射波为x方向的线极化波，沿z方向传播，如图6-13。第六章 平面电磁波(1)波阻抗为反射系数、透射系数和驻波比为 第六章 平面电磁波 第六章 平面电磁波(3)入射波、反射波、透射波的平均功率密度为 第六章 平面电磁波 6.6 均匀平面电磁波向多层媒质分界面的垂直入射均匀平面电磁波向多层媒质分界面的垂直入射 6.6.1 多层媒质中的电磁波及其边界条件多层媒质中的电磁波及其边界条件 图 6-14 垂
26、直入射到多层媒质中的均匀平面电磁波 第六章 平面电磁波 区域1中的入射波：区域1中的反射波：第六章 平面电磁波 区域1(z0)中的合成电磁波：区域2(0zd)中的合成电磁波：第六章 平面电磁波 区域3(zd)中的合成电磁波：为了求得这四个未知量，利用z=0和z=d处媒质分界面上电场和磁场的切向分量都必须连续的边界条件：第六章 平面电磁波 6.6.2 等效波阻抗等效波阻抗 媒质中平行于分界面的任一平面上的总电场与总磁场之比，定义为该处的等效波阻抗Z(z)，即 此时我们已经假设x方向极化的均匀平面电磁波沿z方向传播。第六章 平面电磁波 1.无界媒质中的等效波阻抗无界媒质中的等效波阻抗 假设无界媒质
27、中，x方向极化的均匀平面电磁波沿+z方向传播，那么媒质中任意位置处的等效波阻抗为 x方向极化的均匀平面电磁波沿-z方向传播时，等效波阻抗为 第六章 平面电磁波 2.半无界媒质中的等效波阻抗半无界媒质中的等效波阻抗 媒质1中离平面分界面为z处的等效波阻抗为 由于媒质1中z为负值，因此离开平面分界面(z=0)的距离为l的某一位置z=-l处的等效波阻抗为 第六章 平面电磁波 如果2=1，那么由式(6-72c)知：Z1(-l)=1。这表明空间仅存在同一种媒质，因此没有反射波，等效波阻抗等于媒质的波阻抗；如果区域2中的媒质是理想导体，即2=0,=-1，那么式(6-72b)简化为(6-72c)第六章 平面
28、电磁波 3.有界媒质中的等效波阻抗有界媒质中的等效波阻抗 第六章 平面电磁波 z=d分界面处的反射系数 z=0分界面处的反射系数 上式中的Z2(0)表示区域2中z=0处的等效波阻抗：第六章 平面电磁波 区域2和区域3中的入射波电场振幅为 第六章 平面电磁波 6.6.3 媒质媒质1中无反射的条件中无反射的条件 或 使上式中实部、虚部分别相等，有(6-80a)(6-80b)第六章 平面电磁波 (1)如果1=32，那么要使式(6-80a)和(6-80b)同时满足，则要求 或 所以，对于给定的工作频率，媒质2的夹层厚度d为媒质2中半波长的整数倍时，媒质1中无反射。最短夹层厚度d应为媒质2中的半波长。第
29、六章 平面电磁波(2)如果1=3，那么要求 或 且 所以当媒质1和媒质3的波阻抗不相等时，若媒质2的波阻抗等于媒质1和媒质3的波阻抗的几何平均值，且媒质2的夹层厚度d为媒质2中四分之一波长的奇数倍，则媒质1中无反射波。第六章 平面电磁波 例例 6-11 为了保护天线，在天线的外面用一理想介质材料制作一天线罩。天线辐射的电磁波频率为4 GHz，近似地看作均匀平面电磁波，此电磁波垂直入射到天线罩理想介质板上。天线罩的电磁参数为r=2.25,r=1，求天线罩理想介质板厚度为多少时介质板上无反射。解解：因为 所以，理想介质板中的电磁波波长 天线罩两侧为空气，故天线罩的最小厚度应为 第六章 平面电磁波
30、6.7 均匀平面电磁波向平面分界面的斜入射均匀平面电磁波向平面分界面的斜入射 6.7.1 均匀平面电磁波向理想介质分界面的斜入射均匀平面电磁波向理想介质分界面的斜入射 1.相位匹配条件和斯奈尔定律相位匹配条件和斯奈尔定律 图 6-15 入射线、反射线、透射线 第六章 平面电磁波 第六章 平面电磁波 因为分界面z=0处两侧电场强度的切向分量应连续，故有 第六章 平面电磁波 第六章 平面电磁波 对于非磁性媒质，1=2=0，式(6-90)简化为(6-90)第六章 平面电磁波 2.反射系数和透射系数反射系数和透射系数 斜入射的均匀平面电磁波，不论何种极化方式，都可以分解为两个正交的线极化波：一个极化方
31、向与入射面垂直，称为垂直极化波；另一个极化方向在入射面内，称为平行极化波。即 因此，只要分别求得这两个分量的反射波和透射波，通过叠加，就可以获得电场强度矢量任意取向的入射波的反射波和透射波。第六章 平面电磁波 1)垂直极化波 图 6-16 垂直极化的入射波、反射波和透射波 第六章 平面电磁波 考虑到反射定律，反射波的电磁场为 第六章 平面电磁波 透射波的电磁场为(6-95)第六章 平面电磁波 考虑到折射定律k1sini=k2sint，式(6-95)简化为 解之得(6-96a)(6-97)第六章 平面电磁波 若以Ei0除式(6-96a)，则有 对于非磁性媒质，1=2=0，式(6-97)简化为 第
32、六章 平面电磁波 上述反射系数和透射系数公式称为垂直极化波的菲涅耳(A.J.Fresnel)公式。由此可见，垂直入射时，i=t=0，式(6-97)简化为式(6-58)。透射系数总是正值。当12时，由折射定律知，it，反射系数是正值；反之，当12时，反射系数是负值。第六章 平面电磁波 2)平行极化波 图 6-17 平行极化的入射波、反射波和透射波 第六章 平面电磁波 入射波电磁场：反射波电磁场(已经考虑了反射定律)：第六章 平面电磁波 透射波电磁场：应用分界面z=0处场量的边界条件和折射定律有 第六章 平面电磁波 解之得反射系数、透射系数：如果i=0，那么r=t=0，故(6-104)第六章 平面
33、电磁波 对于非磁性媒质，1=2=0，式(6-104)简化为 第六章 平面电磁波 即 由此可见，透射系数T总是正值，反射系数则可正可负。第六章 平面电磁波 3.媒质媒质1中的合成电磁波中的合成电磁波(6-107)第六章 平面电磁波 相移常数为 相速为 沿z方向，电磁场的每一分量都是传播方向相反、幅度不相等的两个行波之和，电磁场沿z方向的分布为行驻波。它们的相移常数、相速和相应的波长为 第六章 平面电磁波 6.7.2 均匀平面电磁波向理想导体的斜入射均匀平面电磁波向理想导体的斜入射 垂直极化的反射系数和透射系数：平行极化的反射系数和透射系数：由此可见，同垂直入射时一样，斜入射电磁波也不能透入理想导
34、体。(6-108a)第六章 平面电磁波 1.垂直极化垂直极化 将式(6-108a)代入式(6-107)，便得经区域2的理想导体表面反射后媒质1(z0)中的合成电磁波：(6-109)第六章 平面电磁波 媒质1中的合成电磁波具有下列性质：(1)合成电磁波是沿x方向传播的TE波，相速为 (2)合成电磁波的振幅与z有关，所以为非均匀平面电磁波，即合成电磁波沿z方向的分布是驻波。电场强度的波节点位置离分界面(z=0)的距离，第六章 平面电磁波 (3)坡印廷矢量有两个分量。由式(6-109)可见，坡印廷矢量有x、z两个分量，它们的时间平均值为 第六章 平面电磁波 2.平行极化平行极化 若Ei平行入射面斜入
35、射到理想导体表面，类似于上面垂直极化的分析，我们获知媒质1中的合成电磁波是沿x方向传播的TM波，垂直理想导体表面的z方向合成电磁波仍然是驻波。第六章 平面电磁波 例例 6-12 如果定义功率反射系数、功率透射系数为 证明：p+Tp=1即在垂直分界面的方向，入射波、反射波、透射波的平均功率密度满足能量守恒关系。第六章 平面电磁波 解：解：不论Ei垂直入射面还是平行入射面，均有 第六章 平面电磁波 将以上三式代入功率反射系数和功率透射系数的定义，并且考虑到 有 和 第六章 平面电磁波 6.8 均匀平面电磁波的全透射和全反射均匀平面电磁波的全透射和全反射 图 6-18 斜入射的功率反射系数与透射系数
36、 第六章 平面电磁波 6.8.1 全透射全透射 解上式得 此角度称为布儒斯特角(Brewster Angle)，记为B。由式(6-106a)知，此时 第六章 平面电磁波 从而 对于垂直极化的斜入射，其反射系数公式(6-99a)表明，=0发生于 第六章 平面电磁波 综上可见，对于非磁性媒质，产生全透射的条件是：均匀平面电磁波平行极化斜入射；入射角等于布儒斯特角，即i=B。所以，任意极化的电磁波以布儒斯特角斜入射到两非磁性媒质的分界面时，入射波中Ei平行于入射面的部分将全部透入媒质2，仅垂直入射面的另一部分入射波被分界面反射，故反射波是Ei垂直入射面的线极化波。显然，如果圆极化波以布儒斯特角斜入射
37、时，其反射波和透射波均为线极化波。光学中通常利用这种原理来实现极化滤波。第六章 平面电磁波 6.8.2 全反射全反射 均匀平面电磁波斜入射时的反射系数、透射系数不仅与媒质特性有关，而且依赖于入射波的极化形式和入射角。在一定条件下会产生全反射现象。当反射系数的模|=1时，功率反射系数p=|2=1，此时垂直于分界面的平均功率全部被反射回媒质1，这种现象称为全反射。对于非磁性媒质，第六章 平面电磁波 综上可见，对于非磁性媒质，斜入射的均匀平面电磁波产生全反射的条件是：入射波自媒质1向媒质2斜入射，且2c时，由折射定律知，第六章 平面电磁波 显然不存在t的实数解。此时有 为虚数。令cost=-j，则发
38、生全反射时的反射系数与透射系数公式可重写为 第六章 平面电磁波 发生全反射后，媒质2中的透射波电场强度为 表面波的相速为 第六章 平面电磁波 图 6-19 全反射时的透射波等相位面及等振幅面 第六章 平面电磁波 因全反射条件下，ci90，故 发生全反射时，媒质2中透射波的平均功率流密度(坡印廷矢量的时间平均值)为 第六章 平面电磁波 第六章 平面电磁波 可见，媒质2中沿分界面法向z透射波的平均功率流密度为零，即无实功率传输；沿分界面方向x透射波的平均功率流密度为 媒质2中的透射波随z按指数衰减，但是与欧姆损耗引起的衰减不同，沿z方向没有能量损耗。第六章 平面电磁波 例例 6-13 真空中波长为
39、1.5m的远红外电磁波以75的入射角从r=1.5、r=1的媒质斜入射到空气中，求空气界面上的电场强度与距离空气界面一个波长处的电场强度之比。解：解：第六章 平面电磁波 例例 6-14 图6-20表示光纤(Optical Fiber)的剖面，其中光纤芯线的折射率为n1，包层的折射率为n2，且n1n2。这里采用平面波的反、折射理论来分析光纤传输光通信信号的基本原理。设光束从折射率为n0的媒质斜入射进入光纤，若在芯线与包层的分界面上发生全反射，则可使光束按图6-20所示的方式沿光纤轴向传播。现给定n1和n2，试确定能在光纤中产生全反射的进入角。第六章 平面电磁波 图 6-20 光纤示意图 第六章 平面电磁波 解：解：由折射定律知，第六章 平面电磁波 若n0=1，即光束从空气进入光纤，则有 假设n1=1.5,n2=1.48，则有 所以在上述条件下，只要光束进入角小于14.13，光束即可被光纤“俘获”，由多重全反射而在其中传播。