平面电磁波陈俊课件.pptx

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1、波动方程波动方程：对于研究平面波的对于研究平面波的传播传播特性，仅需求解波动方程。特性，仅需求解波动方程。若所讨论的时变场为正弦电磁场，上式变为若所讨论的时变场为正弦电磁场，上式变为此式称为此式称为齐次矢量亥姆霍兹齐次矢量亥姆霍兹方程，式中方程，式中 7.1 理想介质中的平面波理想介质中的平面波 第1页/共62页 在直角坐标系中，可以证明，电场强度在直角坐标系中，可以证明，电场强度 E 及磁场强度及磁场强度 H 的各个分量分别满足下列方程：的各个分量分别满足下列方程：这些方程称为这些方程称为齐次标量亥姆霍兹方程齐次标量亥姆霍兹方程。由于各个分量方程结构相同，它们的解具有同一形式。由于各个分量方

2、程结构相同，它们的解具有同一形式。第2页/共62页 在直角坐标系中，若时变电磁场的场量仅与一个坐标变量有关，在直角坐标系中，若时变电磁场的场量仅与一个坐标变量有关，则该时变电磁场的场量不可能具有该坐标分量。则该时变电磁场的场量不可能具有该坐标分量。例如，若场量仅与例如，若场量仅与 z 变量有关，则可证明变量有关，则可证明 ，因为若场量，因为若场量与变量与变量 x 及及 y 无关，则无关，则因在给定的区域中，因在给定的区域中，由上两式得，由上两式得代入代入标量亥姆霍兹标量亥姆霍兹方程，即知方程，即知 z 坐标分量坐标分量 。考虑到考虑到第3页/共62页已知电场强度分量已知电场强度分量 Ex 满足

3、齐次标量亥姆霍兹方程，考虑到满足齐次标量亥姆霍兹方程，考虑到得得这是一个二阶常微分方程，其通解为这是一个二阶常微分方程，其通解为上式第一项代表向正上式第一项代表向正 z 轴方向传播的波，第二项反之。轴方向传播的波，第二项反之。首先仅考虑向正首先仅考虑向正 z 轴方向传播的波，即轴方向传播的波，即 式中式中Ex0 为为 z=0 处电场强度的有效值。处电场强度的有效值。第4页/共62页Ex(z)对应的瞬时值为对应的瞬时值为 电场强度随着时间电场强度随着时间 t 及空间及空间 z 的的变化波形如图示。变化波形如图示。Ez(z,t)zOt1=0 上式中上式中 t 称为称为时间相位时间相位。kz 称称为

4、为空间相位空间相位。空间相位相等的点组成。空间相位相等的点组成的曲面称为的曲面称为波面波面。由上式可见，由上式可见，z =常数的平面为波常数的平面为波面。因此，这种电磁波称为平面波。面。因此，这种电磁波称为平面波。因因 Ex(z)与与 x,y 无无关关，在在 z =常常数数的的波波面面上上，各各点点场场强强振振幅幅相相等等。因因此此，这这种种平平面面波波又又称称为为均均匀匀平平面面波波。可见，电磁波向正可见，电磁波向正 z 方向传播。方向传播。第5页/共62页 时间相位时间相位变化变化 2 所经历的时间称为电磁波的所经历的时间称为电磁波的周期周期，以，以 T 表示，而表示，而一秒内相位变化一秒

5、内相位变化 2 的次数称为的次数称为频率频率，以，以 f 表示。那么由表示。那么由 的关系的关系式，得式，得 空间相位空间相位 kz 变化变化 2 所经过的距离称为所经过的距离称为波长波长，以，以 表示。那么由关表示。那么由关系式系式 ，得，得 由上可见，由上可见，电磁波的电磁波的频率频率是描述相位随是描述相位随时间时间的变化特性的变化特性，而而波长波长描述相描述相位随位随空间空间的变化特性的变化特性。由上式又可得由上式又可得 因空间相位变化因空间相位变化 2 相当于一个相当于一个全波全波，k 的大小又可衡量单位长度的大小又可衡量单位长度内具有的全波数目，所以内具有的全波数目，所以 k 又称为

6、又称为波数波数。第6页/共62页 根据相位不变点的轨迹变化可以计算电磁波的相位变化速度，这根据相位不变点的轨迹变化可以计算电磁波的相位变化速度，这种相位速度以种相位速度以 vp 表示。令表示。令 常数，得常数，得 ，则，则相位速度相位速度 vp 为为 考虑到考虑到 ，得，得 相位速度相位速度又简称为又简称为相速相速。考虑到一切媒质相对介电常数考虑到一切媒质相对介电常数 ，又通常相对磁导率，又通常相对磁导率 ，因此，因此，理想介质中均匀平面波的相速通常小于真空中的光速。理想介质中均匀平面波的相速通常小于真空中的光速。注意注意，电磁波的相速有时可以超过光速。因此，相速不一定代表，电磁波的相速有时可

7、以超过光速。因此，相速不一定代表能量传播速度。能量传播速度。在理想介质中，均匀平面波的相速与媒质特性有关。在理想介质中，均匀平面波的相速与媒质特性有关。第7页/共62页由上述关系可得由上述关系可得 平面波的平面波的频率频率是由是由波源波源决定的，但是平面波的决定的，但是平面波的相速相速与与媒质媒质特性有关。特性有关。因此，平面波的因此，平面波的波长与媒质特性有关波长与媒质特性有关。由上述关系还可求得由上述关系还可求得式中式中0 是频率为是频率为 f 的平面波在真空中传播时的波长。的平面波在真空中传播时的波长。在真空中，在真空中，由上式可见，由上式可见，即平面波在媒质的波长，即平面波在媒质的波长

8、小于小于真空中波长。这真空中波长。这种现象称为种现象称为波长缩短波长缩短效应，或简称为缩波效应。效应，或简称为缩波效应。第8页/共62页令电场强度方向为令电场强度方向为 x方向，即方向，即 ，则磁场强度，则磁场强度 H 为为 因因得得第9页/共62页由关系式由关系式 可得可得式中式中 可可见见，在在理理想想介介质质中中，均均匀匀平平面面波波的的电电场场与与磁磁场场相相位位相相同，且两者空间相位均与变量同，且两者空间相位均与变量 z 有关，但振幅不会改变。有关，但振幅不会改变。左左图图表表示示 t=0 时时刻刻，电电场场及及磁场随空间的变化情况。磁场随空间的变化情况。HyExz第10页/共62页

9、电场强度与磁场强度之比称为电磁波的电场强度与磁场强度之比称为电磁波的波阻抗波阻抗，以，以 Z 表示，即表示，即可见，平面波在可见，平面波在理想理想介质中传播时，其波阻抗为介质中传播时，其波阻抗为实数实数。当平面波在真空中传播时，其波阻抗以当平面波在真空中传播时，其波阻抗以 Z0 表示，则表示，则 上述均匀平面波的磁场强度与电场强度之间的关系又可用矢量形式上述均匀平面波的磁场强度与电场强度之间的关系又可用矢量形式表示为表示为 或或ExHyz第11页/共62页 对对于于传传播播方方向向而而言言，电电场场及及磁磁场场仅仅具具有有横横向向分分量量，因因此此这这种种电电磁磁波波称称为为横横电电磁磁波波，

10、或或称称为为TEM波波。以以后后我我们们将将会会遇遇到到在在传传播播方方向向上上具有电场或磁场分量的非具有电场或磁场分量的非TEM波。波。由上可见，均匀平面波是由上可见，均匀平面波是TEM波，只有非均匀平面波才可形成非波，只有非均匀平面波才可形成非TEM波，但是波，但是TEM波也可以是非均匀平面波。波也可以是非均匀平面波。根据电场强度及磁场强度，即可求得复能流密度矢量根据电场强度及磁场强度，即可求得复能流密度矢量 Sc 可见，此时复能流密度矢量为实数，虚部为零。这就可见，此时复能流密度矢量为实数，虚部为零。这就表明表明，电磁波能量，电磁波能量仅向正仅向正 z 方向单向流动，空间不存在来回流动的

11、交换能量。方向单向流动，空间不存在来回流动的交换能量。第12页/共62页 均匀平面波的波面是均匀平面波的波面是无限大无限大的平面，而波面上各点的场的平面，而波面上各点的场强振幅又强振幅又均匀分布均匀分布，因而波面上各点的，因而波面上各点的能流密度相同能流密度相同，可见，可见这种均匀平面波具有无限大的能量。显然，实际中这种均匀平面波具有无限大的能量。显然，实际中不可能不可能存存在这种均匀平面波。在这种均匀平面波。当观察者离开波源很远时，因波面很大，若观察者仅限当观察者离开波源很远时，因波面很大，若观察者仅限于局部区域，则可以于局部区域，则可以近似近似作为均匀平面波。作为均匀平面波。利用空间傅里叶

12、变换，可将非平面波展开为很多平面波利用空间傅里叶变换，可将非平面波展开为很多平面波之和，这种展开有时是非常有用的。之和，这种展开有时是非常有用的。第13页/共62页例例 已知均匀平面波在真空中向正已知均匀平面波在真空中向正 Z 方向传播，其电场强度的瞬时值为方向传播，其电场强度的瞬时值为 试求：试求：频率及波长；频率及波长；电场强度及磁场强度的复矢量表示式；电场强度及磁场强度的复矢量表示式；复能流密度矢量；复能流密度矢量；相速及能速。相速及能速。解解 频率频率 波长波长 电场强度电场强度磁场强度磁场强度 复能流密度复能流密度 相速及能速相速及能速第14页/共62页电磁波的波段划分及其应用电磁波

13、的波段划分及其应用 名名 称称频率范围频率范围波长范围波长范围典型业务典型业务甚低频甚低频VLF超长波超长波 330KHz10010km导航，声纳导航，声纳低频低频LF长波，长波，LW 30300KHz101km导航，频标导航，频标中频中频MF中波中波,MW 3003000KHz1km100mAM,海上通信海上通信高频高频HF短波短波,SW 330MHz100m10mAM,通信通信甚高频甚高频VHF超短波超短波 30300MHz101mTV,FM,MC特高频特高频UHF微波微波 3003000MHz10010cmTV,MC,GPS超高频超高频SHF微波微波 330GHz101cmSDTV,通信

14、通信,雷达雷达极高频极高频EHF微波微波 30300GHz101mm通信通信,雷雷达达光频光频 光波光波 150THz3000.006m光纤通信光纤通信第15页/共62页中波调幅广播中波调幅广播（AM）：550KHz1650KHz短波调幅广播短波调幅广播（AM）：2MHz30MHz调频广播调频广播（FM）：88MHz108MHz电视频道电视频道（TV）：50MHz100MHz;170MHz220MHz 470MHz870MHz无绳电话无绳电话(Cordless Phone)：50MHz;900MHz;2.4GHz 蜂窝电话蜂窝电话(Cellular Phone)：900MHz;1.8GHz;1

15、.9GHz卫星卫星TVTV直播直播（SDTV）：4GHz6GHz;12GHz14GHz全球卫星定位系统全球卫星定位系统（GPS）：L1=1575.42MHz L2=1227.60MHz,L3=1176.45MHz光纤通信：光纤通信：1.55m，1.33m，0.85m ISM波段：波段：902928MHz，2.42.4835GHz，5.7255.850GHz第16页/共62页7.2 导电媒质中的平面波导电媒质中的平面波 若若 0，则在无源区域中，则在无源区域中若令若令 则则上上式式可可写写为为 式中式中 e 称为称为等效介电常数等效介电常数。由此推知导电媒质中正弦电磁场应满足下列齐次矢量亥由此推

16、知导电媒质中正弦电磁场应满足下列齐次矢量亥姆霍兹方程姆霍兹方程 第17页/共62页若令若令则上述齐次矢量亥姆霍兹方程可写为则上述齐次矢量亥姆霍兹方程可写为 若仍然令若仍然令 ，且，且 ，则上式的解与前完全相同，只要，则上式的解与前完全相同，只要以以 kc 代替代替 k 即可，即即可，即 因常数因常数 kc 为复数，令为复数，令 求得求得第18页/共62页这样，电场强度的解可写为这样，电场强度的解可写为式中第一个指数表示电场强度的式中第一个指数表示电场强度的振幅振幅随随 z 增加按指数规律不断增加按指数规律不断衰减衰减，第，第二个指数表示二个指数表示相位相位变化。因此，变化。因此，称为称为相位常

17、数相位常数，单位为，单位为rad/m；称称为为衰减常数衰减常数，单位为，单位为Np/m，而，而 称为称为传播常数传播常数。导电媒质中的相速为导电媒质中的相速为此式表明，其相速不仅与媒质参数有关，而且还与频率有关。此式表明，其相速不仅与媒质参数有关，而且还与频率有关。各各个个频频率率分分量量的的电电磁磁波波以以不不同同的的相相速速传传播播，经经过过一一段段距距离离后后，各各个个频频率率分分量量之之间间的的相相位位关关系系将将发发生生变变化化，导导致致信信号号失失真真，这这种种现现象象称称为为色色散散。所以导电媒质又称为。所以导电媒质又称为色散媒质色散媒质。第19页/共62页导电媒质中平面波的波长

18、为导电媒质中平面波的波长为 可见，此时波长不仅与媒质特性有关，而且与频率的关系是非线性的。可见，此时波长不仅与媒质特性有关，而且与频率的关系是非线性的。导电媒质中的波阻抗导电媒质中的波阻抗 Zc 为为可见，波阻抗为可见，波阻抗为复数复数。因为波阻抗为复数，电场强度与磁场强度的相位不同。因为波阻抗为复数，电场强度与磁场强度的相位不同。第20页/共62页导电媒质中磁场强度为导电媒质中磁场强度为 可见，磁场的振幅也可见，磁场的振幅也不断衰减不断衰减，且磁场强度与电场强度的相，且磁场强度与电场强度的相位不同。位不同。ExHyz 因为电场强度与磁场强度的因为电场强度与磁场强度的相位相位不同，复能流密度的

19、实部及虚部均不不同，复能流密度的实部及虚部均不会为零，这就意味着平面波在导电媒会为零，这就意味着平面波在导电媒质中传播时，既有单向流动的质中传播时，既有单向流动的传播传播能能量，又有来回流动的量，又有来回流动的交换交换能量。能量。第21页/共62页两种两种特殊特殊情况：情况：第第一一，若若 ，具具有有低低电电导导率率的的介介质质属属于于这这种种情情况况。此此时时，可可以以近近似认为似认为那么那么这这些些结结果果表表明明，电电场场强强度度与与磁磁场场强强度度同同相相，但但两两者者振振幅幅仍仍不不断断衰衰减减。电电导率导率 愈大，则振幅衰减愈大。愈大，则振幅衰减愈大。第二第二，若，若 ，良导体属于

20、这种情况。此时可以近似认为，良导体属于这种情况。此时可以近似认为 第22页/共62页那么那么此此式式表表明明，电电场场强强度度与与磁磁场场强强度度不不同同相相，且且因因 较较大大，两两者者振振幅幅发发生生急急剧剧衰衰减减，以以致致于于电电磁磁波波无无法法进进入入良良导导体体深处，仅可存在其表面附近，这种现象称为深处，仅可存在其表面附近，这种现象称为集肤效应。集肤效应。场场强强振振幅幅衰衰减减到到表表面面处处振振幅幅 的的深深度度称称为为集集肤肤深深度度，以以 表示，则由表示，则由可见，集肤深度与频率可见，集肤深度与频率 f 及电导率及电导率 成反比。成反比。第23页/共62页三种频率时铜的集肤

21、深度三种频率时铜的集肤深度f/MHz0.051 /mm29.80.0660.00038可见，随着可见，随着频率升高频率升高，集肤深度急剧地减小。，集肤深度急剧地减小。因此，具有一定厚度的金属板即因此，具有一定厚度的金属板即可可屏蔽屏蔽高频时变电磁场。高频时变电磁场。对对应应于于比比值值 的的频频率率称称为为界界限限频频率率，它它是是划划分分媒媒质质属属于于低低耗耗介介质质或或导体的界限。导体的界限。媒媒 质质频频 率率 （MHz）干 土2.6 （短波）湿 土6.0 （短波）淡 水0.22 （中波）海 水 890 （超短波）硅 （微波）锗 （微波）铂 （光波）铜 （光波）比比值值的的大大小小实实

22、际际上上反反映映了了传传导导电电流流与与位位移移电电流流的的幅幅度度之之比比。可可见见，非非理理想想介介质质中中以以位位移移电电流流为为主主，良良导导体体中以传导电流为主中以传导电流为主。第24页/共62页 平平面面波波在在导导电电媒媒质质中中传传播播时时，振振幅幅不不断断衰衰减减的的物物理理原原因因是是由由于于电电导导率率 引引起起的的热热损损耗耗，所所以以导导电电媒媒质质又又称称为为有有耗耗媒媒质质，而而电电导导率率为为零零的的理想介质理想介质又称为又称为无耗媒质无耗媒质。一一般般说说来来，媒媒质质的的损损耗耗除除了了由由于于电电导导率率引引起起的的热热损损失失以以外外，媒媒质质的的极极化

23、化和和磁磁化化现现象象也也会会产产生生损损耗耗。考考虑虑到到这这类类损损耗耗时时，媒媒质质的的介介电电常常数数及及磁导率皆为磁导率皆为复数复数，即，即 ，。复复介介电电常常数数和和复复磁磁导导率率的的虚虚部部代代表表损损耗耗，分分别别称称为为极极化化损损耗耗和和磁磁化损耗化损耗。非铁磁性物质可以不计非铁磁性物质可以不计磁化磁化损耗。损耗。波长大于微波的电磁波，媒质的波长大于微波的电磁波，媒质的极化极化损耗也可不计。损耗也可不计。第25页/共62页例例 已知向正已知向正 z 方向传播的均匀平面波的频率为方向传播的均匀平面波的频率为 5 MHz，z=0 处电处电场强度为场强度为 x方向，其有效值为

24、方向，其有效值为100(V/m)。若。若 区域为海水，其电区域为海水，其电磁特性参数为磁特性参数为 ，试求，试求:该平面波在海水中的该平面波在海水中的相位常数、衰减常数、相速、波长、波阻抗和集肤深度。相位常数、衰减常数、相速、波长、波阻抗和集肤深度。在在 z=0.8m 处的电场强度和磁场强度的瞬时值以及复能流密度。处的电场强度和磁场强度的瞬时值以及复能流密度。解解 可见，对于可见，对于 5MHz 频率的电磁波，海水可以当作良导体，其相位常数为频率的电磁波，海水可以当作良导体，其相位常数为衰减常数为衰减常数为第26页/共62页波长为波长为 波阻抗波阻抗 Zc 为为 相速为相速为 集肤深度集肤深度

25、 为为 根据以上参数获知，海水中电场强度的复振幅为根据以上参数获知，海水中电场强度的复振幅为磁场强度复振幅为磁场强度复振幅为第27页/共62页根据上述结果求得，在根据上述结果求得，在 z=0.8m 处，电场强度及磁场强度的瞬时值为处，电场强度及磁场强度的瞬时值为复能流密度为复能流密度为 可见，频率为可见，频率为 5MHz 的电磁波在海水中被强烈地衰减，因此位于海的电磁波在海水中被强烈地衰减，因此位于海水中的潜艇之间，不可能通过海水中的直接波进行无线通信。必须将水中的潜艇之间，不可能通过海水中的直接波进行无线通信。必须将其收发天线移至海水表面附近，利用海水表面的导波作用形成的表面其收发天线移至海

26、水表面附近，利用海水表面的导波作用形成的表面波，或者利用电离层对于电磁波的波，或者利用电离层对于电磁波的“反射反射”作用形成的反射波作为传作用形成的反射波作为传输媒体实现无线通信。输媒体实现无线通信。第28页/共62页电场电场强度的方向随强度的方向随时间时间变化的规律称为电磁波的变化的规律称为电磁波的极化特性极化特性。7.3 平面波的极化特性平面波的极化特性设某一平面波的电场强度的瞬时值为设某一平面波的电场强度的瞬时值为 显然，在空间任一固定点，电场强度矢量的端点随时显然，在空间任一固定点，电场强度矢量的端点随时间的变化轨迹为与间的变化轨迹为与 x 轴平行的直线。因此，这种平面波的轴平行的直线

27、。因此，这种平面波的极化特性称为极化特性称为线极化线极化，其，其极化方向极化方向为为 x 方向。方向。设另一同频率的设另一同频率的 y 方向极化的线极化方向极化的线极化平面波的瞬时值为平面波的瞬时值为 第29页/共62页 上述两个上述两个相互正交相互正交的的线极化线极化平面波平面波 Ex 及及 Ey 具有具有不同振幅不同振幅，但具有，但具有相同的相位相同的相位，它们合成后，其瞬时值的大小为，它们合成后，其瞬时值的大小为 可见，合成波的大小随时间的变化仍为正弦函数，合成波的方向与可见，合成波的大小随时间的变化仍为正弦函数，合成波的方向与x轴轴的夹角的夹角 为为 可见，合成波的极化方向与时间无可见

28、，合成波的极化方向与时间无关，电场强度矢量端点的变化轨迹是与关，电场强度矢量端点的变化轨迹是与x轴夹角为轴夹角为 的一条直线。因此，合成波的一条直线。因此，合成波仍然是仍然是线极化波线极化波。EyExEYX0EyExEYX0EyExEyx0第30页/共62页 由上可见，由上可见，两个两个相位相同相位相同，振幅不等振幅不等的空间相互正交的线极化平面的空间相互正交的线极化平面波波，合成后仍然形成一个合成后仍然形成一个线极化线极化平面波平面波。反之反之，任一线极化波可以分解任一线极化波可以分解为两个相位相同为两个相位相同，振幅不等的空间相互正交的线极化波振幅不等的空间相互正交的线极化波。若上述两个线

29、极化波若上述两个线极化波 Ex 及及 Ey 的相位差为的相位差为 ，但振幅皆为，但振幅皆为Em，即，即 则合成波瞬时值的大小为则合成波瞬时值的大小为 合成波矢量与合成波矢量与 x 轴的夹角轴的夹角 为为 第31页/共62页即即由此可见，对于某一固定的由此可见，对于某一固定的 z 点，夹角点，夹角 为时间为时间 t 的函数。电场强度矢量的函数。电场强度矢量的方向随时间不断地的方向随时间不断地旋转旋转，但其，但其大小不变大小不变。因此，合成波的电场强度矢。因此，合成波的电场强度矢量的端点轨迹为一个量的端点轨迹为一个圆圆，这种变化规律称为，这种变化规律称为圆极化圆极化，如下图示。，如下图示。上式表明

30、，当上式表明，当t 增加时，夹角增加时，夹角 不断地减小，合成波矢量随着时间的旋转不断地减小，合成波矢量随着时间的旋转方向与传播方向构成左旋关系，这种圆极化波称为方向与传播方向构成左旋关系，这种圆极化波称为左旋左旋圆极化波。圆极化波。EyExEyx0左旋右旋zy x 0第32页/共62页 若若 Ey 比比 Ex 滞滞 后后 ，则则 合合 成成 波波 矢矢 量量 与与 x 轴轴 的的 夹夹 角角 。可可见见，对对于于空空间间任任一一固固定定点点，夹夹角角 随随时时间间增增加加而而增增加加，合合成成波波矢矢量量随随着着时时间间的的旋旋转转方方向向与与传传播播方方向向 ez 构构成成右右旋旋关关系系

31、，因此，这种极化波称为因此，这种极化波称为右旋圆极化波右旋圆极化波。由上可见，两个振幅相等，相位相差由上可见，两个振幅相等，相位相差 的空间相互正交的空间相互正交的线极化波，合成后形成一个圆极化波。反之，一个圆极化的线极化波，合成后形成一个圆极化波。反之，一个圆极化波也可以分解为两个振幅相等，相位相差波也可以分解为两个振幅相等，相位相差 的空间相互正交的空间相互正交的线极化波。的线极化波。还可证明，一个还可证明，一个线线极化波可以分解为两个极化波可以分解为两个旋转方向相反旋转方向相反的的圆圆极化波。反之亦然。极化波。反之亦然。第33页/共62页 若上述两个相互正交的线极化波若上述两个相互正交的

32、线极化波 Ex 和和 Ey 具有不同振幅及不同相位，即具有不同振幅及不同相位，即 则合成波的则合成波的 Ex 分量及分量及 Ey 分量满足下列方程分量满足下列方程 这是一个椭圆方程，它表示合成波矢这是一个椭圆方程，它表示合成波矢量的端点轨迹是一个椭圆，因此，这种平量的端点轨迹是一个椭圆，因此，这种平面波称为面波称为椭圆极化波。椭圆极化波。yxEx y Ey mEx m 当当 0 时，时，Ey分量比分量比 Ex 导前，与传播方向导前，与传播方向ez 形成左旋椭圆极化波。形成左旋椭圆极化波。第34页/共62页 前前述述的的线线极极化化波波、圆圆极极化化波波均均可可看看作作为为椭椭圆圆极极化化波波的

33、的特特殊殊情情况况。由由于于各各种种极极化化波波可可以以分分解解为为线线极极化化波波的的合合成成，因因此此，仅仅讨讨论论线线极极化化平平面面波波的传播特性。的传播特性。电电磁磁波波的的极极化化特特性性获获得得非非常常广广泛泛的的实实际际应应用用。例例如如，由由于于圆圆极极化化波波穿穿过雨区时受到的吸收衰减较小，全天候雷达宜用圆极化波。过雨区时受到的吸收衰减较小，全天候雷达宜用圆极化波。在微波设备中，有些器件的功能就是利用了电磁波的极化特性获得的，在微波设备中，有些器件的功能就是利用了电磁波的极化特性获得的，例如，铁氧体环行器及隔离器等。例如，铁氧体环行器及隔离器等。在在无无线线通通信信中中，为

34、为了了有有效效地地接接收收电电磁磁波波的的能能量量，接接收收天天线线的的极极化化特特性性必须与被接收电磁波的必须与被接收电磁波的极化特性一致极化特性一致。在移动卫星通信和卫星导航定位系统中，由于卫星姿态随时变更，应在移动卫星通信和卫星导航定位系统中，由于卫星姿态随时变更，应该使用该使用圆极化圆极化电磁波。电磁波。第35页/共62页 众所周知，光波也是电磁波。但是光波不具有固定众所周知，光波也是电磁波。但是光波不具有固定的极化特性，或者说，其极化特性是的极化特性，或者说，其极化特性是随机随机的。光学中将的。光学中将光波的极化称为光波的极化称为偏振偏振，因此，光波通常是，因此，光波通常是无偏振无偏

35、振的。的。为了获得偏振光必须采取特殊方法。为了获得偏振光必须采取特殊方法。立体电影是利用两个相互垂直的偏振镜头从不同的立体电影是利用两个相互垂直的偏振镜头从不同的角度拍摄的。因此，观众必须佩带一副左右相互垂直的角度拍摄的。因此，观众必须佩带一副左右相互垂直的偏振镜片，才能看到立体效果。偏振镜片，才能看到立体效果。第36页/共62页7.4 7.4 相速和群速相速和群速电磁波相速度电磁波相速度表示波的恒定相位点表示波的恒定相位点 推进的速度。推进的速度。对于理想介质：对于理想介质：（与频率无关）（与频率无关）对于损耗媒质：对于损耗媒质：（与频率有关）（与频率有关）不再是不再是 的线性函数的线性函数

36、 单一频率正弦波不能携带信息。单一频率正弦波不能携带信息。一个信号由许多频率分量组成。一个信号由许多频率分量组成。用用“群速群速”代表信号在损耗媒质中能量的传播速度。代表信号在损耗媒质中能量的传播速度。设两个振幅均为设两个振幅均为AmAm，而角频率分别为，而角频率分别为 和和 的行波的行波其合成波其合成波其其振幅振幅是受调制的，称为包络波。如图是受调制的，称为包络波。如图7.6.17.6.1中的虚线所示。中的虚线所示。第37页/共62页z zz z图图7.6.17.6.1群速和相速群速和相速定义群速：包络波上一恒定相位点定义群速：包络波上一恒定相位点 推进的速度。推进的速度。设设则则故故讨论讨

37、论称为无色散称为无色散称为正常色散称为正常色散称为反常色散称为反常色散第38页/共62页7.5 对平面分界面的垂直入射对平面分界面的垂直入射 平平面面波波在在边边界界上上的的反反射射及及透透射射规规律律与与媒媒质质特特性性及及边边界界形形状状有有关关。本本教教材材仅仅讨讨论论平平面面波波在在无无限限大大的的平平面面边边界界上上的的反反射射及透射特性。及透射特性。边界边界透射波透射波反射波反射波入射波入射波垂直入射垂直入射边界边界斜入射斜入射 首首先先讨讨论论平平面面波波向向平平面面边边界界垂直入射的垂直入射的垂直入射垂直入射。再讨论平面波以任意角度向再讨论平面波以任意角度向平面边界的平面边界的

38、斜入射斜入射。第39页/共62页11122zxY 设两种均匀媒质形成一个设两种均匀媒质形成一个无限大无限大的平面边界，两种媒质的参数分别的平面边界，两种媒质的参数分别为为 及及 ，如下图示。，如下图示。建立直角坐标系，建立直角坐标系，且令边界且令边界位于位于 z=0 平面。平面。当当 x 方向极化方向极化的的线极化线极化平面波由媒质平面波由媒质向边界向边界正投射时，边界上发生反射波及正投射时，边界上发生反射波及透射波。透射波。S tS rS i 已知电场的切向分量在任何边界上必须保持连续，因此，已知电场的切向分量在任何边界上必须保持连续，因此，入射波的电场切向分量与反射波的切向分量之和必须等于

39、透射入射波的电场切向分量与反射波的切向分量之和必须等于透射波的电场切向分量。波的电场切向分量。第40页/共62页入射波入射波反射波反射波电磁波不能穿入理想导体，到达分界面时将被反射回来。电磁波不能穿入理想导体，到达分界面时将被反射回来。1 1区的合成波区的合成波由边界条件由边界条件（2 2区电场为零）区电场为零）于是于是1 1区的合成波电磁场的复数表示区的合成波电磁场的复数表示（1）对理想导体平面的垂直入射）对理想导体平面的垂直入射第41页/共62页第一种媒质中第一种媒质中合成波电场的合成波电场的瞬时表示：瞬时表示：此此式式表表明明，媒媒质质中中合合成成电电场场的的相相位位仅仅与与时时间间有有

40、关关，而而振振幅幅随随 z 的变化为正弦函数的变化为正弦函数。由由上上式式可可见见，在在 处处，对对于于任任何何时时刻刻，电电场场为为零零。在在 处处，任任何何时时刻刻的的电电场场振振幅幅总总是是最最大大。这这就就意意味味着着空空间间各各点点合合成成波波的的相相位位相相同同，同同时时达达到到最最大大或或最最小小。平平面面波波在在空空间间没没有有移移动动，只只是是在在原原处处上上下下波波动动，具具有有这这种种特特点点的电磁波称为的电磁波称为驻波驻波，如下图示。，如下图示。第42页/共62页Ex 00t1=01Z1=02=0Ex 001Z1=02=0Ex 001Z1=02=0Ex 001z1=02

41、=O 前前述述的的无无限限大大理理想想介介质质中中传传播播的的平平面面波波称称为为行行波波。行行波波与与驻驻波波的的特特性性截截然然不不同同，行行波波的的相相位位沿沿传传播播方方向向不不断变化断变化，而，而驻波的相位与空间无关驻波的相位与空间无关。Ex 00z1O1=02=t1=0 振幅始终为零的地方称为驻波的振幅始终为零的地方称为驻波的波节波节，而振幅始终为最大值的地方称，而振幅始终为最大值的地方称为驻波的为驻波的波腹波腹。Ez(z,t)zOt1=0第43页/共62页媒质媒质中的合成磁场瞬时表达式为中的合成磁场瞬时表达式为 由此可见，媒质由此可见，媒质中的合中的合成磁场也形成驻波，但其零值成

42、磁场也形成驻波，但其零值及最大值位置与电场驻波的分及最大值位置与电场驻波的分布情况恰好布情况恰好相反相反，如左图示。，如左图示。磁场驻波的波腹恰是电场驻波磁场驻波的波腹恰是电场驻波的波节，的波节，而磁场驻波的波节恰而磁场驻波的波节恰是电场驻波的波腹。是电场驻波的波腹。Hy 0z1O1=02=y第44页/共62页 此外，比较两种驻波分布还可见，电场与磁场的相位此外，比较两种驻波分布还可见，电场与磁场的相位差为差为 。因此，复能流密度的。因此，复能流密度的实部为零实部为零，只存在虚部。这，只存在虚部。这就意味着媒质就意味着媒质中没有能量单向流动。能量仅在电场与磁中没有能量单向流动。能量仅在电场与磁

43、场之间不断地进行交换，这种能量的存在形式与处于谐振场之间不断地进行交换，这种能量的存在形式与处于谐振状态下的谐振电路中的能量交换极为相似。状态下的谐振电路中的能量交换极为相似。在在 z=0边边界界上上，媒媒质质中中的的合合成成磁磁场场分分量量为为 ，但但媒媒质质中中 ，所所以以在在边边界界上上此此时时发发生生磁磁场场强强度度的的切切向向分量不连续，因此边界上存在表面电流分量不连续，因此边界上存在表面电流 JS，且，且第45页/共62页入射波入射波反射波反射波透射波透射波 （2）对两种导电媒质分界面的垂直入射）对两种导电媒质分界面的垂直入射1 1区合成波区合成波在在z=0z=0处，由于没有感应面

44、电流，故分界面两侧其处，由于没有感应面电流，故分界面两侧其电场和磁场电场和磁场的切向分量连续。的切向分量连续。得得第46页/共62页定义定义反射系数反射系数和和透射系数透射系数 一般情况一般情况 和和 是复数。表明分界面上反射波和透射是复数。表明分界面上反射波和透射波将引入一附加相移。波将引入一附加相移。若媒质若媒质1 1、2 2为理想介质则为理想介质则 为实数，在为实数，在z=0z=0的分介面上的分介面上反射波电场与入射波电场同相相加，合成波电反射波电场与入射波电场同相相加，合成波电场为最大，磁场为最小。场为最大，磁场为最小。合成波电场为最小，磁场为最大。合成波电场为最小，磁场为最大。2 2

45、区为理想导体区为理想导体 则则 此时将被全部反射，并此时将被全部反射，并在在1 1区形成驻波。区形成驻波。1 1区为空气，区为空气，2 2区为良导体，则区为良导体，则2 2区的电磁波率减很快，区的电磁波率减很快，即良导体中的电磁波只存在于表面，这一现象称为集肤效应。即良导体中的电磁波只存在于表面，这一现象称为集肤效应。第47页/共62页7.6 对平面分界面的斜入射对平面分界面的斜入射 当当平平面面波波向向平平面面边边界界上上斜斜入入射射时时，通通常常透透射射波波的的方方向向发发生生偏偏折折，因因此此，这这种种透透射射波波称称为为折折射射波波。入入射射线线，反反射射线线及及折折射射线线与与边边界

46、界面面法法线线之之间间的的夹夹角角分分别别称称为为入入射射角角，反反射射角角及及折折射射角角。入入射射线线，反反射射线线及及折折射射线线和和边边界界面面法法线线构构成成的的平平面面分分别别称称为为入入射面射面，反射面反射面和和折射面折射面，如下图示。，如下图示。it1 12 2xz折射波反射波法线yr入射波第48页/共62页 本节讨论均匀平面波以任意角度入射到无限大平面分界面时出现本节讨论均匀平面波以任意角度入射到无限大平面分界面时出现的反射与折射情况。的反射与折射情况。垂直极化波垂直极化波E E与入射面垂直；与入射面垂直；入射面入射面入射波射线入射波射线 与分界法线与分界法线n n 所构成的

47、平面；所构成的平面；平行极化波平行极化波E E与入射面平行；与入射面平行；一、对理想导体平面的斜入射一、对理想导体平面的斜入射入射波入射波反射波反射波媒质媒质1 1媒质媒质2 2z zx x平行极化波平行极化波入射波入射波反射波反射波z zx x媒质媒质1 1媒质媒质2 2垂直极化波垂直极化波n n第49页/共62页（1 1）平行极化波的斜入射平行极化波的斜入射入射线方向单位矢量入射线方向单位矢量反射线方向单位矢量反射线方向单位矢量1 1区合成波电场区合成波电场1 1区合成波磁场区合成波磁场由边界条件：由边界条件：z=0z=0时时得得上式成立的条件上式成立的条件入射角等于反射角（斯耐尔反射定理

48、）入射角等于反射角（斯耐尔反射定理）得得第50页/共62页得得1 1区任意点的电场和磁场区任意点的电场和磁场特点特点 在垂直于分界面的方向（在垂直于分界面的方向（z z方向），合成波场量呈驻波分布。方向），合成波场量呈驻波分布。在平行于分界面的方向（在平行于分界面的方向（x x方向），合成波场量是行波。方向），合成波场量是行波。z=z=常数为波的等振幅面，常数为波的等振幅面，X=X=常数为波等相位面，故它是非常数为波等相位面，故它是非均匀平面波。均匀平面波。沿电磁波传播方向沿电磁波传播方向(x(x方向）不存在磁场分量，这种波称为方向）不存在磁场分量，这种波称为横磁波，简称横磁波，简称TM波。波

49、。当当 或或 时，时，总是总是零。故在零。故在 插入一导体板，将不会改变此导体板插入一导体板，将不会改变此导体板与原理想导体分界面之间的场分布。这就是平行板波导的与原理想导体分界面之间的场分布。这就是平行板波导的原理。原理。第51页/共62页入射波入射波反射波反射波z zx x媒质媒质1 1媒质媒质2 2垂直极化波垂直极化波（2 2）垂直极化波的斜入射）垂直极化波的斜入射如图，入射波电场垂直于入射面，故入射波和反射波电场只由如图，入射波电场垂直于入射面，故入射波和反射波电场只由EyEy分量，而磁场有分量，而磁场有HxHx和和HzHz分量。用类似于平行极化波的分析方法，可得分量。用类似于平行极化

50、波的分析方法，可得1 1区和成波的电场和磁场区和成波的电场和磁场由边界条件得由边界条件得得得第52页/共62页特点特点 在垂直于分界面的方向（在垂直于分界面的方向（z z方向），合成波场量呈驻波分布。方向），合成波场量呈驻波分布。在平行于分界面的方向（在平行于分界面的方向（x x方向），合成波场量是行波方向），合成波场量是行波 z=z=常数为波的等振幅面，常数为波的等振幅面，X=X=常数为波等相位面，故它是非均匀平面波。常数为波等相位面，故它是非均匀平面波。沿电磁波传播方向沿电磁波传播方向(x(x方向）不存在电场分量，这种波称为横电波，简方向）不存在电场分量，这种波称为横电波，简称称TETE波