第五章 均匀平面波在无界媒质中的传播.ppt

1,第5章 均匀平面波在无界空间中的传播,本章内容5.1 理想介质中的均匀平面波5.2 电磁波的极化5.3 导电媒质中的均匀平面波5.4 色散与群速5.5 均匀平面波在各向异性媒质中的传播,2,均匀平面波的概念,波阵面：空间相位相同的点构成的曲面，即等相位面,平面波：等相位面为无限大平面的电磁波,均匀平面波：等相位面上电场和磁场的方向、振幅都保持不变 的平面波,均匀平面波是电磁波的一种理想 情况，其分析方法简单，但又表 征了电磁波的重要特性。,3,5.1 理想介质中的均匀平面波,5.1.1 一维波动方程的均匀平面波解,5.1.2 理想介质中均匀平面波的传播特点,5.1.3 沿任意方向传播的均匀平面波,4,由于,5.1.1 一维波动方程的均匀平面波解,设在无限大的无源空间中，充满线性、各向同性的均匀理想介质。均匀平面波沿 z 轴传播，则电场强度和磁场强度均不是 x和 y 的函数，即,结论：均匀平面波的电场强度和磁场强度都垂直于波的传播 方向 横电磁波（TEM波）,5,设电场只有x 分量，即,其解为：,可见，表示沿+z 方向传播的波。,解的物理意义,第一项,第二项,6,由，可得,其中 称为媒质的本征阻抗。在真空中,相伴的磁场,结论：在理想介质中，均匀平面波的电场强度与磁场强度相 互垂直，且同相位。,7,1、均匀平面波的传播参数,周期T：时间相位变化 2的时间间隔，即,（1）角频率、频率和周期,角频率：表示单位时间内的相位变化，单位为rad/s,频率 f：,5.1.2 理想介质中均匀平面波的传播特点,8,（2）波长和相位常数,k 的大小等于空间距离2内所包含的波长数目，因此也称为波数。,波长：空间相位差为2 的两个波阵面的间距，即,相位常数 k：表示波传播单位距离的相位变化,9,（3）相速（波速）,真空中：,由,相速v：电磁波的等相位面在空间 中的移动速度,故得到均匀平面波的相速为,10,2、能量密度与能流密度,故,11,3.理想介质中的均匀平面波的传播特点,电场、磁场与传播方向之间相互垂直，是横电磁波（TEM 波）,无衰减，电场与磁场的振幅不变,波阻抗为实数，电场与磁场同相位,电磁波的相速与频率无关，无色散,电场能量密度等于磁场能量密度，能量的传输速度等于相速,根据前面的分析，可总结出理想介质中的均匀平面波的传播特点为：,12,例5.1.1 频率为9.4GHz的均匀平面波在聚乙烯中传播，设其为无耗材料，相对介电常数为r=2.26。若磁场的振幅为7mA/m，求相速、波长、波阻抗和电场强度的幅值。,解：由题意,因此,13,解：以余弦为基准，直接写出,例5.1.2 均匀平面波的磁场强度的振幅为 A/m，以相位常数为30 rad/m 在空气中沿 方向传播。当t=0 和 z=0 时，若 取向为，试写出 和 的表示式，并求出频率和波长。,因，故,则,14,例5.1.3 频率为100Mz的均匀电磁波，在一无耗媒质中沿+z方向传播，其电场。已知该媒质的相对介电常数r=4、相对磁导率r=1，且当t=0、z=1/8 m 时，电场幅值为104 V/m。试求电场强度和磁场强度的瞬时表示式。,解：设电场强度的瞬时表示式为,对于余弦函数，当相角为零时达振幅值。考虑条件t=0、z=1/8 m 时，电场达到幅值，得,式中,15,所以,磁场强度的瞬时表示式为,式中,因此,16,解：电场强度的复数表示式为,自由空间的本征阻抗为,故得到该平面波的磁场强度,于是，平均坡印廷矢量,垂直穿过半径R=2.5m 的圆平面的平均功率,例5.1.4 自由空间中平面波的电场强度,求在z=z0 处垂直穿过半径R=2.5m 的圆平面的平均功率。,17,5.2 电磁波的极化,5.2.1 极化的概念,5.2.2 线极化波,5.2.3 圆极化波,5.2.4 椭圆极化波,5.2.5 极化波的分解,5.2.6 极化波的工程应用,18,5.2.1 极化的概念,波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变 化的特性,是电磁理论中的一个重要概念。,在电磁波传播空间给定点处，电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹。,波的极化,19,一般情况下，沿+z 方向传播的均匀平面波，其中,电磁波的极化状态取决于Ex 和Ey 的振幅之间和相位之间的关系，分为：线极化、圆极化、椭圆极化。,极化的三种形式,线极化：电场强度矢量的端点轨迹为一直线段,圆极化：电场强度矢量的端点轨迹为一个圆,椭圆极化：电场强度矢量的端点轨迹为一个椭圆,20,5.2.2 线极化波,条件：或,合成波电场的模,合成波电场与+x 轴的夹角,特点：合成波电场的大小随时间变化但其矢 端，轨 迹与x 轴的夹角始终保持不变。,结论：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的 线极化波，当它们的相位相同或相差为时，其合 成波为线极化波。,21,常将垂直于大地的直线极化波称为垂直极化波，而将与大地平行的直线极化波称为水平极化波。,22,5.2.3 圆极化波,则,条件：,合成波电场的模,合成波电场与+x 轴的夹角,特点：合成波电场的大小不随时间改变，但方向却随时间变 化，电场的矢端在一个圆上并以角速度 旋转。,结论：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的 线极化波，当它们的振幅相同、相位差为/2 时，其合成波为圆极化波。,23,右旋圆极化波：若yx/2，则电场矢端的旋转方向 与电磁波传播方向成右手螺旋关系，称为右旋圆极化波,左旋圆极化波：若yx/2，则电场矢端的旋转方向 电磁波传播方向成左手螺旋关系，称为左旋圆极化波,24,一个线极化波可分为两个振幅相等、旋向相反的圆极化波，所以不同取向的线极化波都可由圆极化天线收到。火箭等飞行器常采用圆极化天线，卫星通信系统等也常采用圆极化天线工作的。,25,5.2.4 椭圆极化波,可得到,特点：合成波电场的大 小和方向都随时间 改变，其端点在一 个椭圆上旋转。,26,合成波极化的小结,线极化：0、。0，在1、3象限；，在2、4象限。,椭圆极化：其它情况。0，左旋；0，右旋。,圆极化：/2，ExmEym。取“”，左旋圆极化；取“”，右旋圆极化。,电磁波的极化状态取决于Ex和Ey的振幅Exm、Eym和相位差 yx,对于沿+z 方向传播的均匀平面波：,27,例5.2.1 说明下列均匀平面波的极化方式。,(1),(2),(3),解：,（1）,（2）,（3）,28,电磁波的极化在许多领域中获得了广泛应用。如：,5.2.6 极化波的工程应用,在雷达目标探测的技术中，利用目标对电磁波散射过程中改变 极化的特性实现目标的识别,无线电技术中，利用天线发射和接收电磁波的极化特性，实现 最佳无线电信号的发射和接收。,在光学工程中利用材料对于不同极化波的传播特性设计光学偏 振片等等,29,垂直极化,水平极化,水平金属栅网,金属反射板,玻璃钢罩,馈源,抛物面,/4,出,极化扭转天线示意图,45金属栅网,入,30,5.3 导电媒质中的均匀平面波,导电媒质的典型特征是电导率 0。,电磁波在导电媒质中传播时，有传导电流 J=E 存在，同时 伴随着电磁能量的损耗。,电磁波的传播特性与非导电媒质中的传播特性有所不同。,31,沿 z 轴传播的均匀平面波解为,5.3.1 导电媒质中的均匀平面波,称为电磁波的传播常数，单位：1/m,是衰减因子，称为衰减常数，单位：Np/m（奈培/米）,是相位因子，称为相位常数，单位：rad/m（弧度/米）,瞬时值形式,波动方程,32,本征阻抗,导电媒质中的电场与磁场,非导电媒质中的电场与磁场,相伴的磁场,33,传播参数,34,平均坡印廷矢量,导电媒质中均匀平面波的传播特点：,电场强度 E、磁场强度 H 与波的传播方向相互垂直，是横 电磁波（TEM波）；,媒质的本征阻抗为复数，电场与磁场不同相位，磁场滞后于 电场 角；,在波的传播过程中，电场与磁场的振幅呈指数衰减；,波的传播速度（相度）不仅与媒质参数有关，而且与频率有 关（有色散）。,35,弱导电媒质：,5.3.2 弱导电媒质中的均匀平面波,弱导电媒质中均匀平面波的特点,相位常数和非导电媒质中的相位常数大致相等；,衰减小；,电场和磁场之间存在较小的相位差。,36,良导体：,5.3.3 良导体中的均匀平面波,良导体中的参数,波长：,相速：,37,趋肤效应：电磁波的频率越高，衰减系数越大，高频电磁波只能 存在于良导体的表面层内，称为趋肤效应。,趋肤深度（）：电磁波进入良导体后，其振幅下降到表面处振幅的 1/e 时所传播的距离。即,本征阻抗,良导体中电磁波的磁场强度的相位滞后于电磁强度45o。,38,铜：,39,表5.3.1一些金属材料的趋肤深度和表面电阻,40,例5.3.1 一沿 x 方向极化的线极化波在海水中传播，取+z 轴方向为传播方向。已知海水的媒质参数为r=81、r=1、=4 S/m，在 z=0 处的电场Ex=100cos(107t)V/m。求：（1）衰减常数、相位常数、本征阻抗、相速、波长及趋肤深度；（2）电场强度幅值减小为z=0 处的 1/1000 时，波传播的距离（3）z=0.8 m 处的电场强度和磁场强度的瞬时表达式；（4）z=0.8 m 处穿过1m2面积的平均功率。,解：（1）根据题意，有,所以,此时海水可视为良导体。,41,故衰减常数,相位常数,本征阻抗,相速,波长,趋肤深度,42,（2）令e-z1/1000，即ez1000，由此得到电场强度幅值减小为 z=0 处的1/1000 时，波传播的距离,故在 z=0.8 m 处，电场的瞬时表达式为,磁场的瞬时表达式为,（3）根据题意，电场的瞬时表达式为,43,（4）在 z=0.8 m 处的平均坡印廷矢量,穿过 1m2 的平均功率 Pav=0.75 mW,由此可知，电磁波在海水中传播时衰减很快，尤其在高频时，衰减更为严重，这给潜艇之间的通信带来了很大的困难。若为保持低衰减，工作频率必须很低，但即使在 1 kHz 的低频下，衰减仍然很明显。,44,例5.3.2 在进行电磁测量时，为了防止室内的电子设备受外界电磁场的干扰，可采用金属铜板构造屏蔽室，通常取铜板厚度大于5就能满足要求。若要求屏蔽的电磁干扰频率范围从10KHz到100MHZ，试计算至少需要多厚的铜板才能达到要求。铜的参数为=0、=0、=5.8107 S/m。,解：对于频率范围的低端 fL=10kHz，有,对于频率范围的高端 fH=100MHz，有,45,由此可见，在要求的频率范围内均可将铜视为良导体，故,为了满足给定的频率范围内的屏蔽要求，故铜板的厚度 d 至少应为,