高等电磁场理论 第二章平面波课件.ppt
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1、第二章,平面波,简单媒质中的平面波平面波的极化特性平面边界的反射、折射多层介质中的传播KDB坐标各向异性介质中的传播,电磁波:脱离场源后在空间传播的波动的电磁场。,平面(电磁)波:等相位面为平面的电磁波。,等相位面:在同一时刻,相位相同的点所构成的面。根据其空间等相位面的形状可分为平面电磁波、柱面电磁波和球面电磁波等。,均匀平面(电磁)波:等相位面为平面,且等相位面上场强的大小和方向处处相等的电磁波。即均匀平面波电场E和磁场H的大小和方向在同一时刻只与波传播方向的坐标有关,而与其它坐标无关。,在实际应用中,纯粹的均匀平面波并不存在,但某些实际存在的波型,在远离波源的一小部分波阵面,仍可近似看作
2、均匀平面波。,实际存在的电磁波均可分解成许多均匀平面波的迭加。,是Maxwell方程组最简单的解,可简化对波传播特性的分析。,等振幅面:在同一时刻,振幅相同的点所构成的面。,波动方程,在无限大的各向同性的均匀线性介质中,无源区内正弦电磁场满足下列齐次矢量Helmholtz方程:,称为传播常数, 是等效介电常数,2.1 简单媒质中的均匀平面波,2.1.1 理想介质中均匀平面波的电场与磁场,首先研究一种最简单、最普遍的情况,在充满无界的、线性、各向同性、均匀、理想介质的无源区域中,即:、为常数,=0,且J=0,=0,时谐电磁场的场强是满足波动方程(即齐次亥姆霍兹方程)和两个散度方程的解,1、电场E
3、的解,设均匀平面波的等相位面为z=常数的平面,讨论的是时谐场,E的每个分量都是随时间和空间变化的余弦量,因此Ez不可为非零常数。,可见,电场和磁场都垂直于z轴,且大小只与坐标z有关。,通解的复数形式,通解的瞬时值形式,通解的物理意义,首先仅考虑第一项,,Ex0复振幅,|Ex0|振幅值,x为初始相位。,瞬时值形式:,称为相位角,对于任一时刻t,等相位面为垂直于传播方向(+z)的z=常数的平面,与假设一致。,对于不同时刻t,通解的物理意义:,表示沿z轴(+z,-z)方向传播的均匀平面波的合成波,由于是无界空间,仅存在沿一个方向传播的波,只取第一项。,同理有:,复矢量全解:,Z=0处电场复矢量,复常
4、矢量,瞬时值解:,类似求得,磁场强度的解具有相同的形式:,2、磁场H与电场E的关系,在无界理想介质中的均匀平面波:,电场和磁场相互垂直,而且都与传播方向垂直,电场、磁场、传播方向符合右手螺旋关系,这种电场、磁场均垂直于传播方向的波称为横电磁波(TEM, Transverse Electro-Magnetic),2.1.2 在无界理想介质中的均匀平面波的传播特性,为使讨论简单,假定平面波沿+z轴方向传播,电场强度方向为x轴方向,磁场强度方向为y轴方向。,则复数形式:,瞬时值形式:,电磁波的场量表达式包含了有关波特性的信息。,1、描述均匀平面波传播特性的参量,1)波的周期T和频率f,周期T: 时间
5、相位wt变化2所经历的时间,单位:秒(s),频率f:每秒内相位变化2的次数,单位:赫兹(Hz),2)相位常数、波长、波速k,相位常数: 单位长度上,空间相位kz的变化,单位:弧度/米(rad/m),波长: 空间相位kz变化2 所经过的距离,单位:米(m),波数: 空间2距离上的波长数,无量纲。,3) 相速度Vp,相速度Vp:正弦波等相位面传播的速度,简称相速,单位:m/s,这是一个沿+z方向匀速前进的正弦波,取固定于波形上的某一点,该点相位为一常数,而时空坐标为(z,t),此点以匀速沿+z方向传播,相位不变,但时空坐标变化,相速与频率无关,这一现象称为无色散现象,理想介质为非色散媒质。,相速与
6、媒质特性有关,真空中:,非铁磁性媒质:,在数学上该点对应于等相位面方程:,等相位面的传播速度称为相速。由下式决定,4)波阻抗,电场和磁场的复振幅之比,称为平面波的波阻抗,也称媒质的本征阻抗,具有阻抗的量纲,单位:,真空中:,理想媒质中,是实数:,可见E和H在时间上是同相的,且振幅之比为1/.,5)能量密度、能流密度、能速,能流密度,理想介质中均匀平面波的平均坡印廷矢量为与空间坐标无关的常矢量。说明电磁波沿传播方向无损耗的传播,电磁波无衰减,是等振幅波。,能量密度w:,等于电场能量密度与磁场能量密度的和,任意时刻,任何地方,理想介质中均匀平面波的电场能量密度等于磁场密度,时间平均值为:,能速,则
7、体积ve内储存的平均能量为wav* ve,必会在单位时间内穿过右边的横截面(单位面积),即单位时间穿过单位面积的能量为wav* ve,理想介质中均匀平面波的能速等于相速,能速即能量传播的速度,设能速大小为ve,2、基本传播特性,在传播方向上没有电场和磁场分量,是一种TEM波,电场强度、磁场强度和波的传播方向三者互相垂直,符合右手螺旋关系,电场强度和磁场强度在空间上垂直,在时间上是同相的(波阻抗为实数),且振幅之比为:,传播过程中无能量损耗,是等振幅波,相速与频率无关,是无色散波。,假定平面波沿+z轴方向传播,电场强度方向为x轴方向,磁场强度方向为y轴方向。,2.1.3 导电媒质中的均匀平面波,
8、一、导电媒质中均匀平面波的电场与磁场,在线性、各向同性、均匀的无界、无源的导电(0)媒质中,时谐场的场强满足的波动方程即齐次亥姆霍兹方程,与理想介质中E和H所满足的亥姆霍兹方程具有相同的形式,类似可得:,振幅呈指数衰减,电磁波是衰减波。,可见,在导电媒质中均匀平面波也是TEM波,且E,H和传播方向呈右手螺旋关系。,二、导电媒质中均匀平面波的传播特性,假设:,1、导电媒质中的电磁波参量,1) 复介电常数,2) 复波阻抗,说明了媒质中均匀平面波的电场和磁场有相位差,且电场超前磁场相位, 0/4,、与成复杂的非线性关系,随增加而增加,对于非导电的理想介质,4)相速度Vp,导电媒质中相速比理想介质中要
9、小,导电媒质中相速与频率有关,随w增加而增加。,这种相速随频率而改变的现象称为色散现象,具有色散特性的媒质成为色散媒质,如:导电媒质。,不同频率的信号以不同的相速传播,经过一段距离后,相位关系将发生变化,从而导致信号失真,这种失真称为色散失真。,5)波长,导电媒质中的波长小于理想介质中的波长,导电媒质中的波长与有关,随增加而变小,导电媒质中的波长与频率有关,关系复杂,6)能量关系,平均功率流密度,由于热损耗(0),平均功率流密度沿传播方向按指数规律 衰减。,电场和磁场的平均能量密度为:,导电媒质中,磁场的平均能量密度大于电场的平均能量密度,这是由于0所引起的传导电流激发了附加磁场的结果。,能速
10、,导电媒质中,均匀平面波的能速等于相速。,2、基本传播特性,仍为TEM波(横电磁波),即E、H均与波的传播方向垂直,且三者互相垂直,满足右手螺旋关系。,为衰减波,场强随传播距离增加按 指数规律衰减。频率越高,或越大,则越大,衰减越快。,为色散波,导电媒质中相速与频率有关,存在色散现象。,电场相位超前磁场相位,磁场的平均能量密度大于电场的平均能量密度。,3、媒质导电性对场的影响,媒质导电性由比值 决定,不仅与媒质特性有关,还与频率有关。,(1)良介质,平面波在良介质中的传播特性与理想介质中的平面波十分相似,只有微弱的损耗引起的衰减,E和H时间相位差极小,近似为0。,泰勒展开,(1)良导体,1可忽
11、略,良导体中均匀平面波为色散波,越大,电磁波的传播速度越慢,波长越短,单位:西/米,电场相位超前磁场相位/4,|c|1,wmwe,平均功率流密度沿波的传播方向按指数规律 衰减,而场的振幅按 衰减,频率越高,或越大,则越大,衰减越快(趋肤效应)。,2.1.4 沿任意方向传播的均匀平面波,前面讨论中,假定均匀平面波是沿+z方向传播,得到无界媒质中正弦平面波的场矢量可表示为:,等相位面方程为z=常数,是垂直于传播方向的平面,P点处的位置矢径:,等相位面方程z=常数可表示为:,均匀平面波沿任意方向传播时,场强的表达式,设传播方向单位矢量为,等相位面应垂直于传播方向的平面,即,类似可得,均匀平面波的一般
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