電磁場與電磁波_第四版_第五章_

1、第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫1本章內(nèi)容本章內(nèi)容5.1 理想介質(zhì)中的均勻平面波理想介質(zhì)中的均勻平面波5.2 電磁波的極化電磁波的極化5.3 導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波5.4 色散與群速色散與群速5.5 均勻平面波在各向異性媒質(zhì)中的傳播均勻平面波在各向異性媒質(zhì)中的傳播第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫2EHz波傳播方向波傳播方向 均勻平面波均勻平面波波陣面波陣面xyo 均勻

2、平面波的概念均勻平面波的概念 波陣面波陣面：空間相位相同的點(diǎn)構(gòu)成的曲面，即等相位面：空間相位相同的點(diǎn)構(gòu)成的曲面，即等相位面 平面波平面波：等相位面為無限大平面的電磁波：等相位面為無限大平面的電磁波 均勻平面波均勻平面波：等相位面上電場和磁場的方向、振幅都保持不變：等相位面上電場和磁場的方向、振幅都保持不變 的平面波的平面波 均勻平面波是電磁波的一種理想均勻平面波是電磁波的一種理想 情況，其分析方法簡單，但又表情況，其分析方法簡單，但又表 征了電磁波的重要特性。征了電磁波的重要特性。第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大

3、學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫35.1 理想介質(zhì)中的均勻平面波理想介質(zhì)中的均勻平面波5.1.1 一維波動方程的均勻平面波解一維波動方程的均勻平面波解5.1.2 理想介質(zhì)中均勻平面波的傳播特點(diǎn)理想介質(zhì)中均勻平面波的傳播特點(diǎn)5.1.3 沿任意方向傳播的均勻平面波沿任意方向傳播的均勻平面波第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫40yxzEEExyzE由于由于5.1.1 一維波動方程的均勻平面波解一維波動方程的均勻平面波解 設(shè)在無限大的無源空間中，充滿線性、各向同性的均勻理想設(shè)在無限大的無源空間中，充滿線性、各向

4、同性的均勻理想介質(zhì)。均勻平面波沿介質(zhì)。均勻平面波沿 z 軸傳播，則電磁強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度均不是軸傳播，則電磁強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度均不是 x和和 y 的函數(shù)，即的函數(shù)，即0 ,0 xyxyEE0zEz0zE 222222dd0 ,0ddkkzzEE2220zzEk Ez同理同理0yxzHHHHxyz0zH 結(jié)論：結(jié)論：均勻平面波的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度都垂直于波的傳播均勻平面波的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度都垂直于波的傳播 方向方向 橫電磁波（橫電磁波（TEM波）波）第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫51111( )e

5、eexjjkzjkzxxmEzAE11111( , )Reeeecos()xjjkzj txxmxmxEz tEEtkz0)(d)(d222zEkzzExxk)()(zEezExx設(shè)電場只有設(shè)電場只有x 分量，即分量，即jkzjkzxAAzEee)(21其解為：其解為：可見，可見， 表示沿表示沿 +z 方向傳播的波。方向傳播的波。jkzAe1 的波形的波形)cos(1kztEEmx 解的物理意義解的物理意義 第一項(xiàng)第一項(xiàng)2222( )eeexjjkzjkzxxmEzAE22222( , )Reeeecos()xjjkzj txxmxmxEz tEEtkz 第二項(xiàng)第二項(xiàng)沿沿 -z 方向方向傳播的

6、波傳播的波第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫6111111xyyxzxxzEjkeeEee EeEzHHjE由由 ，可得，可得 )(11yxHE其中其中 稱為媒質(zhì)的稱為媒質(zhì)的本征阻抗本征阻抗。在真空中。在真空中377120000 相伴的磁場相伴的磁場 同理，對于同理，對于222ejkzxxxEAEee22)(1EeHz磁場與電場相互磁場與電場相互垂直，且同相位垂直，且同相位 結(jié)論：結(jié)論：在理想介質(zhì)中在理想介質(zhì)中，均勻平面波的電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度相均勻平面波的電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度相 互垂直，且同相位

7、?；ゴ怪保彝辔?。第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫71、均勻平面波的傳播參數(shù)、均勻平面波的傳播參數(shù)周期周期T ：時間相位變化：時間相位變化 2的時間間隔，即的時間間隔，即（1）角頻率、頻率和周期）角頻率、頻率和周期角頻率角頻率 ：表示單位時間內(nèi)的相位變化，單位為：表示單位時間內(nèi)的相位變化，單位為rad/s 頻率頻率 f ：)H(21zTf t T o xE 的曲線的曲線tEtEmxcos), 0() s (2T2T5.1.2 理想介質(zhì)中均勻平面波的傳播特點(diǎn)理想介質(zhì)中均勻平面波的傳播特點(diǎn)第5

8、 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫8（2）波長和相位常數(shù)）波長和相位常數(shù)k 的大小等于空間距離的大小等于空間距離2內(nèi)所包含內(nèi)所包含的波長數(shù)目，因此也稱為的波長數(shù)目，因此也稱為波數(shù)波數(shù)。rad/m)(2k波長波長 ：空間相位差為空間相位差為2 的兩個波陣面的間距，即的兩個波陣面的間距，即相位常數(shù)相位常數(shù) k ：表示波傳播單位距離的相位變化表示波傳播單位距離的相位變化 o xE z的曲線的曲線zcos)0 ,(kEzEmx21(m)kf2k第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與

9、電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫9（3）相速（波速）相速（波速）) sm(1ddktzv真空中真空中：m/s103103611041189700cvCkzt由由相速相速v：電磁波的等相位面在空間電磁波的等相位面在空間 中的移動速度中的移動速度相速只與媒質(zhì)參數(shù)相速只與媒質(zhì)參數(shù)有關(guān)，而與電磁波有關(guān)，而與電磁波的頻率無關(guān)的頻率無關(guān)故故得到得到均勻平面波的相速為均勻平面波的相速為dd0tk z第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫102、能量密度與能流密度、能量密

10、度與能流密度2*21)()(Re21mzavEezHzESvwEeavmz1212mewHEw222121EeHz1由于由于，于是有于是有能量的傳輸速度等于相速能量的傳輸速度等于相速222121mmavHEw22HEwwwme故故電場能量與磁場能量相同電場能量與磁場能量相同221( , )( , )cos ()2zmxz tz teEtkzSEH第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫113、理想介質(zhì)中的均勻平面波的傳播特點(diǎn)、理想介質(zhì)中的均勻平面波的傳播特點(diǎn)xyzEHo理想介質(zhì)中均勻平面波的理想介質(zhì)

11、中均勻平面波的 和和EH 電場、磁場與傳播方向之間相互垂直，是橫電磁波（電場、磁場與傳播方向之間相互垂直，是橫電磁波（TEM 波）波） 無衰減，電場與磁場的振幅不變無衰減，電場與磁場的振幅不變 波阻抗為實(shí)數(shù)，電場與磁場同相位波阻抗為實(shí)數(shù)，電場與磁場同相位 電磁波的相速與頻率無關(guān)，無色散電磁波的相速與頻率無關(guān)，無色散 電場能量密度等于磁場能量密度，電場能量密度等于磁場能量密度， 能量的傳輸速度等于相速能量的傳輸速度等于相速 根據(jù)前面的分析，可總結(jié)出理想介質(zhì)中的均勻平面波的傳播根據(jù)前面的分析，可總結(jié)出理想介質(zhì)中的均勻平面波的傳播特點(diǎn)為：特點(diǎn)為：第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波

12、電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫12 例例5.1.1 頻率為頻率為9.4GHz的均勻平面波在聚乙烯中傳播，設(shè)其的均勻平面波在聚乙烯中傳播，設(shè)其為無耗材料，相對介電常數(shù)為為無耗材料，相對介電常數(shù)為r =2.26。若磁場的振幅為。若磁場的振幅為7mA/m，求相速、波長、波阻抗和電場強(qiáng)度的幅值。求相速、波長、波阻抗和電場強(qiáng)度的幅值。92.26 ,9.4 10 Hzrf 解解：由題意：由題意因此因此8001.996 10m/s2.26rvvv891.996 102.12m9.4 10vf 03772512.26r 37 102511.757V/mmmE

13、H 第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫13 解解：以余弦為基準(zhǔn)，直接寫出以余弦為基準(zhǔn)，直接寫出A/m)cos(31),(ztetzHy 例例5.1.2 均勻平面波的磁場強(qiáng)度的振幅為均勻平面波的磁場強(qiáng)度的振幅為 A/m，以相位常數(shù)，以相位常數(shù)為為30 rad/m 在空氣中沿在空氣中沿 方向傳播。當(dāng)方向傳播。當(dāng)t = 0 和和 z = 0時，若時，若 取取向?yàn)橄驗(yàn)?，試寫出，試寫出 和和 的表示式，并求出頻率和波長。的表示式，并求出頻率和波長。 31zeyeEHHV/m)cos(40)(),(),

14、(0zteetzHtzExz,m21. 03022Hz1043. 1104515/103988cfV/m)301090cos(40),(8ztetzExrad/m30因因 ，故，故A/m)301090cos(31),(8ztetzHy則則 第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫14 例例5.1.3 頻率為頻率為100Mz的均勻電磁波，在一無耗媒質(zhì)中沿的均勻電磁波，在一無耗媒質(zhì)中沿 +z方方向傳播，其電場向傳播，其電場 。已知該媒質(zhì)的相對介電常數(shù)。已知該媒質(zhì)的相對介電常數(shù)r = 4、相對、相對磁導(dǎo)率

15、磁導(dǎo)率r =1 ，且當(dāng)，且當(dāng)t = 0、z =1/8m時，電場幅值為時，電場幅值為104 V/m。 試求試求電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的瞬時表示式。電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的瞬時表示式。xxEEe 解解：設(shè)電場強(qiáng)度的瞬時表示式為設(shè)電場強(qiáng)度的瞬時表示式為4( , )10cos()xxxz tEtkzEee82210rad/sf8821044rad/m3 103rrkc 對于余弦函數(shù)，當(dāng)相角為零時達(dá)振幅值。考慮條件對于余弦函數(shù)，當(dāng)相角為零時達(dá)振幅值?？紤]條件t = 0、z =1/8m 時，電場達(dá)到幅值，得時，電場達(dá)到幅值，得式中式中41386kz41386kz第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁

16、波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫15484( , )10cos(210)36xz ttzEe484110cos210()V/m38xtze 11zyxEHeEe060r481041( , )cos210()A/m6038yz ttzHe所以所以磁場強(qiáng)度的瞬時表示式為磁場強(qiáng)度的瞬時表示式為式中式中因此因此第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫1650ejkzxEe 解解：電場強(qiáng)度的復(fù)數(shù)表示式為：電場強(qiáng)度的復(fù)數(shù)表示式為0120自由空間的本征阻抗為自由

17、空間的本征阻抗為05eA/m12jkzyyEHee故得到該平面波的磁場強(qiáng)度故得到該平面波的磁場強(qiáng)度2115125Re()50W/m221212avzzSEHee22125125d2.565.1 W1212avavSPR SS于是，平均坡印廷矢量于是，平均坡印廷矢量垂直穿過半徑垂直穿過半徑R =2.5m的圓平面的平均功率的圓平面的平均功率 例例5.1.4 自自由空間中平面波的電場強(qiáng)度由空間中平面波的電場強(qiáng)度50cos()V/m,xtkzEe求在求在z =z0處垂直穿過半徑處垂直穿過半徑R =2.5m的圓平面的平均功率。的圓平面的平均功率。第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁

18、場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫17rejkmjkzmzEEzEee)(沿沿+z方向傳播的均勻平面波方向傳播的均勻平面波5、沿任意方向傳播的均勻平面波、沿任意方向傳播的均勻平面波0mzEe)(1)(zEezHz)(ee)(zkykxkjmrejkmzyxnEErE0mnEe)(1)(rEerHn沿沿 傳播方向的均勻平面波傳播方向的均勻平面波 nezzyyxxnkekekekekkekz沿任意方向傳播的均勻平面波沿任意方向傳播的均勻平面波 波傳播方向波傳播方向 z y x o rne等相位等相位 面面 P(x,y,z)yzxo沿沿z方向傳播的均勻平面

19、波方向傳播的均勻平面波P(x,y,z)波傳播方向波傳播方向r等相位等相位 面面 第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫18 解解：（1）因?yàn)椋┮驗(yàn)?，所以，所以ejk rmHH5354zxneekke5)4()3(22k24mxyzHeee ，zxzkykxkrkzyx34，、304zyxkkk34zxeek則則 例例5.1.5 在空氣中傳播的均勻平面波的磁場強(qiáng)度的復(fù)數(shù)表示式為在空氣中傳播的均勻平面波的磁場強(qiáng)度的復(fù)數(shù)表示式為)34(e)42(zxjzyxeeAeHk式中式中A為常數(shù)。求：（為常數(shù)。

20、求：（1）波矢量）波矢量 ；（；（2）波長和頻率；（）波長和頻率；（3）A的值；（的值；（4）相伴電場的復(fù)數(shù)形式；（）相伴電場的復(fù)數(shù)形式；（5）平均坡印廷矢量。）平均坡印廷矢量。第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫19（2 2），m52522kHz105 .75/210388cf（3 3）04320)(4AHkm3A（4 4）nerHrE)()(0(43)(43)43120 (324)e()55120 (1.251.6)ejxzxyzxzjxzxyzeeeeeeee2*)34()34(*mW)3

21、4(2912e)423(e)6 .152 .1(120Re21Re21zxzxjzyxzxjzyxaveeeeeeeeHES（5 5）第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫205.2 5.2 電磁波的極化電磁波的極化5.2.1 極化的概念極化的概念 5.2.2 線極化波線極化波5.2.3 圓極化波圓極化波5.2.4 橢圓極化波橢圓極化波5.2.5 極化波的合成與分解極化波的合成與分解5.2.6 極化的工程應(yīng)用極化的工程應(yīng)用第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育

22、出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫215.2.1 極化的概念極化的概念 波的極化表征在空間給定點(diǎn)上電場強(qiáng)度矢量的取向隨時間變波的極化表征在空間給定點(diǎn)上電場強(qiáng)度矢量的取向隨時間變 化的特性化的特性, 是電磁理論中的一個重要概念。是電磁理論中的一個重要概念。 在電磁波傳播空間給定點(diǎn)處，電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)隨時間變在電磁波傳播空間給定點(diǎn)處，電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)隨時間變化的軌跡?；能壽E。 波的極化波的極化第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫22, )cos(xxmxkztEE)c

23、os(yymykztEE 一般情況下，沿一般情況下，沿+z+z方向傳播的均勻平面波方向傳播的均勻平面波 ，其中其中 yyxxEeEeE 電磁波的極化狀態(tài)取決于電磁波的極化狀態(tài)取決于Ex和和Ey的振幅之間和相位之間的關(guān)的振幅之間和相位之間的關(guān)系，分為：系，分為：線極化、圓極化、橢圓極化線極化、圓極化、橢圓極化。 極化的三種形式極化的三種形式 線極化線極化：電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)軌跡為一直線段：電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)軌跡為一直線段 圓極化圓極化：電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)軌跡為一個圓：電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)軌跡為一個圓 橢圓極化橢圓極化：電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)軌跡為一個橢圓：電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)軌跡為一個橢圓第5 5章 均

24、勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫235.2.2 線極化波線極化波2222(0, )(0, )cos()xyxmymxEEtEtEEtarctan()arctan()yymxxmEEEE 0yxyx隨時間變化隨時間變化0yx 條件條件： 或或 合成波電場的模合成波電場的模 合成波電場與合成波電場與+ x 軸的夾角軸的夾角 特點(diǎn)特點(diǎn)：合成波電場的大小隨時間變化但其矢：合成波電場的大小隨時間變化但其矢 端，軌端，軌 跡與跡與x軸的夾角始終保持不變。軸的夾角始終保持不變。 結(jié)論結(jié)論：任何兩個同頻率、同傳播方向且極

25、化方向互相垂直的：任何兩個同頻率、同傳播方向且極化方向互相垂直的 線極化波，當(dāng)它們的相位相同或相差為線極化波，當(dāng)它們的相位相同或相差為 時，其合時，其合 成波為線極化波。成波為線極化波。常數(shù)常數(shù)第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫24)cos(), 0(xmxtEtE)sin()2cos(), 0(xmxmytEtEtE)()tan(arctanxxtt5.2.3 圓極化波圓極化波則則2/yxmymxmEEE、 條件條件：myxEtEtEE), 0(), 0(22 合成波電場的模合成波電場的模常

26、數(shù)常數(shù) 合成波電場與合成波電場與+ x 軸的夾角軸的夾角隨時間變化隨時間變化 特點(diǎn)特點(diǎn)：合成波電場的大小不隨時間改變，但方向卻隨時間變合成波電場的大小不隨時間改變，但方向卻隨時間變 化，電場的矢端在一個圓上并以角速度化，電場的矢端在一個圓上并以角速度 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。 結(jié)論結(jié)論：任何兩個同頻率、同傳播方向且極化方向互相垂直的：任何兩個同頻率、同傳播方向且極化方向互相垂直的 線極化波，線極化波，當(dāng)它們的振幅相同、相位差為當(dāng)它們的振幅相同、相位差為/ 2 時，時， 其合成波為圓極化波。其合成波為圓極化波。第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版

27、出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫25右旋圓極化波右旋圓極化波oExyxE Ey 左旋圓極化波左旋圓極化波oxEyxEyE 右旋圓極化波右旋圓極化波：若若xy/2，則電場矢端的旋轉(zhuǎn)方向與，則電場矢端的旋轉(zhuǎn)方向與 電磁波傳播方向成右手螺旋關(guān)系，稱為右旋圓極化波電磁波傳播方向成右手螺旋關(guān)系，稱為右旋圓極化波 左旋圓極化波左旋圓極化波：若若xy/2，則電場矢端的旋轉(zhuǎn)方向與，則電場矢端的旋轉(zhuǎn)方向與 電磁波傳播方向成左手螺旋關(guān)系，稱為左旋圓極化波電磁波傳播方向成左手螺旋關(guān)系，稱為左旋圓極化波第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技

28、大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫26其它情況下，令其它情況下，令yx，由由)cos(), 0(xxmxtEtE)cos(), 0(xymytEtE22222sincos2ymxmyxymyxmxEEEEEEEE5.2.4 橢圓極化波橢圓極化波可得到可得到 特點(diǎn)特點(diǎn)：合成波電場的大合成波電場的大 小小和方向都隨時間和方向都隨時間 改變，其端點(diǎn)在一改變，其端點(diǎn)在一 個橢圓上旋轉(zhuǎn)。個橢圓上旋轉(zhuǎn)。第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫27 合成波極化的小結(jié)合成波極化的小結(jié) 線極化：線極化： = 0= 0、 ； =

29、 0= 0，在，在1 1、3 3象限，象限， = = ，在，在2 2、4 4象限象限 橢圓極化：橢圓極化：其它情況；其它情況； 0，右旋，右旋， 0，左旋，左旋 圓極化：圓極化： = = /2/2，E Exm xm = = E Eymym； 取取“”，右旋圓極化，取，右旋圓極化，取“”，左旋，左旋圓極圓極化化 電磁波的極化狀態(tài)取決于電磁波的極化狀態(tài)取決于Ex和和Ey的振幅的振幅Exm、Eym和相位差和相位差 xy 對于沿對于沿+ z 方向傳播的均勻平面波：方向傳播的均勻平面波：第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電

30、子科技大學(xué)編寫編寫28 例例5.2.1 說明下列均勻平面波的極化方式。說明下列均勻平面波的極化方式。)cos()sin(kztEekztEeEmymxjkzmyjkzmxjEeEeEee)4cos()4sin(kztEekztEeEmymx)cos(2)sin(kztEekztEeEmymx( 1 )( 2 )( 3 ) ( 4 ) 解解：（1） （2） （3） （4）,xmymEE0,22xy 、,xmymEE0,22xy 、,xmymEE0,22xy 、,044xy 、左旋圓極化波左旋圓極化波右旋圓極化波右旋圓極化波線極化波線極化波左旋橢圓極化波左旋橢圓極化波第5 5章 均勻平面波在無界媒

31、質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫295.2.5 極化波的分解極化波的分解q 任何一個線極化波都可以表示成旋向相反、振幅相等的兩圓極任何一個線極化波都可以表示成旋向相反、振幅相等的兩圓極化波的疊加化波的疊加, ,即即q 任何一個橢圓極化波也可以表示成旋向相反、振幅不等的兩圓任何一個橢圓極化波也可以表示成旋向相反、振幅不等的兩圓極化波的疊加，即極化波的疊加，即jkzmyxjkzmyxjkzmxEe jeEe jeEeEe2)(e2)(ejkzymxmyxjkzymxmyxjkzymyxmxjEEjeejEEjeeEeEeEe

32、2)(e2)()e(q 任何一個線極化波、圓極化波或橢圓極化波可分解成兩個線極任何一個線極化波、圓極化波或橢圓極化波可分解成兩個線極化波的疊加化波的疊加第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫30電磁波的極化在許多領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。如：電磁波的極化在許多領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。如： 5.2.6 極化波的工程應(yīng)用極化波的工程應(yīng)用 在雷達(dá)目標(biāo)探測的技術(shù)中，利用目標(biāo)對電磁波散射過程中改變在雷達(dá)目標(biāo)探測的技術(shù)中，利用目標(biāo)對電磁波散射過程中改變 極化的特性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識別極化的特性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識別 無線電技術(shù)中

33、，利用天線發(fā)射和接收電磁波的極化特性，實(shí)現(xiàn)無線電技術(shù)中，利用天線發(fā)射和接收電磁波的極化特性，實(shí)現(xiàn) 最佳無線電信號的發(fā)射和接收。最佳無線電信號的發(fā)射和接收。 在光學(xué)工程中利用材料對于不同極化波的傳播特性設(shè)計(jì)光學(xué)偏在光學(xué)工程中利用材料對于不同極化波的傳播特性設(shè)計(jì)光學(xué)偏 振片等等振片等等第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫31垂直極化垂直極化水平極化水平極化水平金屬柵網(wǎng)水平金屬柵網(wǎng)金屬反射板金屬反射板玻璃鋼罩玻璃鋼罩饋源饋源拋物面拋物面 /4出出極化扭轉(zhuǎn)天線示意圖極化扭轉(zhuǎn)天線示意圖45金屬柵網(wǎng)金屬柵網(wǎng)

34、垂直極化垂直極化水平極化水平極化水平金屬柵網(wǎng)水平金屬柵網(wǎng)金屬反射板金屬反射板玻璃鋼罩玻璃鋼罩饋源饋源拋物面拋物面 /4出出極化扭轉(zhuǎn)天線示意圖極化扭轉(zhuǎn)天線示意圖45金屬柵網(wǎng)金屬柵網(wǎng)入入第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫325.3 導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波 導(dǎo)電媒質(zhì)的典型特征是電導(dǎo)率導(dǎo)電媒質(zhì)的典型特征是電導(dǎo)率 0 電磁波在導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播時，有傳導(dǎo)電流電磁波在導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播時，有傳導(dǎo)電流 J = E 存在，同時存在，同時 伴隨著電磁能量的損耗伴隨著電磁能量的損耗 電磁波的傳播特性

35、與非導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播特性有所不同電磁波的傳播特性與非導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播特性有所不同第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫33沿沿 z 軸傳播的均勻平面波解為軸傳播的均勻平面波解為zjkxmxxxcezeze)()(zjzxmxzxmxeezeee)(022kc()cck 令令jjkc，則均勻平面波解為則均勻平面波解為5.3.1 導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波 稱為電磁波的稱為電磁波的傳播常數(shù)傳播常數(shù)，單位，單位：1/m是是衰減因子衰減因子， 稱為稱為衰減常數(shù)衰減常數(shù)，單位：單位：Np/

36、m（奈培（奈培/米）米）zezje是是相位因子相位因子， 稱為稱為相位常數(shù)相位常數(shù)，單位：單位：rad/m（弧度（弧度/米）米）)cos(e),(ztEetzEzxmx瞬時值形式瞬時值形式振幅有衰減振幅有衰減波動方程波動方程第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫34)(ee1)(1)(zjzxmcyzcezEezHejccc本征阻抗本征阻抗)cos(e),(ztEetzHzcxmyHkEkHE導(dǎo)電媒質(zhì)中的電場與磁場導(dǎo)電媒質(zhì)中的電場與磁場非導(dǎo)電媒質(zhì)中的電場與磁場非導(dǎo)電媒質(zhì)中的電場與磁場 相伴的磁場相

37、伴的磁場本征阻抗為復(fù)數(shù)本征阻抗為復(fù)數(shù)磁場滯后于電場磁場滯后于電場第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫352222 2)(2222jj)()(2222jkjkcc2211()12f21()1221()1,2211()12v相速不僅與媒質(zhì)參數(shù)相速不僅與媒質(zhì)參數(shù)有關(guān)，而與電磁波的有關(guān)，而與電磁波的頻率有關(guān)頻率有關(guān) 傳播參數(shù)傳播參數(shù)第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫36cose21)()(Re2122*

38、zxmczavEezHzES平均坡印廷矢量平均坡印廷矢量 導(dǎo)電媒質(zhì)中均勻平面波的傳播特點(diǎn)導(dǎo)電媒質(zhì)中均勻平面波的傳播特點(diǎn) 電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度E、磁場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度H與波的傳播方向相互垂直，是橫電與波的傳播方向相互垂直，是橫電 磁波（磁波（TEM波）；波）； 媒質(zhì)的本征阻抗為復(fù)數(shù)，電場與磁場不同相位，媒質(zhì)的本征阻抗為復(fù)數(shù)，電場與磁場不同相位，磁場滯后于磁場滯后于 電場電場 角角； 在波的傳播過程中，電場與磁場的振幅呈指數(shù)衰減；在波的傳播過程中，電場與磁場的振幅呈指數(shù)衰減； 波的傳播速度（相度）不僅與媒質(zhì)參數(shù)有關(guān)，而與頻率有關(guān)波的傳播速度（相度）不僅與媒質(zhì)參數(shù)有關(guān)，而與頻率有關(guān) （有色散）（有色散）。

39、第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫37弱導(dǎo)電媒質(zhì)弱導(dǎo)電媒質(zhì)：12)1 (2/1jjj1/2(1)(1)2ccjj5.3.2 弱導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波弱導(dǎo)電媒質(zhì)中的均勻平面波 1/2(1)12xx 1/2(1)12xx 2 弱導(dǎo)電媒質(zhì)中均勻平面波的特點(diǎn)弱導(dǎo)電媒質(zhì)中均勻平面波的特點(diǎn)q 相位常數(shù)和非導(dǎo)電媒質(zhì)中的相位常數(shù)大致相等；相位常數(shù)和非導(dǎo)電媒質(zhì)中的相位常數(shù)大致相等；q 電場和磁場存在較小的相位差。電場和磁場存在較小的相位差。q 衰減小；衰減小；第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁

40、波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫381 245(1)e(1)2jjjjj1良導(dǎo)體良導(dǎo)體：5.3.3 良導(dǎo)體中的均勻平面波良導(dǎo)體中的均勻平面波 良導(dǎo)體中的參數(shù)良導(dǎo)體中的參數(shù)ff222波長波長：2vf相速相速：金、銀、銅、鐵、鋁等金屬金、銀、銅、鐵、鋁等金屬對于無線電波均是良導(dǎo)體。對于無線電波均是良導(dǎo)體。例如銅例如銅： 181.04 10ff1/ff2第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫39趨膚效應(yīng)趨膚效應(yīng)：電磁波的頻率越高，衰減系數(shù)越大，高頻電磁

41、波只能電磁波的頻率越高，衰減系數(shù)越大，高頻電磁波只能 存在于良導(dǎo)體的表面層內(nèi)，稱為趨膚效應(yīng)。存在于良導(dǎo)體的表面層內(nèi)，稱為趨膚效應(yīng)。 趨膚深度趨膚深度（ ）：）：電磁波進(jìn)入良導(dǎo)體后電磁波進(jìn)入良導(dǎo)體后， 其振幅下降到表面處振幅的其振幅下降到表面處振幅的 1/e 時所傳播的距離。即時所傳播的距離。即o452e(1)jccjffj本征阻抗本征阻抗良導(dǎo)體中電磁波的良導(dǎo)體中電磁波的磁場強(qiáng)度的相位滯后于電磁強(qiáng)度磁場強(qiáng)度的相位滯后于電磁強(qiáng)度45o。 趨膚深度趨膚深度 mEeEmeemmEEf11第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)

42、電子科技大學(xué)編寫編寫40銅：銅：70410 H/m ,S/m108 . 57m1033. 950106 . 6Hz5032，fm106 .610106 .6MHz1562，fm106 .61010106 .6GHz10792，f第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫41表表5.3.1一些金屬材料的趨膚深度和表面電阻一些金屬材料的趨膚深度和表面電阻材料名稱材料名稱電導(dǎo)率電導(dǎo)率 /(S/m)趨膚深度趨膚深度 /m表面電阻表面電阻RS /銀銀6.17107 紫銅紫銅5.8107 鋁鋁3.72107 鈉鈉

43、 2.1107 黃銅黃銅1.6107 錫錫0.87107 石墨石墨0.0110772.52 10f72.61 10f73.26 10f75.01 10f0.064/f0.066/f0.083/f0.11/f0.13/f0.17/f1.6/f第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫42 例例5.3.1 一沿一沿 x 方向極化的線極化波在海水中傳播，取方向極化的線極化波在海水中傳播，取+ z軸軸方向?yàn)閭鞑シ较?。已知海水的媒質(zhì)參數(shù)為方向?yàn)閭鞑シ较颉Ｒ阎Ｋ拿劫|(zhì)參數(shù)為r = 81、r =1、= 4S/m

44、，在，在z = 0處的電場處的電場Ex=100cos(107t ) V/m 。求：。求：（1）衰減常數(shù)、相位常數(shù)、本征阻抗、相速、波長及趨膚深度；）衰減常數(shù)、相位常數(shù)、本征阻抗、相速、波長及趨膚深度；（2）電場強(qiáng)度幅值減小為）電場強(qiáng)度幅值減小為z = 0處的處的1/1000時，波傳播的距離時，波傳播的距離（3）z = 0.8m處的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的瞬時表達(dá)式；處的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的瞬時表達(dá)式；（4） z = 0.8m處處穿過處處穿過1m2面積的平均功率。面積的平均功率。解解：（1） 根據(jù)題意，有根據(jù)題意，有710rad/s6510Hz2f7941801110(10 ) 8036所以所以此時

45、海水可視為良導(dǎo)體。此時海水可視為良導(dǎo)體。第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫43故衰減常數(shù)故衰減常數(shù)675 1041048.89 Np/mf 7744410410eee4jjjc76103.53 10 m/s8.89v220.707 m8.89110.112 m8.89相位常數(shù)相位常數(shù)本征阻抗本征阻抗8.89 rad/m相速相速波長波長趨膚深度趨膚深度第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫44（2）

46、 令令e-z1/1000， 即即ez1000，由此得到電場強(qiáng)度幅值減小，由此得到電場強(qiáng)度幅值減小為為z = 0處的處的1/1000時，波傳播的距離時，波傳播的距離12.302ln10000.777 m8.89z8.897( , )100ecos(108.89 )zxz ttzEe8.89 0.877(0.8, )100ecos(108.89 0.8)0.082cos(107.11)V/mxxtttEee8.89 0.8771000.8,cos(108.89 0.8)40.026cos(101.61)A/mycyetttHee故在故在z = 0.8m 處，電場的瞬時表達(dá)式為處，電場的瞬時表達(dá)式為

47、磁場的瞬時表達(dá)式為磁場的瞬時表達(dá)式為（3）根據(jù)題意，電場的瞬時表達(dá)式為）根據(jù)題意，電場的瞬時表達(dá)式為第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫452222 8.89 0.821ecos2100ecos240.75mW/mzavzxmczzE Seee （4）在）在z = 0.8m 處的平均坡印廷矢量處的平均坡印廷矢量穿過穿過 1m2 的平均功率的平均功率 Pav = 0.75 mW 由此可知，電磁波在海水中傳播由此可知，電磁波在海水中傳播時衰減很快，尤其在高頻時，衰減更時衰減很快，尤其在高頻時，衰減更

48、為嚴(yán)重，這給潛艇之間的通信帶來了為嚴(yán)重，這給潛艇之間的通信帶來了很大的困難。若為保持低衰減，工作很大的困難。若為保持低衰減，工作頻率必須很低，但即使在頻率必須很低，但即使在1kHz的低頻下，衰減仍然很明顯。的低頻下，衰減仍然很明顯。 (Hz)f(m)海水中的趨膚深度隨頻率海水中的趨膚深度隨頻率變化的曲線變化的曲線第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫46 例例5.3.2 在進(jìn)行電磁測量時，為了防止室內(nèi)的電子設(shè)備受外在進(jìn)行電磁測量時，為了防止室內(nèi)的電子設(shè)備受外界電磁場的干擾，可采用金屬銅板構(gòu)造屏蔽室

49、，通常取銅板厚度界電磁場的干擾，可采用金屬銅板構(gòu)造屏蔽室，通常取銅板厚度大于就能滿足要求。若要求屏蔽的電磁干擾頻率范圍從到，試計(jì)大于就能滿足要求。若要求屏蔽的電磁干擾頻率范圍從到，試計(jì)算至少需要多厚的銅板才能達(dá)到要求。銅的參數(shù)為算至少需要多厚的銅板才能達(dá)到要求。銅的參數(shù)為=0、=0、 = 5.8107 S/m。 解解：對于頻率范圍的低端：對于頻率范圍的低端 fL =10kHz ，有，有714495.8 101.04 10112101036L 710895.8 101.04 10112101036H 對于頻率范圍的高端對于頻率范圍的高端 fH =100MHz ，有，有第5 5章 均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波高等教育出版社高等教育出版社出版出版電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)編寫編寫47477110.66 mm104105.8 10LLf877116.6m104105.8 10