電磁波原理課件

第五章電磁波的反射和折射主要內(nèi)容：平面波反射、折射的基本規(guī)律理想介質(zhì)與理想介質(zhì)交界的情況理想介質(zhì)與理想導(dǎo)體交界的情況理想介質(zhì)與有耗媒質(zhì)交界的情況第五章電磁波的反射和折射主要內(nèi)容：15.1研究反、折射時(shí)的基本知識一、反射、折射現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)：入射的電磁波使得媒質(zhì)交界面上出現(xiàn)極化電荷、或磁化電流、或傳導(dǎo)電流、或自由電荷，這些電荷、電流向交界面兩邊的媒質(zhì)輻射電磁波，稱為二次輻射。輻射到媒質(zhì)1中的就是反射波，輻射到媒質(zhì)2中的就是折射波。5.1研究反、折射時(shí)的基本知識一、反射、折射現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)2二、一些設(shè)定：

物質(zhì)交界面是無限大平面（為了簡化問題，因?yàn)榍娴木植靠梢越茷槠矫妫?；入射波是已知的均勻平面波；incidentwavereflectedwave可以證明：對于無限大交界面，反射波、折射波（或稱透射波）與入射波的頻率相同，且都是均勻平面波。

refractedwave(transmittedwave)interface二、一些設(shè)定：物質(zhì)交界面是無限大平面（為了簡化問題，因?yàn)榍?xz入射、反射、折射角：入射波、反射波、折射波傳播矢量：入射面：所確定的平面三、坐標(biāo)系設(shè)置及一些參量電磁場：入射波：反射波：折射波：交界面無限大交界面為xoy平面，z軸指向媒質(zhì)2；迭加形成媒質(zhì)1中的電場等于媒質(zhì)2中的電場xz入射、反射、折射角：入射波、反射波、折射波傳播矢量：4入射、反射、折射共面入射、反射、折射共面5四、入射波的兩種極化情況四、入射波的兩種極化情況6入射的任何極化的均勻平面波均可以分解為此兩種極化波的迭加，故討論此兩種情況即可。：垂直于入射面稱為垂直極化波：平行于入射面稱為平行極化波入射的任何極化的均勻平面波均可以分解為此兩種極化波7五、平面波反射、折射的基本規(guī)律1、基本規(guī)律的推導(dǎo)思路媒質(zhì)1中電磁場：媒質(zhì)2中電磁場：交界面在交界面處(z=0)的邊界條件：交界面上的傳導(dǎo)電流交界面上的自由電荷根據(jù)邊界條件來導(dǎo)出兩媒質(zhì)中電磁場的相互關(guān)系，得到反射、折射的基本規(guī)律。五、平面波反射、折射的基本規(guī)律1、基本規(guī)律的推導(dǎo)思路媒質(zhì)82、入射波、反射波、折射波傳播方向與法線共面共面xz2、入射波、反射波、折射波傳播方向與法線共面共面xz9光的反射、折射定律=電磁波的反射、折射定律反射定律：媒質(zhì)的折射率：3、反射、折射定律折射定律(Snell定律)：光的反射、折射定律=電磁波的反射、折射定律反射定律：媒質(zhì)的104、若入射波垂直極化，反射波、折射波也是垂直極化；

若入射波平行極化，反射波、折射波也是平行極化；垂直極化情況：電場均垂直于入射面平行極化情況：電場均平行于入射面4、若入射波垂直極化，反射波、折射波也是垂直極化；

若11xz5、場的表示形式及相互關(guān)系垂直極化情況：反射系數(shù)：為正實(shí)數(shù)折射系數(shù)：相互關(guān)系：xz5、場的表示形式及相互關(guān)系垂直極化情況：反射系數(shù)：為正12平行極化情況：平行極化情況：13反射系數(shù)：折射系數(shù)：注：反射、折射系數(shù)公式也適用于有耗媒質(zhì)，只是有耗媒質(zhì)的波阻抗為復(fù)數(shù)。相互關(guān)系：反射系數(shù)：折射系數(shù)：注：反射、折射系數(shù)公式也適用于有耗媒質(zhì)，146、功率反射系數(shù)、功率折射系數(shù)：xx方向上能量連續(xù)對垂直極化、平行極化入射均成立z方向上能量守恒：功率反射系數(shù)：功率透射系數(shù)：6、功率反射系數(shù)、功率折射系數(shù)：xx方向上能量連續(xù)z方向上能152、求出反射角和折射角：一、垂直極化斜入射情況：1、寫出入射場矢量表示式：5.2理想介質(zhì)-理想介質(zhì)交界面2、求出反射角和折射角：一、垂直極化斜入射情況：1、寫出163、求出三個(gè)傳播矢量：4、求出反射系數(shù)、折射系數(shù)；3、求出三個(gè)傳播矢量：4、求出反射系數(shù)、折射系數(shù)175、由反、折射系數(shù)求出反、折射波的振幅：6、將代入場矢量表示式；7、求出相應(yīng)的磁場；8、求出媒質(zhì)1中的合成場：5、由反、折射系數(shù)求出反、折射波的振幅：6、將18例：xz解：(1)(2)(3)例：xz解：(1)(2)(3)19(4)(5)(6)(4)(5)(6)20(7)(8)(7)(8)21二、平行極化

斜入射情況：1、場矢量表示式較復(fù)雜：2、其余步驟與垂直極化情況相同二、平行極化

斜入射情況：1、場矢量表示式較復(fù)雜：2、其22三、全透射：

Brewster角極化角偏振角三、全透射：Brewster角23三、全透射：

垂直極化入射時(shí)總有反射。三、全透射：垂直極化入射時(shí)總有反射。24僅當(dāng)入射波為平行極化時(shí)才出現(xiàn)三、全透射僅當(dāng)入射波為平行極化時(shí)才出現(xiàn)三、全透射25全透射的工程用：極化濾波從任意極化的平面波中分離出垂直極化的線極化波。交界面入射波為任意極化全透射的工程用：極化濾波從任意極化的平面波中26四、全反射：，發(fā)生全反射當(dāng)時(shí)：臨界角此時(shí)僅當(dāng)時(shí)才可能出現(xiàn)全反射入射波為平行極化或垂直極化時(shí)都可能出現(xiàn)全反射；四、全反射：27發(fā)生全內(nèi)反射，媒質(zhì)2中的電磁場并不一定等于0，但進(jìn)入媒質(zhì)2的平均能流密度等于0。四、全反射：當(dāng)時(shí)，全內(nèi)反射發(fā)生全內(nèi)反射，媒質(zhì)2中的電磁場并不一定等于0，但進(jìn)入媒質(zhì)2281、介質(zhì)波導(dǎo)全反射的工程應(yīng)用：纖芯2、光纖包層1、介質(zhì)波導(dǎo)全反射的工程應(yīng)用：纖芯2、光纖包層29光導(dǎo)纖維－光纖光導(dǎo)纖維－光纖30光纜結(jié)構(gòu)光纜結(jié)構(gòu)31五、垂直入射垂直極化五、垂直入射垂直極化32平行極化平行極化33xz事實(shí)上，入射波為TEM波，總是垂直于平行于交界面，不論其極化方向如何，對交界面來說都一樣。垂直入射時(shí)，入射波的與交界面法線在一條直線上，因此入射面不確定。因此，設(shè)定電場位于xoz平面，且入射波、反射波、折射波方向相同。xz事實(shí)上，入射波為TEM波，總是垂直于平行34理想介質(zhì)-理想介質(zhì)交界面

電磁波反射折射規(guī)律小結(jié)光疏光密光密光疏理想介質(zhì)-理想介質(zhì)交界面

電磁波反射折射規(guī)律小結(jié)光疏光密光密35z理想導(dǎo)體

1、理想介質(zhì)中的合成場：5.3理想介質(zhì)-理想導(dǎo)體交界面一、垂直入射z理想導(dǎo)體1、理想介質(zhì)中的合成場：5.3理想介質(zhì)-理想導(dǎo)36

2、合成場的特點(diǎn)：合成場不是傳播的行波，而是沿垂直于理想導(dǎo)體表面的方向（z方向）的駐波；z瞬時(shí)表示式：電場振幅最大的點(diǎn)，波腹點(diǎn)：電場始終等于0的點(diǎn)，波節(jié)點(diǎn)：波節(jié)波節(jié)波節(jié)波腹波腹波腹任意固定時(shí)刻，Ex的空間分布:2、合成場的特點(diǎn)：合成場不是傳播的行波，而是沿垂直于理想37波節(jié)波節(jié)波節(jié)駐波隨時(shí)間的變化規(guī)律：在原地上下振動(dòng)z波腹波腹波腹t3t5t6t4t2t1t0駐波的平均能流密度：結(jié)論：駐波不傳輸電磁能量，電能、磁能不斷相互轉(zhuǎn)化。波波波駐波隨時(shí)間的變化規(guī)律：在原地上下振動(dòng)z波腹波腹波腹t38可利用“垂直入射，波節(jié)點(diǎn)相距二分之一波長”的性質(zhì)測量電磁波波長；3、駐波的工程應(yīng)用可以使電磁波在導(dǎo)體面之間來回垂直反射，形成諧振腔，能量不損失。理想導(dǎo)體理想導(dǎo)體由于導(dǎo)體表面是波節(jié)點(diǎn)，故兩導(dǎo)體面間距為的整數(shù)倍，只有頻率滿足此條件的電磁波才能形成諧振（即選頻功能）。A可移動(dòng)探針電場≠0，探針電流≠0； 波節(jié)點(diǎn)處：探針電流＝0理想導(dǎo)體可利用“垂直入射，波節(jié)點(diǎn)相距二分之一波長”的性質(zhì)測量電磁波391、反射系數(shù)和折射系數(shù)：二、斜入射電磁波在理想導(dǎo)體表面被全反射，理想導(dǎo)體中電磁場為0，無折射場。理想導(dǎo)體理想介質(zhì)1、反射系數(shù)和折射系數(shù)：二、斜入射電磁波在理想導(dǎo)體表面被全402、垂直極化斜入射(平行極化斜入射情況類似）理想導(dǎo)體在理想導(dǎo)體表面，入射場與反射場的合成場＝0，故切向電場＝0，滿足理想導(dǎo)體表面的邊界條件。反射電場與入射電場反向，且振幅值相同；邊界條件2、垂直極化斜入射(平行極化斜入射情況類似）理想導(dǎo)體在理想41理想導(dǎo)體zx電場表示式：理想導(dǎo)體zx電場表示式：42媒質(zhì)1中的合成電場：振幅：隨z坐標(biāo)正弦變化相位：沿方向連續(xù)滯后即：沿方向傳播媒質(zhì)1中的合成電場：振幅：相位：43合成場沿理想導(dǎo)體表面?zhèn)鞑?，等相位面垂直于?dǎo)體表面；xz理想導(dǎo)體

z方向上場矢量值的正弦分布不是由傳播帶來的，而是一種空間分布，將這種波狀分布稱為駐波（意即：停駐的波）。振幅等相位面上，場矢量的振幅呈正弦分布。因此在某個(gè)時(shí)刻，在一個(gè)等相位面上，場矢量不再處處相等，為非均勻平面波。等相位面合成場合成場沿理想導(dǎo)體表面?zhèn)鞑ィ认辔幻娲怪庇趯?dǎo)體表面；xz理想44某時(shí)刻，均勻平面波的電場空間分布。等相位面上場均勻分布等相位面某時(shí)刻，均勻平面波的電場空間分布。等相位面上場均勻分45某時(shí)刻，非均勻平面波的電場空間分布駐波方向行波方向等相位面某時(shí)刻，非均勻平面波的電場空間分布駐波行波等相位面463、理想導(dǎo)體表面全反射的工程應(yīng)用可以采用兩個(gè)平行的理想導(dǎo)體面，引導(dǎo)電磁波在其間、沿平行于導(dǎo)體面的方向傳播。能量理想導(dǎo)體理想導(dǎo)體3、理想導(dǎo)體表面全反射的工程應(yīng)用可以采用兩個(gè)平行的理47

有耗媒質(zhì)中有折射波；折射波在有耗媒質(zhì)中邊傳播邊衰減，可傳播的距離有限，衰減常數(shù)為；5.4理想介質(zhì)－有耗媒質(zhì)交界面有耗媒質(zhì)理想介質(zhì)可以證明，若有耗媒質(zhì)的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率的虛部遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其實(shí)部，則折射波近似垂直于有耗媒質(zhì)表面。有耗媒質(zhì)中有折射波；折射波在有耗媒質(zhì)中邊傳播邊48

垂直于有耗媒質(zhì)表面的折射波的振幅衰減到表面處的(即0.368倍)時(shí)所傳播的距離；

穿透深度：入射波反射波z有耗媒質(zhì)理想介質(zhì)垂直于有耗媒質(zhì)表面的折射波的振幅衰減到表面處的49若導(dǎo)電媒質(zhì)層的厚度大于若干個(gè)穿透深度，則折射波的能量在導(dǎo)電媒質(zhì)層內(nèi)部就幾乎全部損耗，不能透過該導(dǎo)電媒質(zhì)層。這一性質(zhì)可用于電磁屏蔽。一般可利用金屬板或金屬網(wǎng)來屏蔽電磁波。材料501M幾種導(dǎo)電媒質(zhì)的穿透深度更高頻率時(shí)的穿透深度更小。

若導(dǎo)電媒質(zhì)層的厚度大于若干個(gè)穿透深度，則折射波的能量在導(dǎo)電媒50屏蔽的意義：

防止內(nèi)部電子設(shè)備的信息通過電磁波泄漏出去；信息泄漏防護(hù)技術(shù)（TEMPEST）

避免外部電磁干擾，防御電磁武器對電子設(shè)備的破壞。電子設(shè)備電磁武器電磁干擾電磁泄漏屏蔽層屏蔽的意義：電子電磁武器電磁干擾電磁屏蔽層51金屬材料的屏蔽機(jī)理金屬材料的屏蔽機(jī)理52常見屏蔽設(shè)備和配件常見屏蔽設(shè)備和配件535.5電磁波反射折射規(guī)律的應(yīng)用5.5電磁波反射折射規(guī)律的應(yīng)用54電磁波的反射、折射與隱身（Stealth）技術(shù)隱身技術(shù)： 輻射電磁波，靠穩(wěn)定、持續(xù)的目標(biāo)回波來探測、鎖定目標(biāo)。(被動(dòng)雷達(dá)不輻射)雷達(dá)工作原理：雷達(dá)輻射波目標(biāo)回波單基雷達(dá)雷達(dá)輻射波目標(biāo)回波雙（多）基雷達(dá)電磁波的反射、折射與隱身（Stealth）技術(shù)隱身技術(shù)： 551、外形隱身：

通過合理設(shè)計(jì)目標(biāo)外形，使得它反射的電磁波盡可能偏離雷達(dá)的方向，不被雷達(dá)探測到。盡量減少目標(biāo)的反射回波或使回波方向不穩(wěn)定，推遲敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)并鎖定我方目標(biāo)的時(shí)機(jī)，或減少我方目標(biāo)暴露于敵方雷達(dá)之下的時(shí)間。雷達(dá)隱身原理：2、材料隱身：

在目標(biāo)外表面涂覆能吸收電磁波的材料，盡可能減少電磁波的反射。1、外形隱身：盡量減少目標(biāo)的反射回波或使回波方向不56F-117戰(zhàn)斗機(jī)F-117戰(zhàn)斗機(jī)57普通飛機(jī)的機(jī)頭（原方向回波大，各方向均有回波）F-117A機(jī)頭側(cè)視（無原方向回波，回波方向單一）F-117A機(jī)頭俯視（無原方向回波，回波方向單一）

普通飛機(jī)的機(jī)頭F-117A機(jī)頭側(cè)視F-117A機(jī)頭俯視58普通