第五章_均勻平面波在無界媒質(zhì)中_...

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

2、：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(dòng)方程的均勻平面波解一維波動(dòng)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

3、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40yxzEEEExyz由于由于5.1.1 一維波動(dòng)方程的均勻平面波解一維波動(dòng)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，則電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度均不是軸傳播，則電場強(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 ,0EEHHxyxy0zEz0zE 222222dd0 ,0ddEHk Ek Hzz2220zzEk Ez同理

4、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51jjj111 m( )eeexkzkzxxEzAE1jjj11 m1 m1( , )Reeeecos()xkztxxxxEz tEEtkz0)(d)(d222zEkzzExxk)()(zEezExx設(shè)電場只有設(shè)電場只有x 分量，即分量，即jj12( )eekzkzxEzAA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

5、的波。j1ekzA 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)2jjj222 m( )eeexkzkzxxEzAE2jjj22 m2 m2( , )Reee ecos()xkztxxxxEz tEEtkz 第二項(xiàng)第二項(xiàng)沿沿 z 方向方向傳播的波傳播的波第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611111j1xyyxzxxzEkHeeEee EeEzjEH 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j222ekz

6、xxxEe Ee A22)(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?；ゴ怪?，且同相位。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(shí)間相位變化：時(shí)間相位變化 2的時(shí)間間隔，即的時(shí)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(shí)間內(nèi)的相位變化，單位為：表示單位時(shí)間內(nèi)的相位變化，單位為rad /s 頻率頻率 f ：1(Hz)2fT t

7、T o xE 的曲線的曲線tEtEmxcos), 0(2(s)T2T5.1.2 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 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)。2(rad/m)k波長波長 ：空間相位差為空間相位差為2 的兩個(gè)波陣面的間距，即的兩個(gè)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

8、(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電磁波9（3）相速（波速）相速（波速）) sm(1ddktzv真空中真空中：87900113 10 (m/s)14 101036vc Ckzt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(dòng)速度中的移動(dòng)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102、能量密度與能流密度、能量密度與能流密度*2avm11Re( )( )22z

9、SE zHzeE2mav112zeEw v22em1122wEHwEeHz1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22avmm1122wEH22emwwwEH故故電場能量與磁場能量相同電場能量與磁場能量相同22m1( , )( , )cos ()2zxSE z tH z teEtkz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 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

10、）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電磁場與電磁波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)的均勻平面波在聚乙烯中傳播，設(shè)其為無耗

11、材料，相對介電常數(shù)為其為無耗材料，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。9r2.26 ,9.4 10 Hzf 解解：由題意：由題意因此因此800r1.996 10m/s2.26vvv891.996 102.12m9.4 10vf 0r3772512.26 3mm7 102511.757V/mEH 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1( , )cos() A/m3yH z tetz 例例5.1

12、.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(shí)時(shí) ，若，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。 13zeyeEHHV/m)cos(40)(),(),(0zteetzHtzExz220.21 m ,308893 1045101.43 10Hz/15cfV/m)301090cos(40),(8ztetzExrad/m30因因 ，故，故81( , )cos(90 1030 ) A/m3yH z

13、tetz 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)率磁導(dǎo)率r =1 ，且當(dāng)，且當(dāng)t = 0、z =1/8 m 時(shí)，電場幅值為時(shí)，電場幅值為104 V/m 。 試試求電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的瞬時(shí)表示式。求電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的瞬時(shí)表示式。xxEEe 解解：設(shè)電場強(qiáng)度的瞬時(shí)表示式為設(shè)電場強(qiáng)度的瞬時(shí)表示式為4( , )10cos()xxxz tEtkzE

14、ee822 10rad/sf8rr82 1044 rad/m3 103kc 對于余弦函數(shù)，當(dāng)相角為零時(shí)達(dá)振幅值?？紤]條件對于余弦函數(shù)，當(dāng)相角為零時(shí)達(dá)振幅值?？紤]條件t = 0、z =1/8 m 時(shí)，電場達(dá)到幅值，得時(shí)，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波電磁場與電磁波15484( , )10cos(2 10)36xE z tetz484110cos2 10()V/m38xetz 11zyxHeEeE0r60481041( , )cos2 10()A/m6038yH z tetz所以所以磁場強(qiáng)度的瞬時(shí)表示式為磁場強(qiáng)度的瞬時(shí)表示

15、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16j50ekzxEe 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空間的本征阻抗為j05eA/m12kzyyEHee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2av115125Re()50W/m221212zzSEHee22avav125125d 2.565.1 W1212SPSSR 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

16、的電場強(qiáng)度50cos()V/mxEetkz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場與電磁波175.2 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 極化波的分解極化波的分解5.2.6 極化波的工程應(yīng)用極化波的工程應(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185.2.1 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

17、的取向隨時(shí)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(shí)間變 化的特性化的特性, 是電磁理論中的一個(gè)重要概念。是電磁理論中的一個(gè)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(shí)間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(shí)間變化的軌跡。變化的軌跡。 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19mcos() ,xxxEEtkzmcos()yyyEEtkz 一般情況下，沿一般情況下，沿+ +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

18、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(gè)圓：電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)軌跡為一個(gè)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(gè)橢圓：電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)軌跡為一個(gè)橢圓第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205.2.2 線極化波線極化波2222mm(0, )(0, )cos()xyxyxEEtEtEEtmmarctan()arctan()yyxx

19、EEEE 0yxxy 隨時(shí)間變化隨時(shí)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(shí)間變化但其矢：合成波電場的大小隨時(shí)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(gè)同頻率、同傳播方向且極化方向互相垂直的：任何兩個(gè)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(shí)，其合時(shí)，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2

20、1 常將垂直于大地的直線極化波稱為垂直極化波，常將垂直于大地的直線極化波稱為垂直極化波，而將與大地平行的直線極化波稱為水平極化波。而將與大地平行的直線極化波稱為水平極化波。 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22m(0, )cos()xxEtEtm(0, )cos()sin()2yxmxEtEtEt arctan tan()()xxtt 5.2.3 圓極化波圓極化波則則mmm/2xyxyEEE 、 條件條件：22m(0, )(0, )xyEEtEtE 合成波電場的模合成波電場的模常數(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(shí)間變化隨時(shí)間變化 特

21、點(diǎn)特點(diǎn)：合成波電場的大小不隨時(shí)間改變，但方向卻隨時(shí)間變合成波電場的大小不隨時(shí)間改變，但方向卻隨時(shí)間變 化，電場的矢端在一個(gè)圓上并以角速度化，電場的矢端在一個(gè)圓上并以角速度 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。 結(jié)論結(jié)論：任何兩個(gè)同頻率、同傳播方向且極化方向互相垂直的：任何兩個(gè)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(shí)，時(shí)， 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23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

22、波：若若yx/2，則電場矢端的旋轉(zhuǎn)方向，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，稱為右旋圓極化波與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yx/2，則電場矢端的旋轉(zhuǎn)方向，則電場矢端的旋轉(zhuǎn)方向 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24 一個(gè)線極化波可分為兩個(gè)振幅相等、旋向相反一個(gè)線極化波可分為兩個(gè)振幅相等、旋向相反的圓極化波，所以不同取向的線極化波都可由圓的圓極化波，所以不同取向的線極化波都可由圓極化天線收到?；鸺蕊w行器

23、常采用圓極化天線，極化天線收到?；鸺蕊w行器常采用圓極化天線，衛(wèi)星通信系統(tǒng)等也常采用圓極化天線工作的。衛(wèi)星通信系統(tǒng)等也常采用圓極化天線工作的。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25其它情況下，令其它情況下，令yx，由由m(0, )cos()xxxEtEtm(0, )cos()yyxEtEt22222mmmm2cossinyxyxxyxyEE EEEEEE5.2.4 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(shí)間和方向都隨時(shí)間 改變，其端點(diǎn)在一改變，其端點(diǎn)在一 個(gè)橢圓上旋轉(zhuǎn)。個(gè)橢圓上旋轉(zhuǎn)。第5 5章 均勻平面波在無界

24、媒質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波26 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，在，在1、3象限；象限； ，在，在2、4象限。象限。 橢圓極化：橢圓極化：其它情況。其它情況。 0 ，左旋；，左旋； 0，右旋，右旋 。 圓極化：圓極化： /2，ExmEym 。 取取“”，左旋，左旋圓極化圓極化；取；取“”，右旋圓極化，右旋圓極化。 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 yx 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

25、波27 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。jjmmejekzkzxyEe Ee Emmsin()cos()44xyEe Etkze Etkzmmsin()2cos()xyEe EtkzeEtkz( 1 )( 2 ) ( 3 ) 解解： （1） （2） （3）mm,xyEE0,22xy 、mm,xyEE0,22xy 、,044xy 、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質(zhì)中的傳播電磁場與電磁波電磁場與電磁波28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。

26、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，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29垂直極化垂直極化水平極

27、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)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305.3 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(shí)，有傳導(dǎo)電流電磁波在導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播時(shí)，有傳導(dǎo)電流 J

28、 = E 存在，同時(shí)存在，同時(shí) 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31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cjm( )( )ek zxxxxE ze ze jmm( )eeezzzxxxxE ze e 22c0Ek Ecc()k 令令cjjk，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

29、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/m（奈培（奈培/米）米）zejez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）m( , )ecos()zxxE z te Etz瞬時(shí)值形式瞬時(shí)值形式振幅有衰減振幅有衰減波動(dòng)方程波動(dòng)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32j()mcc11( )( )eezzzyxH zeE zejccce本征阻抗本征阻抗mc( , )ecos()zxyEH z tetzHkEkHE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

30、磁場 相伴的磁場相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332222 2222(j )j22222cc(j)(j)kk 2211()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)，而且與電磁波有關(guān)，而且與電磁波的頻率有關(guān)的頻率有關(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34*22avmc11Re ( )( )ecos22zzxSE zHzeE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

31、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，是橫與波的傳播方向相互垂直，是橫 電磁波（電磁波（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)，而且與頻率有波的傳播速度（相度）不僅與媒質(zhì)參數(shù)有關(guān)，而且與頻率有 關(guān)（有色散）關(guān)（有色散）。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35弱導(dǎo)電媒質(zhì)弱導(dǎo)

32、電媒質(zhì)：11/2j(1)jj2 1/2cc(1)(1j)j25.3.2 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) 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； 衰減小；衰減??； 電場和磁場之間存在較小的相位差。電場和磁場之間存在較小的相位差。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361 2j45j(1j)je(1j)21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

33、數(shù)222ff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/f2f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37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(shí)所傳播的距離。即時(shí)所傳播的距

34、離。即oj45ccj2e(1j)ff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 mEmeEmmeeEE11f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38銅：銅：704 10 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39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

35、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 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40 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

36、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?。已知海水的媒質(zhì)參數(shù)為r = 81、r =1、= 4 S/m ，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(shí)，波傳播的距離時(shí)，波傳播的距離（3）z = 0.8 m 處的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的瞬時(shí)表達(dá)式；處的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的瞬時(shí)表達(dá)式；（4） z = 0.8 m 處穿過處穿過1m2面積的平均功率。面積的

37、平均功率。解解：（1） 根據(jù)題意，有根據(jù)題意，有710 rad/s6510Hz2f7941801110 (10 ) 8036所以所以此時(shí)海水可視為良導(dǎo)體。此時(shí)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41故衰減常數(shù)故衰減常數(shù)67 5 104 1048.89 Np/mf 77jjj444c10 4 10eee47610 3.53 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42 （2） 令令e-z1/1000， 即即ez1000，由此得到電場強(qiáng)度幅值減，由此得到電場強(qiáng)度幅值減小為小為 z = 0 處的處的1/1000 時(shí)，波傳播的距離時(shí)，波傳播的距離12.302ln10000.777 m8.89z8