電磁場與微波技術第三章

1、 3-1 波動方程波動方程 3-2 理想介質中的正弦均勻平面電磁波理想介質中的正弦均勻平面電磁波 3-3 導電媒質中的正弦均勻平面電磁波導電媒質中的正弦均勻平面電磁波 3-4 電磁波的調制、色散、相速與群速電磁波的調制、色散、相速與群速 3-5 電磁波的極化特性電磁波的極化特性第三章第三章 正弦均勻平面電磁波正弦均勻平面電磁波(SUPW）在自由空間的傳播在自由空間的傳播 3.5 SUPW3.5 SUPW的極化特性的極化特性一一. . 極化的概念極化的概念電磁波的電場或磁場矢量隨時間電磁波的電場或磁場矢量隨時間t t的變化規(guī)律的變化規(guī)律（位置固定（位置固定z z0 0）極化特性極化特性二二. .

2、 極化的研究方法極化的研究方法1. 1. ，只需要研究，只需要研究nz( )E t2. 2. 的端點（的端點（P P）的運動軌跡）的運動軌跡EEHHEnEnHnHE , , E(t)EXEy00( )( )( ) sin()sin()xyxxyyE txE tyE txEtkzyEtkz0:z 00( )sin() (sincoscossin)pxxxxxxxE tEtEtt00( )sin() (sincoscossin)pyyyyyyyE tEtEtt三三. SUPW. SUPW電場矢端電場矢端P P的軌跡方程的軌跡方程P(xP,yp)yxoxxxpttExsincoscossin0yyy

3、pttEysincoscossin0 xyyxyxyxyxyxyxxypyxpttttttEyEx sinsincossinsincossinsinsincoscossinsinsinsincossincossinsinsin00:sin)2(sin) 1 (xy(1) sincoscossin0 xxxpttEx(2) sincoscossin0yyypttEy:cos)2(cos) 1 (xyxyyxyxyxyxyxyxxypyxpttttttEyEx sincossincoscossincossincoscoscoscossincossincoscoscossincoscos00(3)(

4、4)(3)式平方減去(4)式平方，得P P點的運動軌跡方程可以表示直線、圓或橢圓點的運動軌跡方程可以表示直線、圓或橢圓2000202200022022000220200200cos2 coscoscos2cos sinsinsin2sin coscossinsin ypxyypxpxpxypyxypxpyxpxypyxypxpyxpxypyxpxypyxpEyEyExExEyEyExExEyEyExExEyExEyEx左yy2sin右xyypxyypxpxpEyEyExEx2200020sincos2 四四. . 極化的類型（按照軌跡形狀）極化的類型（按照軌跡形狀）1.1.線極化波線極化波【定

5、義定義】電場矢端電場矢端P P點的軌跡為一條直線點的軌跡為一條直線【條件條件】(0, 1, 2.)yxmm 【方程方程】22000000()( 1) 2()0( 1)ppppmxxyyppmyxxxyyEEEEyxEE 【規(guī)律規(guī)律】 與與 同或反相位同或反相位xEyE001 ypmxpEyExm為偶數(shù)時，同相位，p點軌跡在一、三象限；m為奇數(shù)時，反相位，p點軌跡在二、四象限；0yxyx2.2.圓極化波圓極化波【定義定義】電場矢端電場矢端P P點的軌跡為圓點的軌跡為圓【條件條件】0002xyyxEEE 且【方程方程】2220()()ppxyE+【旋向旋向】 拇指指向電磁波傳播方向，四指握向電場矢

6、端拇指指向電磁波傳播方向，四指握向電場矢端的旋轉方向，滿足左手螺旋關系稱為左旋圓極化波；的旋轉方向，滿足左手螺旋關系稱為左旋圓極化波；滿足右手螺旋關系稱為右旋圓極化波。滿足右手螺旋關系稱為右旋圓極化波。1）左旋圓極化：）左旋圓極化：000 ,2EEEyxxytEEtEExoyzyxcossin000處有：面oyxzn 時刻0 . 11tt)2t0(t t. 2222t t .33P P的運動方向與波的傳播的運動方向與波的傳播方向滿足方向滿足左手螺旋法則左手螺旋法則即即 相位超前相位超前 相位相位 ， 追隨追隨 變化規(guī)律變化規(guī)律yExE2xEyE 2 2）右旋圓極化：）右旋圓極化：即即 相位超前

7、相位超前 相位相位 ， 追隨追隨 變化規(guī)律變化規(guī)律xEyE2yExEP P的運動方向與波的傳播方向滿足的運動方向與波的傳播方向滿足右手螺旋法則右手螺旋法則000 ,2EEEyxxy【討論討論】1 1）圓極化）圓極化x x線極化線極化y y線極化線極化（兩個極化方向互相垂直、相位差（兩個極化方向互相垂直、相位差9090的等幅的等幅線極化波）線極化波） 2 2）線極化）線極化左旋圓極化右旋圓極化左旋圓極化右旋圓極化【旋向的復域判斷方法旋向的復域判斷方法】yxEjE左旋圓極化波：左旋圓極化波：右旋圓極化波：右旋圓極化波：xyEjE3.3.橢圓極化波橢圓極化波【定義定義】電場矢端電場矢端P P點的軌跡

8、為橢圓點的軌跡為橢圓【旋向旋向】 1 1）左旋橢圓極化：）左旋橢圓極化：0yx 2 2）右旋橢圓極化：）右旋橢圓極化：0 xy【條件條件】若若 和和 振幅、相位都不相同。則合成振幅、相位都不相同。則合成波為橢圓極化波波為橢圓極化波。 xEyE橢圓極化的平面波橢圓極化的平面波xy右旋右旋橢圓極化波橢圓極化波 【討論討論】1 1）橢圓極化）橢圓極化x x線極化線極化y y線極化線極化 2 2）橢圓極化橢圓極化左旋圓極化左旋圓極化右旋圓極化右旋圓極化 3 3）線極化）線極化左旋橢圓極化右旋橢圓極化左旋橢圓極化右旋橢圓極化 合成波極化的小結合成波極化的小結 線極化：線極化： = 0= 0、 ； = 0

9、= 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 Ex0 x0 = = E Ey0 y0 = =E E0 0 ； 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E Ex x和和E Ey y的振幅的振幅E Exmxm、E Eymym和相位差和相位差 y y x x 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：五五. . 圓極化波的應用圓極化波的應用1.1.特性特性

10、（1 1）反射波的反旋性；）反射波的反旋性；（2 2）圓極化天線旋向正交性。）圓極化天線旋向正交性。2.2.應用：應用： 在雨霧天氣里, 雷達采用圓極化波工作將具有抑制雨霧干擾的能力。因為, 水點近擬呈球形, 對圓極化波的反射是反旋的, 不會為雷達天線所接收; 而雷達目標(如飛機#, 船艦#, 坦克等)一般是非簡單對稱體, 其反射波是橢圓極化波, 必有同旋向的圓極化成分, 因而仍能收到。 同樣, 若電視臺播發(fā)的電視信號是由圓極化波載送的(由國際通信衛(wèi)星轉發(fā)電視信號正是這樣), 則它在建筑物墻壁上的反射波是反旋向的, 這些反射波便不會由接收原旋向波的電視天線所接收, 從而可避免因城市建筑物的多次

11、散射所引起的電視圖像的重影效應 。 由于一個線極化波可分解為兩個旋向相反的圓極化波, 這樣, 不同取向的線極化波都可由圓極化天線收到。因此, 現(xiàn)代戰(zhàn)爭中都采用圓極化天線進行電子偵察和實施電子干擾。同樣, 圓極化天線也有許多民用方面的應用。例如, 大多數(shù)的FM調頻廣播都是用圓極化波載送的, 因此, 立體聲音樂的愛好者可以用在與來波方向相垂直的平面內其電場任意取向的線極化天線收到FM信號 。 例例 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。( 1 )( 2 )( 3 ) ( 4 ) 解：解：（1） （2） （3） （4）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

12、化波左旋橢圓極化波左旋橢圓極化波sin()cos()xmymEa Etkza EtkzeejkzjkzxmymEa Ea jEsin()cos()44xmymEa Etkza Etkzsin()2cos()xmymEa EtkzaEtkz,xmymEE0,22xy 、,044xy 、,xmymEE,xmymEE,xmymEEx x x x y y y y 2 ,20y 、x2 ,20y 、x第四章第四章 SUPWSUPW的反射和折射的反射和折射4.14.1 SUPWSUPW的反射、折射定律的反射、折射定律4.24.2 SUPWSUPW對平面邊界的垂直入射對平面邊界的垂直入射4.34.3 SUP

13、WSUPW對介質分界面的斜入射對介質分界面的斜入射4.44.4 SUPWSUPW對理想導體表面的斜入射對理想導體表面的斜入射基本概念：基本概念：主要研究：方向關系（角度關系）主要研究：方向關系（角度關系） 振幅關系振幅關系iki入射波入射波ikrkr反射波反射波rktkt折射波折射波tkxz4.1 SUPW4.1 SUPW的反射折射定律（角度關系）的反射折射定律（角度關系）一一. .前提條件前提條件1122iirrttkkkkkk 000irtjkriijkrrrjkrttEEeEEeEEexyzk rxkykzk二二. .反射、折射定律反射、折射定律1.1.分界面（分界面（z z0 0）處電

14、磁場的）處電磁場的邊界條件邊界條件21()0nEE由由1200,irtzznz EEEEE其中其中()()()000ixiyrxrytxtyj xkykj xkykj xkykirtzE ezE ezE e ixiyrxrytxtyxkykxkykxkyk00ixrxtxiyrytyykkkxkkk令令三波矢是否共面？2.2.入射面的定義入射面的定義 1)1)入射面：入射面： 共平面共平面入射方向、反射方入射方向、反射方 向、折射方向在同一平面，稱為入射面向、折射方向在同一平面，稱為入射面,irtkkk()0ixiyizirtrxryrztxtytzkkkkkkkkkkkk以三矢量為鄰邊的平行六面體積以三矢量為鄰邊的平行六面體積V=0V=0，即為平面，即為平面 2)2)入射面入射面 分界面分界面 入射面法向入射面法向/ / ()irkk分界面法向分界面法向 z()0()001ixiyizirrxryrzirkkkkkzkkkkkz0iyrytykkk3.3.角度關系角度關系取入射面為取入射面為 ，則，則zox112sinsinsinixirxrtxtkkkkkk111222,irtkkkkk 其中其中111222sinsinsinirtkkk反射定律反射定律折射定律折射定律另有：另有：1122coscosizrztzkkkkk 2212121