Ch4平面電磁波的反射、繞射、折射和導(dǎo)行課件

電磁場與電磁波黃銘Huangming磁場與電磁波黃銘1Ch4.平面電磁波的反射、繞射、折射和導(dǎo)行一、反射1.對理想導(dǎo)體表面的垂直入射Ch4.平面電磁波的反射、繞射、折射和導(dǎo)行1.對理想導(dǎo)體2入射波為反射波為左邊媒質(zhì)中的合成電場為入射波為反射波為左邊媒質(zhì)中的合成電場為3利用處電場強(qiáng)度切向分量連續(xù)的邊界條件得∴媒質(zhì)（1）中的合成場為利用處電場強(qiáng)度切向分量連續(xù)的邊界條件得∴媒質(zhì)（1）中的合成場4結(jié)論：電場波節(jié)，，；電場波腹，，；左邊形成駐波，可用來測量波長（兩波節(jié)點相距）；駐波不傳輸電磁能量，而只存在電場能和磁場能的相互轉(zhuǎn)換；分界面上存在電流，且結(jié)論：電場波節(jié)，，；電場波腹，，；左邊形成駐波，可用來測量波52.對兩種導(dǎo)電媒質(zhì)分界面的垂直入射處理方法類似于1.反射系數(shù)Γ和透射系數(shù)T分別為詳細(xì)內(nèi)容見P170~173。2.對兩種導(dǎo)電媒質(zhì)分界面的垂直入射處理方法類似于1.反射63.對多層邊界垂直入射此時要分別利用和處的邊界條件。z①②③0-d3.對多層邊界垂直入射此時要分別利用和74.平行極化斜入射（對理想導(dǎo)體）P173~174進(jìn)行了討論主要結(jié)論為：①②③④⑤（略）4.平行極化斜入射（對理想導(dǎo)體）P173~174進(jìn)行了討論85.垂直極化斜入射（對理想導(dǎo)體）P175進(jìn)行了討論主要結(jié)論為：①②③④⑤（略）5.垂直極化斜入射（對理想導(dǎo)體）P175進(jìn)行了討論主要結(jié)論9二、繞射幾何光學(xué)不能解釋繞射現(xiàn)象，1951年J.B.Keller引入繞射射線，解釋了繞射現(xiàn)象，這一方法稱為GTD（幾何繞射理論）。二、繞射幾何光學(xué)不能解釋繞射現(xiàn)象，1951年J.B.Kell10GTD的三點結(jié)論：繞射場是沿繞射射線傳播的，這種射線的軌跡由費(fèi)馬原理確定；繞射場只取決于入射場和散射體表面的局部性質(zhì)，由此可把入射場和繞射通過繞射系數(shù)聯(lián)系起來；離開繞射點后，繞射線仍遵守幾何光學(xué)原理。GTD的三點結(jié)論：11費(fèi)馬原理：幾何光學(xué)射線沿從原點到場點的最短路徑傳播。繞射系數(shù)Ds.n的計算極為復(fù)雜，計算參考書汪茂光，《幾何繞射理論》，西安電子科技大學(xué)出版社，1994IEEE，Vol62，PP.1448

~1461，Nov.1974費(fèi)馬原理：幾何光學(xué)射線沿從原點到場點的最短路徑傳播。繞射系數(shù)12工程公式：T.S.RappaportP67工程公式：T.S.RappaportP6713應(yīng)用1：計算，，，，，時的繞射損耗。答案：21.7、6、0dB。應(yīng)用1：計算，，14應(yīng)用2：求解下圖所示的刃形繞射損耗，并計算引起6dB繞射損耗的阻擋體高度，10km2km50m100m25mT刃形R應(yīng)用2：求解下圖所示的刃形繞射損耗，并計算引起6dB繞射損耗15應(yīng)用3：科研實例：Trikas在IEEE上的論文（1998）我們的工作1（9thIEEEICT2002）我們的工作2（信息學(xué)院大樓場強(qiáng)分布）應(yīng)用3：科研實例：Trikas在IEEE上的論文（1998）16三、折射1.平行極化波的斜入射（對理想介質(zhì)）P175~177三、折射1.平行極化波的斜入射（對理想介質(zhì)）P175~17172.垂直極化波的斜入射（對理想介質(zhì)）P1772.垂直極化波的斜入射（對理想介質(zhì)）P177183.全反射和無反射P178~1793.全反射和無反射P178~179194.反射定律和折射定律如何導(dǎo)出反射定律和折射定律？當(dāng)時4.反射定律和折射定律如何導(dǎo)出反射定律和折射定律？當(dāng)20鐘順時，《電磁場理論基礎(chǔ)》，西安電子科技大學(xué)出版社，1998.7P231~233鐘順時，《電磁場理論基礎(chǔ)》，西安電子科技大學(xué)出版社，199821四、導(dǎo)行1.傳輸線理論詳見P206~214四、導(dǎo)行1.傳輸線理論詳見P206~21422上式兩邊同時除△z得上式兩邊同時除△z得23得此即為傳輸線方程。得此即為傳輸線方程。24若則若則25若平行雙線無耗，則定義則若平行雙線無耗，則定義則26其解為上式中，稱為傳輸線的阻抗。其解為上式中，稱為傳輸線的阻抗。27若傳輸線有耗，則以上推導(dǎo)可參見陳抗生，《電磁場與波》，高教出版社2003.12.P59若傳輸線有耗，則以上推導(dǎo)可參見陳抗生，《電磁場與波》，高教出28表1.平行雙導(dǎo)線、同軸線的等效電路參數(shù)平行雙導(dǎo)線同軸線表1.平行雙導(dǎo)線、同軸線的等效電路參數(shù)平行雙導(dǎo)線同軸線29上表中，2a為平行雙導(dǎo)線的直徑，d為兩平行雙導(dǎo)線中心間距，2a和2b分別為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的外直徑和同軸線外導(dǎo)體的內(nèi)直徑。上表公式是如何得到的？上表中，2a為平行雙導(dǎo)線的直徑，d為兩平行雙導(dǎo)線中心間距，230由Maxwell方程組導(dǎo)出平行板傳輸線的參數(shù)RF.電路P35平行板寬W、厚dP間距d、趨膚深度δ小于dP由Maxwell方程組導(dǎo)出平行板傳輸線的參數(shù)RF.電路P331如上圖所示，平行板中電場和磁場分別為（平行板很寬，電磁場與y無關(guān)）。∵考慮沿方向的傳導(dǎo)電流，則上述方程可變?yōu)槿缟蠄D所示，平行板中電場和磁場分別為（平行板很寬，電磁場與y32寫成分量形式∴同理寫成分量形式∴同理33將上式變換得此式中，，通解為稱為趨膚深度。為滿足邊界條件，下導(dǎo)體平板內(nèi)磁場為將上式變換得此式中，，通解為稱為趨膚深度。為滿足邊界條件，下34每單位長度表面電阻和表面電感分別為詳見：RFCircuitDesign：TheoryandApplications2002.5.Ludwig，R.P35~37每單位長度表面電阻和表面電感分別為詳見：RFCircuit35前面討論了由電路理論導(dǎo)出傳輸線方程，并由Maxwell方程導(dǎo)出傳輸線的有關(guān)參數(shù)。下面討論由Maxwell方程導(dǎo)出傳輸線方程。P39圖2.18應(yīng)用法拉第定律進(jìn)行積分的表面元前面討論了由電路理論導(dǎo)出傳輸線方程，并由Maxwell方程導(dǎo)36∵沿著陰影區(qū)邊界進(jìn)行線積分其中，和分別是下（用指數(shù)1表示）平板和上（用指數(shù)2表示）平板的電場；而和是在位置z和之間電介質(zhì)中的電場。∵沿著陰影區(qū)邊界進(jìn)行線積分其中，和37假設(shè)在介質(zhì)中磁場是均勻的，則∴利用，則假設(shè)在介質(zhì)中磁場是均勻的，則∴利用，則38由上式變換得上式中，是平板的表面電阻是平板的高頻自感是平板導(dǎo)體間的互感由上式變換得上式中，是平板的表面電阻是平板的高頻自感是平板導(dǎo)39對下圖所示表面元應(yīng)用方程P40圖2.19對下圖所示表面元應(yīng)用方程P40圖2.1940應(yīng)用安培定律的表面元應(yīng)用安培定律的表面元41用類似的方法可得故以上討論的關(guān)鍵是W>>d，否則失敗。用類似的方法可得故以上討論的關(guān)鍵是W>>d，否則失敗。422.波導(dǎo)縱向場表示橫向場上式中，2.波導(dǎo)縱向場表示橫向場上式中，43對于正弦電磁場，波動方程為∵∴故同理對于正弦電磁場，波動方程為∵∴故同理44討論：因為波導(dǎo)內(nèi)媒質(zhì)無耗，所以，令kc是由邊界條件確定的本征值，它決定了傳輸系統(tǒng)的場型（或模式）?！摺喈?dāng)時，、稱為TEM波，與傳輸頻率無關(guān)。場方程為，與靜態(tài)場類似。討論：因為波導(dǎo)內(nèi)媒質(zhì)無耗，所以，令kc是由邊界條件確定的本征45當(dāng)時若，稱TE波；若，稱TM波；若，，稱快波；若，，沿z方向場衰減而相位不變，稱為截止?fàn)顟B(tài)。，沿z方向無波的傳輸，kc稱為截止波數(shù)。稱為截止波長；若，當(dāng)時若，稱TE波；若46時，稱慢波，傳輸系統(tǒng)由阻抗壁構(gòu)成（光滑壁是快波）；金屬波導(dǎo)相當(dāng)于高通濾波器。相關(guān)內(nèi)容見P184~188時，稱慢波，傳輸系統(tǒng)由阻抗壁構(gòu)成（光滑壁是快波）；金屬波導(dǎo)相47TEM波：分離變量法求解的步驟：通解；邊界條件；確定系數(shù)。詳見P188~192TEM波：分離變量法求解的步驟：詳見P188~19248TE波：詳見P193~194①②③④⑤H10波的性質(zhì)TE波：詳見P193~194①H10波的性質(zhì)49圓柱波導(dǎo)：詳見197~202圓柱波導(dǎo)：詳見197~20250詳見P202~206波導(dǎo)中傳輸?shù)哪芰颗c損耗詳見P202~206波導(dǎo)中傳輸?shù)哪芰颗c損耗513.諧振腔∵∴

集中參數(shù)諧振腔必須過渡到分布參數(shù)諧振腔P214圖8.9.13.諧振腔∵∴集中參數(shù)諧振腔必須過渡到分布參數(shù)諧振腔P252對圖8.9.3（P215）所示的矩形波導(dǎo)諧振腔，腔內(nèi)場分布可由入射場與反射場疊加來求得。由于矩形波導(dǎo)內(nèi)的TEmn和TMmn模的橫向電場可寫為（Ex，Ey）對圖8.9.3（P215）所示的矩形波導(dǎo)諧振腔，腔內(nèi)場分布可53∵，處，處，∴這表明諧振腔的長度必須為半波導(dǎo)波長的整倍數(shù)，由此可得∵，處，處