高等電磁場(chǎng)考試復(fù)習(xí)習(xí)題

高等電磁場(chǎng)考試復(fù)習(xí)習(xí)題目錄contents電磁場(chǎng)基本理論靜電場(chǎng)與恒定電場(chǎng)時(shí)變電磁場(chǎng)與平面波傳播傳輸線理論與微波技術(shù)基礎(chǔ)輻射與散射問(wèn)題初步探討高等電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法簡(jiǎn)介01電磁場(chǎng)基本理論

電磁場(chǎng)概念及性質(zhì)電磁場(chǎng)定義電磁場(chǎng)是由變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互激發(fā)、相互依存而形成的統(tǒng)一體。電磁場(chǎng)性質(zhì)電磁場(chǎng)具有能量、動(dòng)量和角動(dòng)量等物理屬性，且服從疊加原理。電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用電磁場(chǎng)與物質(zhì)之間存在相互作用，包括電磁感應(yīng)、電磁輻射等現(xiàn)象。麥克斯韋方程組由高斯定律、高斯磁定律、法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律四個(gè)方程組成。方程組構(gòu)成方程物理意義方程應(yīng)用麥克斯韋方程組揭示了電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷、電流之間的內(nèi)在聯(lián)系，是電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)。麥克斯韋方程組可應(yīng)用于求解各種電磁場(chǎng)問(wèn)題，如電磁波的傳播、散射、輻射等。030201麥克斯韋方程組電磁場(chǎng)在不同媒質(zhì)的分界面上滿足一定的邊界條件，包括電場(chǎng)和磁場(chǎng)的切向分量連續(xù)、法向分量滿足特定的跳躍關(guān)系等。邊界條件當(dāng)電磁場(chǎng)從一個(gè)區(qū)域過(guò)渡到另一個(gè)區(qū)域時(shí)，需要滿足銜接條件，以確保電磁場(chǎng)在整個(gè)空間內(nèi)的連續(xù)性和唯一性。銜接條件邊界條件和銜接條件在求解電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)具有重要作用，如求解電磁波的反射、折射等問(wèn)題時(shí)需要用到這些條件。應(yīng)用舉例邊界條件與銜接條件電磁波傳播特性電磁波分類(lèi)應(yīng)用領(lǐng)域傳播速度傳播特性根據(jù)頻率和波長(zhǎng)的不同，電磁波可分為無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線和伽馬射線等。電磁波在真空中的傳播速度等于光速，且與傳播方向無(wú)關(guān)；在媒質(zhì)中傳播時(shí)，速度會(huì)發(fā)生變化。電磁波具有直線傳播、反射、折射、繞射和散射等傳播特性。電磁波廣泛應(yīng)用于通信、廣播、雷達(dá)、遙感、醫(yī)療等領(lǐng)域。02靜電場(chǎng)與恒定電場(chǎng)描述電場(chǎng)與電荷分布的關(guān)系，通過(guò)高斯面電通量計(jì)算封閉曲面內(nèi)的電荷量。高斯定理表明靜電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分等于零，即靜電場(chǎng)是保守場(chǎng)。靜電場(chǎng)環(huán)路定理描述空間電荷分布與電位的關(guān)系，用于求解靜電場(chǎng)問(wèn)題。泊松方程靜電場(chǎng)基本方程電位梯度描述電位在空間中的變化率，即電場(chǎng)強(qiáng)度等于電位的負(fù)梯度。電位定義單位正電荷從某點(diǎn)移動(dòng)到無(wú)窮遠(yuǎn)處電場(chǎng)力所做的功，表示該點(diǎn)在電場(chǎng)中的勢(shì)能差。等勢(shì)面與等勢(shì)線連接電位相等的點(diǎn)構(gòu)成的曲面或曲線，表示電場(chǎng)中勢(shì)能相等的區(qū)域。電位及其梯度概念導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零，表面為等勢(shì)面，電荷分布在導(dǎo)體表面。導(dǎo)體靜電平衡條件介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化電荷，影響原電場(chǎng)分布。介質(zhì)極化現(xiàn)象描述不同介質(zhì)分界面上電場(chǎng)與電位的關(guān)系，用于求解復(fù)雜靜電場(chǎng)問(wèn)題。邊界條件描述導(dǎo)體或介質(zhì)在電場(chǎng)中的儲(chǔ)能性質(zhì)，反映靜電場(chǎng)的能量特性。電容與部分電容導(dǎo)體與介質(zhì)中靜電場(chǎng)分析恒定電場(chǎng)定義歐姆定律焦耳定律基爾霍夫定律恒定電場(chǎng)基本性質(zhì)01020304不隨時(shí)間變化的電場(chǎng)，即電場(chǎng)強(qiáng)度和電位均不隨時(shí)間改變。描述導(dǎo)體中電流與電壓的關(guān)系，即電流密度等于電導(dǎo)率與電場(chǎng)的乘積。描述電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量與電流、電阻和時(shí)間的關(guān)系。包括電流定律和電壓定律，分別描述電路中節(jié)點(diǎn)電流和回路電壓的關(guān)系。03時(shí)變電磁場(chǎng)與平面波傳播麥克斯韋方程組描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的四個(gè)基本方程。波動(dòng)方程由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出的描述電磁波傳播的偏微分方程。邊界條件電磁場(chǎng)在不同媒質(zhì)分界面上應(yīng)滿足的條件，如電場(chǎng)和磁場(chǎng)的切向分量連續(xù)等。時(shí)變電磁場(chǎng)基本方程平面波在自由空間中沿直線傳播，方向由波矢確定。傳播方向平面波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量在空間中的分布規(guī)律，呈正弦或余弦函數(shù)形式。場(chǎng)強(qiáng)分布平面波攜帶的能量沿傳播方向流動(dòng)，能量密度與場(chǎng)強(qiáng)平方成正比。能量傳播平面波在自由空間中傳播特性03色散現(xiàn)象不同頻率的平面波在介質(zhì)中的傳播速度不同，導(dǎo)致波包在傳播過(guò)程中發(fā)生變形。01傳播速度平面波在介質(zhì)中的傳播速度小于真空中的光速，與介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān)。02衰減特性平面波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，衰減程度與介質(zhì)的電導(dǎo)率、磁損耗等因素有關(guān)。平面波在介質(zhì)中傳播特性折射定律平面波從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變，折射角與入射角和兩種媒質(zhì)的折射率有關(guān)。全反射現(xiàn)象當(dāng)平面波從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)且入射角大于臨界角時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，即全部能量被反射回原媒質(zhì)中。反射定律平面波在兩種媒質(zhì)分界面上發(fā)生反射時(shí)，入射角等于反射角。反射、折射及全反射現(xiàn)象04傳輸線理論與微波技術(shù)基礎(chǔ)包括電報(bào)方程和波動(dòng)方程，用于描述傳輸線上的電壓、電流與時(shí)間和位置的關(guān)系。傳輸線方程包括特性阻抗、傳播常數(shù)、衰減常數(shù)和相移常數(shù)等，這些參數(shù)決定了傳輸線的傳輸特性。傳輸線參數(shù)通過(guò)給定的傳輸線結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性，可以計(jì)算得到傳輸線的各項(xiàng)參數(shù)。傳輸線參數(shù)計(jì)算方法傳輸線方程及參數(shù)計(jì)算123包括行波狀態(tài)、駐波狀態(tài)和行駐波狀態(tài)等，不同狀態(tài)下傳輸線的電壓和電流分布不同。傳輸線的工作狀態(tài)通過(guò)解析法或數(shù)值法求解傳輸線方程，可以得到傳輸線上任意位置的電壓和電流分布，進(jìn)而分析傳輸線的工作狀態(tài)。傳輸線工作狀態(tài)分析方法為了實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸或最小反射，需要對(duì)傳輸線進(jìn)行匹配與調(diào)諧，使得負(fù)載阻抗與傳輸線特性阻抗相匹配。傳輸線匹配與調(diào)諧傳輸線工作狀態(tài)分析微波技術(shù)基礎(chǔ)概念微波的定義與特點(diǎn)微波是指頻率在300MHz至300GHz之間的電磁波，具有波長(zhǎng)短、頻率高、穿透性強(qiáng)等特點(diǎn)。微波傳輸線用于傳輸微波信號(hào)的傳輸線，包括同軸線、微帶線、波導(dǎo)等。微波網(wǎng)絡(luò)由微波元件和傳輸線組成的網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的傳輸、分配和變換等功能。微波器件包括功率分配器、定向耦合器、濾波器、放大器等，這些器件在微波系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。微波器件的設(shè)計(jì)與選型根據(jù)系統(tǒng)需求和性能指標(biāo)，選擇合適的微波器件并進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的傳輸和處理需求。微波元件包括電阻、電容、電感等被動(dòng)元件和二極管、三極管等主動(dòng)元件，這些元件在微波頻段具有特殊的性能和應(yīng)用。微波元件與器件簡(jiǎn)介05輻射與散射問(wèn)題初步探討輻射定義描述輻射現(xiàn)象的物理場(chǎng)，包括電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩部分。輻射場(chǎng)輻射源產(chǎn)生輻射的物體或系統(tǒng)，如天線、電路等。輻射是指能量以電磁波的形式由源點(diǎn)向周?chē)臻g傳播的過(guò)程。輻射問(wèn)題基本概念偶極子輻射01由一對(duì)相等且反向的電荷或電流產(chǎn)生的輻射現(xiàn)象。天線輻射原理02天線通過(guò)變換傳輸線上的導(dǎo)行波為自由空間波，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波與空間波之間的轉(zhuǎn)換。天線輻射性能與其結(jié)構(gòu)、尺寸、材料等因素密切相關(guān)。輻射方向圖03描述天線輻射場(chǎng)在空間中分布的圖形，反映了天線輻射的強(qiáng)度和方向性。偶極子輻射和天線輻射原理當(dāng)電磁波遇到尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的物體時(shí)，會(huì)在物體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流并重新輻射，形成散射場(chǎng)。散射定義引起散射的物體，其形狀、尺寸、介電常數(shù)等特性會(huì)影響散射場(chǎng)的分布。散射體由散射體產(chǎn)生的二次輻射場(chǎng)，其強(qiáng)度、方向和極化狀態(tài)等特性與散射體和入射波有關(guān)。散射場(chǎng)散射問(wèn)題基本概念RCS定義雷達(dá)散射截面是衡量目標(biāo)散射強(qiáng)弱的物理量，表示目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生回波強(qiáng)度的一種指標(biāo)。RCS計(jì)算方法包括理論計(jì)算、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等方法。其中，數(shù)值計(jì)算方法如矩量法、有限元法、時(shí)域有限差分法等被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)的RCS計(jì)算中。RCS影響因素目標(biāo)的形狀、尺寸、材料、結(jié)構(gòu)以及入射波的頻率、極化方式和角度等都會(huì)影響目標(biāo)的RCS值。雷達(dá)散射截面（RCS）計(jì)算06高等電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法簡(jiǎn)介原理基于差分原理，將連續(xù)電磁場(chǎng)問(wèn)題離散化為差分方程進(jìn)行求解。應(yīng)用適用于規(guī)則區(qū)域的電磁場(chǎng)計(jì)算，如矩形波導(dǎo)、同軸電纜等。優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)單易懂，計(jì)算量較小，但對(duì)于復(fù)雜邊界和不規(guī)則區(qū)域處理較為困難。有限差分法（FDM）原理及應(yīng)用應(yīng)用適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和不規(guī)則區(qū)域的電磁場(chǎng)計(jì)算，如電機(jī)、變壓器等。優(yōu)缺點(diǎn)處理復(fù)雜邊界和不規(guī)則區(qū)域能力強(qiáng)，但計(jì)算量較大，需要較高的計(jì)算機(jī)性能。原理將連續(xù)電磁場(chǎng)分割為有限個(gè)小單元，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行近似求解，再通過(guò)整體組裝得到整個(gè)區(qū)域的解。有限元法（FEM）原理及應(yīng)用原理將電磁場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為矩陣方程進(jìn)行求解，通過(guò)選擇合適的基函數(shù)和權(quán)函數(shù)將連續(xù)問(wèn)題離散化。應(yīng)用適用于開(kāi)放區(qū)域和輻射問(wèn)題的電磁場(chǎng)計(jì)算，如天線輻射、散射問(wèn)題等。優(yōu)缺點(diǎn)精度高，適用于開(kāi)放區(qū)域和輻射問(wèn)題，但計(jì)算復(fù)雜度較高，需要較大的存儲(chǔ)空間。矩量法（MoM）原理及應(yīng)用030201混合方法和其他先進(jìn)算法將不同數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行組合，以充分利用各自的優(yōu)