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工程电磁场5 平面电磁波.ppt

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文档介绍:工程电磁场5 平面电磁波
1. 电磁波分类
TEM波:E和H均匀分布在与传播方向垂直的横平面内,称横电磁波
TE波:E分量仅分布在与传播方向垂直的横平面内,称横电波,在传播方向仅有H波。
TM波:H分量仅分布在与传播方向垂直的横平x
o
观察平面,z=const
z
显然,电场的振动方向始终是沿x轴方向,所以这是一个沿x方向的线极化波。
y
z
x
o
三、极化的判断
通过两个相互正交的线极化波叠加,合成得到不同的极化方式。
由电磁波电场场量或者磁场场量,可以判断波的极化方式。
设均匀平面电磁波向+z方向传播,则一般情况下,其电场可以表示为:
由于空间任意点处电场随时间的变化规律相同,故选取z=0点作为分析点,即:
场量表达式中, 的取值将决定波的极化方式。
1、当 时
电场与x轴夹角为:
结论:当 时,电磁波为线极化波。
2、当 且 时
合成电场的模及其与x轴夹角为:
从上可知:合成电场矢量终端形成轨迹为一圆,电场矢量与x轴夹角随时间变化而改变。
如图,当 时,可以判断出:电场矢量终端运动方向与电磁波传播方向满足右手螺旋关系——右旋极化波。
结论:当 且
时,合成波为右旋圆极化波。
同理:当 且
时,合成波为左旋圆极化波。
说明:上述结论适用于向+z方向传播的均匀平面波。
对于向-z方向传播的均匀平面波,其波的极化旋转方向与向+z方向传播的同幅同相波相反。
结论:两个频率相同、传播方向相同的正交电场分量的振幅和相位是任意的,则其合成波为椭圆极化波。
说明:圆极化波和线极化波可看作是椭圆极化波的特殊情况。
3、其他情形
线极化波
圆极化波
椭圆极化
第三节 导电媒质中的均匀平面波
一、导电媒质中的波动方程
在无源的导电媒质区域中,麦克斯韦方程为
第一个方程可以改写为
称为复介电常数或等效介电常数
导电媒质的典型特征是电导率 ≠ 0。
电磁波在其中传播时,有传导电流 存在,同时伴随着电磁能量的损耗,电磁波的传播特性与非导电媒质中的传播特性有所不同。
说明:复介电常数
其中: ,仅与媒质本身介电常数有关;
,与媒质本身导电率和波的频率有关;
为了方便描述导电媒质的损耗特性,引入媒质损耗角正切 (用 表示)的概念。定义:
引入等效复介电常数后,麦克斯韦方程组可记做:
推得导电媒质中的波动方程为:
式中: 称为复波数。
比较损耗媒质中的波动方程和理想介质中的波动方程可知:方程形式完全相同,差别仅在于
二、导电媒质中的波动方程的解
因此,在损耗媒质中波动方程对应于沿+z方向传播的均匀平面波解为:
式中: ,为复数。
可建立方程组:
令 , 则由
所以损耗媒质中波动方程解可以写为:
写成实数形式(瞬时形式),得:
衰减常数
相移常数
传播常数
导电媒质中平面电磁波的电磁场
表明α是说明每单位距离衰减程度的常数,称为电磁波的衰减常数。β表示每单位距离落后的相位,称为相位常数。
其中:
称为导电媒质的波阻抗, 它是一个复数。
导电媒质中均匀平面电磁波的相速度为
波长
其中:
称为导电媒质的波阻抗, 它是一个复数。
(6-31)
导电媒质中的坡印廷矢量的瞬时值、 时间平均值和复坡印廷矢量分别为
三、导电媒质中的平面波的传播特性
1、波的振幅和传播因子
振幅: 随着波传播(z增加),振幅不断减小。
传播因子: 波为均匀平面波(行波)。
2、幅度因子和相位因子
只影响波的振幅,故称为幅度因子;
只影响波的相位,故称为相位因子;其意义
与k相同,即为损耗媒质中的波数。
3、相位速度(波速)
在理想媒质中:
在损耗媒质中:
很明显:损耗媒质中波的相速与波的频率有关。
色散现象:波的传播速度(相速)随频率改变而改变的现象。具有色散效应的波称为色散波。
结论:导电媒质(损耗媒质)中的电磁波为色散波。
4、场量 , 的关系
可以推知:在导电媒质中,场量 , 之间关系与在理想介质中场量间关系相同,即:
式中: 为波传播方向
为导电媒质本征阻抗
(1)
、 、 三者相互垂直,且满足右手螺旋关系
(2)
在导电媒质中,电场