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第4章-电磁波的传播概要.ppt

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第4章-电磁波的传播概要第4章-电磁波的传播概要

若电磁场的振荡频率ω足够大,使得而 , 是实数,根据场的表达式中因子 ,看到场沿着z方向传播,它是行波。 若电磁场的振荡频率ω足够小,以致于 则 是纯虚数,显然由因子 看到,这不再是行波,而是场随着z的增加而指数衰减,所以此时电磁场不能在该波导内以TEmn或TMmn波型传播。 把能够在波导中传播的波的最低频率称为该波的截止频率(cut-off frequency )。 对于(m,n)型波的截止角频率为 只有频率 的电磁波才能在波导中传播. 截止波长(cut-off wavelength)为: ——最大波长 在波导内能够通过的最大波长为2a。由于波导的几何尺寸不能做得过大,用波导来传输较长的无线电波是不实际的。在厘米波段,波导的应用最广。 中有 ,这里的 是电磁波在自由空间中的传播速度,不是在波导中的传播速度。那么电磁波在波导中的传播速度有多大呢? 相速度与群速度 群速度(ug )是指脉冲波的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度,它是波群的能量传播速度。而相速度(u)是波上相位固定的一点传播方向的传播速度。 考虑两个振幅相同,频率ω1和ω2略有差异的谐波的传播问题,有 低频项 高频项 调制波包 (低频) 载波(高频) 波群 相速 群速 因此相速度 群速度 当m=1,n=0时,kx=?/a ,ky=0。对TE波有Ez=0,因而A3=0. 4. TE10波的电磁场和管壁电流 由系数约束式 得A1 =0. 把常数A2写为 TE10波的电磁场 式中只有一个待定常数H0,其值由激发功率确定。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TE10波的电磁场图景 电场只有Ey分量,所以E平行于y轴. 磁场无Hy分量,磁场线在垂直于y轴平面内闭合. 由于 ,a边所对应的半波数为1. E和H的各个分量与y无关,在垂直与b上的任何 剖面和上图一样. 由图看出,在TE10波情形,波导窄边上没有纵向电流,电流是横过窄边的。因此在波导窄边上任何纵向裂缝都对TE10波的传播有较大的扰动,并导致由裂缝向外辐射电磁波,但横向裂缝却不会影响电磁波在管内的传播。 由 ,管壁上电流和边界上的磁感线正交。TE10波的管壁电流分布如图所示。 由图还可看出,在波导宽边中线上,横向电流为零。因此,开在波导宽边中部的纵向裂缝不会影响TE10波的传播,这种裂缝广泛地应用于用探针测量波导内物理量的技术中 。 第4章 主要内容回顾 一、时谐平面电磁波 运动方程 运动方程的解(电磁场) 电磁场性质讨论如下: 1、波矢 2、相速度 3、电磁场和波矢的关系 4、电磁场的能量密度和能流密度 5、电磁场的介质边值关系 反射和散射定律 Fresnel’s公式 Brewster’s角 光疏介质入射到光密介质 半波损失 反射系数和折射系数 全反射临界角 全反射条件下: 折射波只余切向电磁波,法向电磁波是衰减波。并且入射与反射电磁波还有一定的相位差。 6、电磁场的导体边值关系 导体中电荷分布 导体中运动方程 良导体情况下有 穿透深度 二、波导中电磁波 波动方程 边值关系 解的形式 边值关系可得 截止频率 截止波长 最小截止频率 最大截止波长 * * 2.理想导体边界条件 实际导体虽然不是理想导体,但是象银或铜等金属导体,对无线电波来说,透入其内而损耗的电磁能量一般很小,接近于理想导体。因此,分析实际问题时,在第一级近似下,可以先把金属看作理想导体,把问题解出来,然后在第二级近似下,再考虑有限电导率引起的损耗。 在第二节中我们阐明在一定频率的电磁波情形,两不同介质(包括导体)界面上的边值关系可以归结为 式中n为由介质1指向介质2的法线。这两关系满足后,另外两个关于法向分量的关系自然能够满足。 取角标1、2分别代表理想导体和真空或绝缘介质。取法线由导体指向介质中。在理想导体情况下,导体内部没有电磁场(对实际导体来说,应为导体内部足够深处,例如离表面几个穿透深度处,该处实际上已没有电磁场),因此,E1=H1=0。 导体表面边界条件 略去角标 2,以E和H表示介质一侧处的场强,有边界条件 自然满足 理想导体界面边界条件可以表述为:电场线与界面正交,磁感应线与界面相切。 实际求解时,先看方程?·E=0对边界电场的限制往往是方便的。在边界面上,若取x,y轴在切面上,z轴沿法线方向,由于该处Ex=Ey=0,因此方程?·E=0在靠近边界上为

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