平面电磁波知识讲座

平面电磁波

1 时变电磁场以电磁波的形式存在于时间和空间这个统一的物理世界。

2 研究某一具体情况下电磁波的激发和传播规律，从数学上讲就是求解在这具体条件下Maxwell equations 或wave equations 的解。

3 在某些特定条件下，Maxwell equations 或wave equations 可以简化，从而导出简化的模型，如传输线模型、集中参数等效电路模型等等。

4 最简单的电磁波是平面波。等相面（波阵面）为无限大平面电磁波称为平面波。如果平面波等相面上场强的幅度均匀不变，则称为均匀平面波。

5 许多复杂的电磁波，如柱面波、球面波，可以分解为许多均匀平面波的叠加；反之亦然。故均匀平面波是最简单最基本的电磁波模式，因此我们从均匀平面波开始电磁波的学习。

§ 6.1 波动方程

1 电场波动方程：ερμμε∇+∂∂=∂∂-∇t J t E E ρρρ222

磁场波动方程 J t H H ρρρ⨯-∇=∂∂-∇2

22

με 2 如果媒质导电（意味着损耗），有E J ρ

ρσ=代入上面，则波动方程变为

ερμεμσ∇=∂∂-∂∂-∇222t E t E E ρρρ

02

22=∂∂-∂∂-∇t

H

t H H ρρρμεμσ 如果是时谐电磁场，用场量用复矢量表示，则

ε

ρ

μεωωμσ&&ρ&ρ&ρ∇=

+-∇E E j E 22 022

=+-∇H H j H &

ρ&ρ&ρμεωωμσ

采用复介电常数，ε

μωωε

σ

μεωωμσμεω

&222

)1(=-=-j

j ，上面也可写成 3 在线性、均匀、各向同性非导电媒质的无源区域，波动方程成为齐次方程。

0222=∂∂-∇t E

E ρρμε

02

22=∂∂-∇t

H

H ρρμε 4在线性、均匀、各向同性、导电媒质的无源区域，波动方程成为齐次方程。

0222=∂∂-∂∂-∇t

E

t E E ρρρμεμσ

02

22=∂∂-∂∂-∇t

H

t H H ρρρμεμσ 如果是时谐电磁场，用场量用复矢量表示，并采用复介电常数，

ε

μωωε

σ

μεωωμσμεω&222)1(=-=-j

j ，上面也可写成 022

=+∇E E &

ρ&&ρεμω

022

=+∇H H &ρ&&ρεμω

注意，介电常数是复数代表有损耗。

5 学习要求：推导，数学形式与物理意义的对应。

§ 6.2 均匀平面电磁波

1 波动方程的均匀平面波解

真实的物理世界不存在均匀平面波，它需要无限大的理想介质和无穷大的能量。但离场源很远的局部区域的电磁波可以看成均匀平面波。 2 由均匀平面波的定义，我们可以设电场只与同一坐标分量有关，如直角坐标系中的z 坐标。 3 下面我们首先用Maxwell 方程证明均匀平面波电磁场的纵向分量（平行于传播方向的电磁场分量，此时为z 分量）等于零；其次我们给出非零场分量wave 方程的一般解，由一般解说明波的本质；然后导出均匀平面波的传播特性。

4 把,0,0,0,0=∂∂=∂∂=∂∂=∂∂y

H

x H y E x E ρρρρ代入Maxwell 两个旋度方程，可得 0,0=∂∂=∂∂t

H t E z

z

因此z z H E ,是不随时间变化的常量，相互没有耦合，既与时变电磁场无关，又不包含信息，在时变电磁场中，可令它们为零。故均匀平面波电磁场的纵向分量（平行于传播方向的电磁场分量，此时为z 分量）等于零。

5 现在电场矢量位于x －y 平面，不失一般性，可令x x E a E ρ

ρ=，这时电场波动方程可以简

化为

02

222=∂∂-∂∂t E z E x

x με 其一般解为

)()(21vt z f vt z f E x ++-=

式中με

1

=

v 为波速

6 波动的本质：

令 vt z c -=

场量仅仅与c 有关，c 的值决定场量的处于上面状态。因此c 的值称为相位，上述方程称为等相位面方程。从等相位面方程看，空间坐标的变化与时间坐标的变化可以相互补偿以保持相位或者说场量的恒定，这就是波动的本质。 7电磁波传播方向的判定：

利用等相位面方程判定。如果等相位面方程是vt z c -=，时间t 增加，欲保持相位不变，z 必须增加，因此等相位面是向z 增加方向移动，也就是电磁波传播方向是z +方向。 8 均匀平面波为横电磁波（TEM ）

由5可知，电磁波传播方向为z +和z -方向。电场没有传播方向的分量。电磁波的传播方向通常称为纵向，如果电场和磁场没有传播方向的分量，则该电磁波称为TEM 波（横电磁波）。

9 磁场、磁场与电场的关系、波阻抗：由Maxwell 磁场旋度方程可得

)]()([21vt z f v vt z f v t

E z

H x

y +'+-'--=∂∂-=∇∂∂εε

两边积分可得

()()])([1

])([2121vt z f vt z f Z

vt z f vt z f v H y +--=

+--=ε 式中ε

μ

εμεε==

=-1

)

(v Z 为波阻抗。它仅仅与媒质的参数有关，也称为媒质的本征阻抗。在真空中)(3771200

Ω≈==

πεμZ 。 10 均匀平面波中电场、磁场及电磁波传播方向三者之间的关系：

前面的式中包含着两个方向传播的电磁波，如果只考虑向一个方向，比如z +方向传播的电磁波，则有

)

(1

)

(11vt z f Z

a H a H vt z f a E a E y y y x x x -==-==ρρρρ

ρρ 因此在真空中的均匀平面波，其电场方向、磁场方向及电磁波传播方向三者之间相互正交，满足右手螺旋关系；电场与磁场相位相等；电场与磁场的幅度之比等于波阻抗。 11 电磁能量：

m e H ZH E ωμεεω====2222

1)(2121

故电场能量密度与磁场能量密度相等。（如果不相等会怎样？）

空间任一点电磁波的瞬时能量密度等于电场能量密度与磁场能量密度之和。 12 坡印亭矢量与电磁能量的传播：

v v a E a E a Z E a H a E a H E S z x z x z x z y y x x ρ

ρρρρρρρρρωωμε

εε

μ=====⨯=⨯=222)()(

故均匀平面波电磁波能量沿传播方向以波速传播。