电磁辐射与电磁波教学课件.ppt

**电磁波的反射和折射1边界条件电磁波在两种媒质界面处的行为由边界条件决定：切向电场分量连续；切向磁场分量不连续，差值等于界面电流密度；法向电感应分量连续；法向电位移分量不连续，差值等于界面电荷密度。这些条件源于麦克斯韦方程组，是解决界面问题的基础。2反射和折射定律电磁波在平面界面上的反射和折射遵循：入射角等于反射角（反射定律）；折射角正弦与入射角正弦之比等于两种媒质中波速之比（斯涅尔定律）。入射波、反射波和折射波的频率相同，但波长、传播速度和波阻抗不同。3反射系数和透射系数反射系数Γ表示反射波与入射波复振幅之比，透射系数T表示折射波与入射波复振幅之比。对于垂直入射情况，Γ=(Z?-Z?)/(Z?+Z?)，T=2Z?/(Z?+Z?)，其中Z?、Z?为两种媒质的波阻抗。反射系数和透射系数与媒质的波阻抗、入射角和极化方式有关。全反射和临界角临界角定义当电磁波从光密介质（折射率n?）进入光疏介质（折射率n?，n?全反射现象当入射角大于临界角时，电磁波不再向第二种介质中折射，而是全部反射回第一种介质，这种现象称为全反射。在全反射过程中，能量完全被反射，没有能量传入第二种介质，但电磁场仍有少量能量以近场形式穿透界面。应用实例全反射现象在光纤通信中应用广泛。光纤由芯和包层构成，芯的折射率大于包层。当光在芯中传播时，入射到芯-包层界面的角度大于临界角，发生全反射，使光信号沿光纤芯传播，实现远距离通信。棱镜和光学仪器中也常利用全反射原理。第五章：导行电磁波导行电磁波是指在特定结构的传输介质中传播的电磁波，与自由空间传播的电磁波相比，它具有方向性好、能量损耗小等优点。常见的导行电磁波传输结构包括传输线、波导和光纤等。传输线主要用于低频电磁波传输，如同轴电缆、双绞线；波导适用于微波和毫米波频段，如矩形波导、圆波导；光纤则用于光波传输。这些结构能高效地引导电磁波沿特定方向传播，减少能量损耗和外部干扰，是现代通信系统的重要组成部分。传输线理论特性阻抗(Ω)最大工作频率(GHz)传输线是一种用于传输电磁能量的导体系统，由两个平行导体组成，如双绞线、同轴电缆等。传输线理论使用分布参数模型描述电磁波在传输线上的传播行为，主要参数包括：单位长度电阻R、电感L、电导G和电容C。传输线方程是描述传输线上电压V(z,t)和电流I(z,t)分布的基本方程：?V/?z=-L?I/?t-RI和?I/?z=-C?V/?t-GV。对于无损耗线，传输线特性阻抗Z?=√(L/C)，表示传输线上电压与电流的比值，是匹配设计的关键参数。史密斯圆图圆图原理史密斯圆图是复阻抗平面上的共形映射，将负载阻抗与反射系数之间的复杂关系转化为直观的图形表示。圆图基于反射系数Γ=(Z-Z?)/(Z+Z?)，其中Z为负载阻抗，Z?为特性阻抗。圆图的横轴代表实部，纵轴代表虚部，圆的半径为1。主要特性史密斯圆图具有几个重要特性：圆图上每点对应一个归一化阻抗Z/Z?；沿传输线移动时，阻抗点在圆图上绕中心旋转；匹配点位于圆图中心；短路点位于最左端，开路点位于最右端；恒定电阻线为圆，恒定电抗线为圆弧。实际应用史密斯圆图广泛应用于微波网络设计和阻抗匹配。通过圆图可以直观地确定最佳匹配位置，计算驻波比和反射损耗，设计匹配网络，以及确定传输线的长度调整等。这使复杂的微波分析变得直观和高效。矩形波导基本结构矩形波导是横截面为矩形的中空金属管，内部充满空气或介质1工作模式支持TE模和TM模，基模为TE??，具有最低截止频率2主要参数截止频率、波长、阻抗和传播常数随频率和模式变化3应用领域雷达系统、微波通信、卫星通信和微波测量设备4矩形波导是最常用的波导类型，其传播特性由波导尺寸决定。对于尺寸为a×b的矩形波导（通常ab），TE??模和TM??模的截止频率为：fc=(c/2)√[(m/a)2+(n/b)2]，其中c为光速，m和n为模式指数。基模TE??的截止频率最低，为fc=c/(2a)。波导尺寸通常设计为工作波长的0.6至0.9倍，以确保单模传输。工作频率必须高于截止频率，否则电磁波将不能在波导中传播。矩形波导因其结构简单、制造方便、功率容量大而被广泛应用于微波频段的电磁波传输。圆柱波导1基本结构圆柱波导是横截面为圆形的中空金属管，内部通常充满空气或介质。其几何参数主要是内径a，决定了波导的电磁特性。圆柱波导比矩形波导在机械强度和工艺上具有优势，特别适合旋转对称系统。2传播模式圆柱波导支持TE??和TM??模式，其中m表示周向变化，n表示径向变化。常用的基本模式是TE??，具有最低截止频率fc=1.841c/(2πa)，其中c为光速。TM??模式的截止频率为fc=