第20讲 均匀平面电磁波的传播(2).ppt

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1、 均匀平面电磁波的传播（均匀平面电磁波的传播（2）极化、色散、群速极化、色散、群速第第第第2020讲讲讲讲目录目录J均匀平面波在均匀平面波在导电媒质中的传导电媒质中的传播播一般导电媒质一般导电媒质一般导电媒质一般导电媒质良导电媒质良导电媒质良导电媒质良导电媒质J色散与群速色散与群速弱导电媒质弱导电媒质弱导电媒质弱导电媒质J各向异性媒质中各向异性媒质中传播（简介）传播（简介）2 2 电磁波的极化电磁波的极化2.1 极化的概念极化的概念 2.2 线极化波线极化波2.3 圆极化波圆极化波2.4 椭圆极化波椭圆极化波2.5 极化波的合成与分解极化波的合成与分解2.6 极化的工程应用极化的工程应用2.1

2、 2.1 2.1 2.1 极化的概念极化的概念极化的概念极化的概念 波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变 化的特性化的特性,是电磁理论中的一个重要概念。是电磁理论中的一个重要概念。在在电电磁磁波波传传播播空空间间给给定定点点处处，电电场场强强度度矢矢量量的的端端点点随随时时间间变变化化的轨迹。的轨迹。波的极化波的极化 一般情况下，沿一般情况下，沿+z+z方向传播的均匀平面波方向传播的均匀平面波 ，其中其中 电磁波的极化状态取决于电磁波的极化状态取决于Ex和和Ey的振幅之间和相位之间的关的振幅之间和相位之间的关系，分为：系，分为

3、：线极化、圆极化、椭圆极化线极化、圆极化、椭圆极化。极化的三种形式极化的三种形式 线极化线极化：电场强度矢量的端点轨迹为一直线段：电场强度矢量的端点轨迹为一直线段 圆极化圆极化：电场强度矢量的端点轨迹为一个圆：电场强度矢量的端点轨迹为一个圆 椭圆极化椭圆极化：电场强度矢量的端点轨迹为一个椭圆：电场强度矢量的端点轨迹为一个椭圆2.2 2.2 2.2 2.2 线极化波线极化波线极化波线极化波随时间变化随时间变化 条件条件：或或 合成波电场的模合成波电场的模 合成波电场与合成波电场与+x 轴的夹角轴的夹角 特点特点：合成波电场的大小随时间变化但其矢：合成波电场的大小随时间变化但其矢 端，轨端，轨 迹

4、与迹与x轴的夹角始终保持不变。轴的夹角始终保持不变。结论结论：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的 线极化波，当它们的相位相同或相差为线极化波，当它们的相位相同或相差为 时，其合时，其合 成波为线极化波。成波为线极化波。常数常数2.3 2.3 2.3 2.3 圆极化波圆极化波圆极化波圆极化波则则 条件条件：合成波电场的模合成波电场的模常数常数 合成波电场与合成波电场与+x 轴的夹角轴的夹角随时间变化随时间变化 特点特点：合成波电场的大小不随时间改变，但方向却随时间变合成波电场的大小不随时间改变，但方向却随时间变 化，电场的矢端在一个圆上

5、并以角速度化，电场的矢端在一个圆上并以角速度 旋转旋转。结论结论：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的 线极化波，线极化波，当它们的振幅相同、相位差为当它们的振幅相同、相位差为/2 时，时，其合成波为圆极化波。其合成波为圆极化波。右旋圆极化波右旋圆极化波oExyxE Eya 左旋圆极化波左旋圆极化波oxEyxEyEa 右旋圆极化波右旋圆极化波：若若xy/2，则电场矢端的旋转方向与，则电场矢端的旋转方向与 电磁波传播方向成右手螺旋关系，称为右旋圆极化波电磁波传播方向成右手螺旋关系，称为右旋圆极化波 左旋圆极化波左旋圆极化波：若若xy/2，

6、则电场矢端的旋转方向与，则电场矢端的旋转方向与 电磁波传播方向成左手螺旋关系，称为左旋圆极化波电磁波传播方向成左手螺旋关系，称为左旋圆极化波其它情况下，令其它情况下，令，由由2.4 2.4 2.4 2.4 椭圆极化波椭圆极化波椭圆极化波椭圆极化波可得到可得到 特点特点：合成波电场的大合成波电场的大 小小和和方方向向都都随随时时间间 改改变变，其其端端点点在在一一 个椭圆上旋转。个椭圆上旋转。合成波极化的小结合成波极化的小结合成波极化的小结合成波极化的小结 线极化：线极化：=0=0、；=0=0，在，在1 1、3 3象限，象限，=，在，在2 2、4 4象限象限 椭圆极化：椭圆极化：其它情况；其它情

7、况；0，右旋，右旋，0，左旋，左旋 圆极化：圆极化：=/2/2，E Exmxm =E Eymym；取取“”，右右旋旋圆圆极极化化，取取“”，左左旋旋圆圆极极化化 电磁波的极化状态取决于电磁波的极化状态取决于Ex和和Ey的振幅的振幅Exm、Eym和相位差和相位差 xy 对于对于沿沿+z 方向传播的均匀平面波：方向传播的均匀平面波：例例1 说明下列均匀平面波的极化方式。说明下列均匀平面波的极化方式。(1)(2)(3)(4)解解：（1）（2）（3）（4）左旋圆极化波左旋圆极化波右旋圆极化波右旋圆极化波线极化波线极化波左旋椭圆极化波左旋椭圆极化波2.5 2.5 2.5 2.5 极化波的分解极化波的分解

8、极化波的分解极化波的分解q任何一个线极化波都可以表示成旋向相反、振幅相等的两圆极任何一个线极化波都可以表示成旋向相反、振幅相等的两圆极化波的叠加化波的叠加,即即q任何一个椭圆极化波也可以表示成旋向相反、振幅不等的两圆任何一个椭圆极化波也可以表示成旋向相反、振幅不等的两圆极化波的叠加，即极化波的叠加，即q任何一个线极化波、圆极化波或椭圆极化波可分解成两个线极任何一个线极化波、圆极化波或椭圆极化波可分解成两个线极化波的叠加化波的叠加电磁波的极化在许多领域中获得了广泛应用。如：电磁波的极化在许多领域中获得了广泛应用。如：5.6 5.6 5.6 5.6 极化波的工程应用极化波的工程应用极化波的工程应用

9、极化波的工程应用 在雷达目标探测的技术中，利用目标对电磁波散射过程中改变在雷达目标探测的技术中，利用目标对电磁波散射过程中改变 极化的特性实现目标的识别极化的特性实现目标的识别 无线电技术中，利用天线发射和接收电磁波的极化特性，实现无线电技术中，利用天线发射和接收电磁波的极化特性，实现 最佳无线电信号的发射和接收。最佳无线电信号的发射和接收。在光学工程中利用材料对于不同极化波的传播特性设计光学偏在光学工程中利用材料对于不同极化波的传播特性设计光学偏 振片等等振片等等 广播、电视、卫星等广播、电视、卫星等2 色散与群速色散与群速 色散现象色散现象：相速随频率变化相速随频率变化群速群速：载有信息的

10、电磁波通常是由一个高频载波和以载频为中心载有信息的电磁波通常是由一个高频载波和以载频为中心 向两侧扩展的频带所构成的波包，波包包络传播的速度就向两侧扩展的频带所构成的波包，波包包络传播的速度就 是群速。是群速。单一频率的电磁波不载有任何有用信息，只有由多个频率的单一频率的电磁波不载有任何有用信息，只有由多个频率的 正弦波叠加而成的电磁波才能携带有用信息。正弦波叠加而成的电磁波才能携带有用信息。电电磁磁波波的的传传播播特特性性与与介介质质参参数数(、和和 )有有关关，当当这这些些参参数数和和 传播常数随频率变化时，不同频率电磁波的传播特性就会有传播常数随频率变化时，不同频率电磁波的传播特性就会有

11、 所不同，这就是色散效应，这种媒质称为色散媒质。所不同，这就是色散效应，这种媒质称为色散媒质。两两个个振振幅幅均均为为Em、角角频频率率分分别别为为+和和 、相相位位常常数分别为数分别为 +和和 的同向行波的同向行波振幅，包络波，以角频率振幅，包络波，以角频率 缓慢变化缓慢变化 不同频率电磁波的叠加不同频率电磁波的叠加行行波波因因子子，代代表表沿沿z 轴传播的行波轴传播的行波合成波电场合成波电场包络波，速度包络波，速度vgz载波，速度载波，速度vp 无色散无色散 正常色散正常色散 反常色散反常色散 群速群速vg：包络波的恒定相位点推进速度包络波的恒定相位点推进速度由由 相速相速vp：载波的载波

12、的的恒定相位点推进速度的恒定相位点推进速度 例例 载频为载频为 f=100kHz 的窄频带信号在海水中传播，试求群速。的窄频带信号在海水中传播，试求群速。解解：海海水水的的参参数数：=4S/m、r=81、r=1，当当 f=100kHz时时，有有可视为良导体可视为良导体vg vp 反常色散媒质反常色散媒质自然界中等离子体很多，位于地球上空自然界中等离子体很多，位于地球上空 60 2000 公里处的电离层公里处的电离层就是这种等离子体。此之外，还有太阳、流星余迹、火箭喷出的就是这种等离子体。此之外，还有太阳、流星余迹、火箭喷出的废气、电弧以及燃烧的火焰等也都是等离子体。废气、电弧以及燃烧的火焰等也

13、都是等离子体。3均匀平面波在各向异性媒质中的传播均匀平面波在各向异性媒质中的传播 等离子体是电离了的气体，它由大量带负电的电子、带正电的离等离子体是电离了的气体，它由大量带负电的电子、带正电的离子以及中性粒子组成。子以及中性粒子组成。等离子体的基本特征之一是带负电的电子与带正电的离子具有相等离子体的基本特征之一是带负电的电子与带正电的离子具有相等的电量，因而等离子体在宏观上仍是电中性的。等的电量，因而等离子体在宏观上仍是电中性的。分析等离子体中电磁波传播的方法是把等离子体等效看成介分析等离子体中电磁波传播的方法是把等离子体等效看成介质。质。首先通过电磁场与等离子体之间相互作用的物理过程，求出首

14、先通过电磁场与等离子体之间相互作用的物理过程，求出电离层的等效的介电常数，然后，再讨论平面波在这种电各向异电离层的等效的介电常数，然后，再讨论平面波在这种电各向异性媒质中的传播特性。性媒质中的传播特性。当电磁波在等离子体中传播时，等离子体中的电子和离子在当电磁波在等离子体中传播时，等离子体中的电子和离子在电磁场的作用下运动形成电流，这种由带电粒子运动形成电流称电磁场的作用下运动形成电流，这种由带电粒子运动形成电流称为运流电流，这一运流电流决定等离子体的等效介电常数。为运流电流，这一运流电流决定等离子体的等效介电常数。如果有一个较强的外加恒定磁场作用于等离子体使其磁化，如果有一个较强的外加恒定磁场作用于等离子体使其磁化，这时等离子体显示电各向异性的特点，其等效介电常数是一个张这时等离子体显示电各向异性的特点，其等效介电常数是一个张量。量。