第1章--电磁场理论基础-《微波技术与天线(第2版)》课件.ppt
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1、12目 录绪论第1章 电磁场理论基础第2章 传输线第3章 规则波导和空腔谐振器第4章 无源微波器件第5章 电磁辐射理论基础 第6章 线天线第7章 面天线第8章 电磁场的几个专题名人名事3绪论绪论1.微波的范围频率范围：300MHz到3000GHz波长范围：1m到0.1mm 绪论表0-1 国际无线电波谱的波段划分4绪论绪论1.微波的范围绪论表0-2 微波波段的一种工程划分6绪论绪论2.微波的特点微波的波长很短微波的频率很高微波能穿透电离层，微波具有量子特性 在微波频段，必须用“分布参数”的概念和电磁场方程来分析绪论7绪论绪论3.微波的应用信息类应用雷达 通信 微波遥感 电磁兼容 新能源应用 工业
2、微波加热家用微波炉 微波定向能武器 微波卫星电站 绪论8绪论绪论4.对使用本书的建议使用本教材时，不需预先开设“矢量分析与场论”、“特殊函数”课程。本教材主要由三部分构成，分别是电磁场理论基础（第1章），微波技术（第24章），天线技术（第57章）。使用时可以讲授全部内容（72学时），也可以根据需要选用部分内容，如只讲授电磁场与微波技术部分（50学时），或者只讲授电磁场与天线技术部分（38学时）。为适应各种需求，本教材介绍了3个热门专题，分别是光导纤维、雷达截面积和计算电磁学。可以根据需要选用或让学生自学。绪论101.1 矢量分析1.1.1 矢量和矢量场1.标量和矢量（1）定义标量：只有大小、没
3、有方向的量；如：质量、时间、温度、功、电荷矢量：既有大小又有方向的量；如：力、力矩、速度、加速度、电场强度。注：零既没有大小也没有方向，因常出现在矢量的运 算中，作为约定，将零称为零矢量。第1章 电磁场理论基础111.1.1 矢量和矢量场（2）矢量的表示方法图示：带箭头的线段；书写：黑斜体，如 ；或斜体字母上加一箭头，如 。矢量 的大小称为矢量 的模，记为 或 。矢量 的方向可用单位矢量 （）表示，或 记作 。注：直角坐标系的基矢量用 ，表示；圆柱坐标系的基矢量用 ，表示；球坐标系的基矢量用 ，表示。第1章 电磁场理论基础oP131.1.1 矢量和矢量场（3）位置矢量定义：从坐标原点指向空间位
4、置点的矢量，记为 。直角坐标系中，空间任一点 的位置矢量可用 代表空间点 的位置，函数 可记为 。第1章 电磁场理论基础151.1.1 矢量和矢量场（4）微分元矢量 面微分元矢量通常称为面元矢量dS=ndS法向矢量n的确定 dS为开表面上的面元，n的方向与围成开表面的有向闭合曲线呈右手螺旋关系。dS为闭合曲面上面元，n的方向为闭合面的外法线方向。n第1章 电磁场理论基础图1-1-3 面元矢量图1-1-4 开表面闭合面161.1.1 矢量和矢量场2.标量场与矢量场（1）场的定义：若某时空域内的每一时空点，都对应着某个物理量的一个确定的值，就说在该时空域内确定了该物理量的场。标量场、矢量场静态场、
5、动态场（时谐场）（2）矢量场的力线：表示矢量在空间的分布。有向曲线上任一点的切线方向与该点的场矢量方向相同。有向曲线的疏密程度表示各处矢量的大小及变化趋势。第1章 电磁场理论基础181.1.2 矢量的代数运算3.矢量的乘法（1）矢量的标积（点积）：为标量。等于两矢量的模与两矢量正向夹角的余弦三者之积在直角坐标系中 满足交换律和分配律注：第1章 电磁场理论基础图1-1-5 矢量的标积 191.1.2 矢量的代数运算（2）矢量的矢积（叉积）：为矢量。在直角坐标系中 不满足交换律：注：第1章 电磁场理论基础图1-1-6 矢量的矢积201.1.2 矢量的代数运算 例例1-1-1 三角形的3个顶点为A（
6、0，0，0）、B（4，6，-2）和C（-2，4，8）。（1）求B点和C点的位置矢量B和C之间的夹角；（2）求B点到C点的距离矢量R及R的方向；（3）判断ABC是否为一直角三角形，并求三角形的面积。解：解：(1)(2)ABC为一直角三角形(3)第1章 电磁场理论基础211.1.3 矢量场的散度1.通量元通量 ：场矢量 穿过面元 的通量。通量 ：场矢量 穿过任意曲面 的通量。穿过闭合面的通量：物理意义明确：若 ，体积内存在着流体的源；若 ，体积内存在流体的汇（负源）；若 ，体积内正负源的总和为零。第1章 电磁场理论基础22 例例1-1-2 已知置于坐标原点处的点电荷q的电位移矢量为 。计算通过以坐
7、标原点为球心、半径为R的球面的电通量。解：解：说明：通过封闭球面的电通量 的源是球面内的电荷q，它也是产生矢量场 的源。第1章 电磁场理论基础241.1.3 矢量场的散度（3）散度定理 例例1-1-3 无界空间中，穿出任意闭合曲面S的电通量等于S所围的体积中的总电荷，即 式中，为电荷体密度。试证明：。证明证明 由高斯定理可得第1章 电磁场理论基础251.1.4 矢量场的旋度1.环量流速场中，无漩涡流动时 流体沿闭合回路作漩涡状流动时2.环量面密度第1章 电磁场理论基础图1-1-7 环量面密度定义用图261.1.4 矢量场的旋度3.旋度（1）旋度的定义：若在点M处场矢量A在某方向的环量面密度值最
8、大，并记此最大环量面密度值为R，定义旋度为 旋度的大小等于该点的最大环量面密度值；旋度的方向就是环量面密度取最大模值时所对应的方向。第1章 电磁场理论基础281.1.4 矢量场的旋度（3）旋度的性质 旋度的散度恒等于零。旋度场一定是无散场。（4）斯托克斯定理第1章 电磁场理论基础291.1.5 标量场的梯度1.方向导数方向导数是在给定点标量场沿某个方向的变化率。在直角坐标系中注：是沿l方向的单位矢量，为梯度。第1章 电磁场理论基础图1-1-8 方向导数31 例例1-1-5 求标量函数 的梯度的散度。第1章 电磁场理论基础解解:注：为拉普拉斯（Laplace）运算。321.1.6 亥姆霍兹定理亥
9、姆霍兹定理表述1：对于有限区域内任意一个矢量场，若给定其散度和旋度，则该矢量场就被确定，最多只差一个附加的常矢量；若同时给定了矢量场的散度、旋度和边界条件，则这个矢量场就被唯一确定，并且该矢量场可表示成一个无旋场和无散场之和。表述2：设矢量场 在无限空间中处处单值，且其导数连续有界，则当矢量场的散度及旋度给定后，该矢量场可表示为 第1章 电磁场理论基础331.2 麦克斯韦方程和边界条件1.微分形式2.积分形式1.2.1 麦克斯韦方程的一般形式第1章 电磁场理论基础34各向同性线性媒质1.2.1 麦克斯韦方程的一般形式3.电流连续性方程4.媒质的本构关系第1章 电磁场理论基础351.2.2 麦克
10、斯韦方程的复数形式1.时谐场的复数形式第1章 电磁场理论基础36 例题例题1-2-1 将下列场量的复数形式变换为瞬时表达式，或作相反变换。式中，是实振幅。1）；2）；3）。第1章 电磁场理论基础解解 1）2）3）371.2.2 麦克斯韦方程的复数形式2.将麦克斯韦方程的一般形式写成复数形式 第1章 电磁场理论基础电流连续性方程的复数形式：381.2.3 边界条件1.一般情况（1）D和B的法向分量边界条件第1章 电磁场理论基础图1-2-1 的法向分量边界条件391.2.3 边界条件（2）E和H切向分量的边界条件 第1章 电磁场理论基础图1-2-2 的切向分量边界条件401.2.3 边界条件综上所
11、述，时变电磁场边界条件的一般形式为第1章 电磁场理论基础411.2.3 边界条件两种无耗媒质的分界面（、）理想介质和理想导体的分界面（、）2.两种特殊情况 第1章 电磁场理论基础注：n是理想导体表面的外法向。42 例题例题1-2-2 矩形波导的截面尺寸及它所在的坐标系如图所示，试求矩形波导的边界条件。第1章 电磁场理论基础解解：利用理想介质和理想导体的分界面边界条件电场边界条件磁场边界条件图1-2-3 矩形波导及其所在的坐标系431.3 基于麦克斯韦理论的静态场描述静态场：，包括静电场、恒定电场和恒定磁场。1.3.1 静电场方程1.静电场的基本方程微分形式积分形式第1章 电磁场理论基础441.
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