1、 本次课内容本次课内容 电磁波的入射 导体的趋肤效应 电磁波的无线传播电磁波的正入射电磁波的正入射 当电磁波在传播路径中遇到不同媒质时，在其分界面上，受边界条件约束，总有部分能量被反射，其余的能量透射到另一媒质中去。下面我们讨论TEM波垂直入射(正入射)到分界平面的问题。电磁波不能穿入完纯导体，因此当它到达分界面时将被反射回来。在分界面左方的合成电场是 补充补充 时谐电磁场时谐电磁场时谐电磁场：时谐电磁场：以一定的角频率随时间作正弦或余弦变以一定的角频率随时间作正弦或余弦变 化的电磁场或者正弦电磁场。化的电磁场或者正弦电磁场。若场源以一定的角频率随时间呈正弦或余弦变化，则场源若场源以一定的角频
2、率随时间呈正弦或余弦变化，则场源所产生的电磁场也以同样的角频率随时间所产生的电磁场也以同样的角频率随时间呈时谐变化。呈时谐变化。研究时谐场具有重要的意义，因为在一定条件下研究时谐场具有重要的意义，因为在一定条件下以任意方式随时间变化的电磁场都可以通过以任意方式随时间变化的电磁场都可以通过傅里叶级傅里叶级数数展开为不同频率的时谐场的叠加。展开为不同频率的时谐场的叠加。时谐电磁场的复数表示时谐电磁场的复数表示 对时谐电磁场采用对时谐电磁场采用复数表示复数表示可使问题的分析得以简化。电可使问题的分析得以简化。电磁场随时间作正弦变化时，电场强度的三个分量可用余弦函数磁场随时间作正弦变化时，电场强度的三
3、个分量可用余弦函数表示表示,cosxxmxEx y z tEx y zt,cosyymyEx y z tEx y zt,coszzmzEx y z tEx y zt用复数的实部表示用复数的实部表示ReRexjtj txmxxmEE eEeReReyjtj tymyymEE eEeReRezjtj tzmzzmEE eEe根据式中式中xyzjxmxmjymymjzmzmEEeEEeEEe称为称为时谐电场各时谐电场各 分量的分量的复振幅复振幅故故ReRexxyyzzj txxmyymzzmj tmEEEEEEeeEeeeeeeE式中式中mxxmyymzzmEEEEeee称为称为时谐电场的复矢量时谐
4、电场的复矢量(,)tEE时r瞬瞬矢矢量量()mmEE复矢量r时谐因子时谐因子瞬时矢量瞬时矢量和和复矢量复矢量的关系为：的关系为：复数式只是数学表示方式，不代表真实的场复数式只是数学表示方式，不代表真实的场 真实场是复数式的实部，即瞬时表达式真实场是复数式的实部，即瞬时表达式 由于时间因子是默认的，有时它不用写出来，由于时间因子是默认的，有时它不用写出来，只用与坐标有关的部分就可表示复矢量只用与坐标有关的部分就可表示复矢量 有关复数表示的进一步说明有关复数表示的进一步说明ReRexxyyzzjtxxmyymzzmjtmEEEEEEeeEeeeeeeE例：例：将下列场矢量的瞬时形式写为复数形式将下
5、列场矢量的瞬时形式写为复数形式(1)(z,t)=ecos()esin()xxmxyymyEEtzEtzrrr()()2()()()2(z,t)=ecos()ecos()2eeee(eyxyxxxmxyymyjtzjtzexxmyymjzjzjtexxmyymexEEtzEtzE eE eE eE ee解：=R =R =R()e)yxjjjkzjtxmyymE ejE eee为xyxyj j j j-j k z-j k zm mxx myy mxx myy m所所以以复复矢矢量量:E(z)=(E e e-j e E e)e:E(z)=(E e e-j e E e)e 瞬时形式瞬时形式复数形式复数
6、形式 有入射波和反射波相加后得到的合成电场和合成磁场在空间仍互相垂直，振幅仍差倍，但形成了驻波，驻波相位差90 在分界面上电场为零，但磁场有最大值（参看图）。为了满足边界条件，在导体表面应有x方向的表面电流密度 Jsx=nHy 图 理想导体面的正入射电磁波的正入射电磁波的正入射 入射波到达分界面后一部分被反射，一部分传输入2区。反射系数为 传输系数为 121211mmEER122122mmEET电磁波的正入射电磁波的正入射 1+R=T 当2区为完纯导体时，没有传输波，与前述结果一致。当2区与1区具有相同媒质参量时，没有反射波，2区的传输波就是1区入射波的继续。这也是合乎逻辑的，因为2区与1区具
7、有相同媒质参量时，实际上不存在分界面。121211mmEER122122mmEET0,022mE21电磁波的斜入射电磁波的斜入射 在实际问题中，还会遇到电磁波的斜入射，可以证明电磁波在分界面处将发生反射和折射现象。如图，反射波的传播方向遵从反射定律；折射波的传播方向遵从折射定律 图 电磁波在不同介质中的斜射导体的趋肤效应导体的趋肤效应 均匀平面波在损耗媒质中沿z方向传播时，场强的振幅不断地按指数规律衰减。而方向上依旧是电场、磁场和传播方向间相互垂直。对低损耗介质，很小，波幅的衰减是缓慢的。而在导体媒质中，很大。所以电磁波在导电媒质中衰减是很快的。而且电场强度在时间上超前于磁场强度/4，正如图所
8、示。图 在导体中电场的衰减导体的趋肤效应导体的趋肤效应为了定量估价在导电媒质中传播的衰减现象，通常用趋肤深度来表示电磁波对导体的穿透能力，它定义为场强幅度衰减到原值的0.368倍时所深入导体的距离。因此比较上式指数的宗量，其趋肤深度应等于常用导电材料的导磁率与真空导磁率相等 1368.0EeEEEezf121导体的趋肤效应导体的趋肤效应例如工作频率为1MHz，50MHz，1000MHz时，计算铜的趋肤深度，鉴于铜的电导率为5.9107S/m，用上式可分别得=9.43mm、65.6m、0.655m。由此可见，在高频工作下，电磁波在导体内受在高频工作下，电磁波在导体内受到极大的衰减，电流只能集中在
9、导体的表层到极大的衰减，电流只能集中在导体的表层流动，这种现象谓之趋肤效应流动，这种现象谓之趋肤效应。f121导体的趋肤效应导体的趋肤效应频率不一样时频率不一样时导体的趋肤效应导体的趋肤效应 改善导电性能，关键是解决导体表面的传导特性。考虑到导体中心区的电流密度为零，在较高频率下工作，可采用空心铜管，甚至金属薄层。这类措施既减轻了重量，又节省了有色金属材料。电磁波（电磁波（Electromagnetic Wave）电与电磁波是相互关联的物理现象。电与电磁波是相互关联的物理现象。一个电磁场包含了电场与磁场。在高频电磁振荡的情况下部分能量以在高频电磁振荡的情况下部分能量以“电磁电磁波波”辐射方式从
10、空间传播出去。辐射方式从空间传播出去。电磁场的场源随时间变化时，其电场与磁场电磁场的场源随时间变化时，其电场与磁场互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波。互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波。电磁波的传播还伴随着能量的传播。电磁波的传播还伴随着能量的传播。宇宇宙宙射射线线 射射线线 X X射射线线 紫紫外外线线 可可见见光光红红外外线线微波微波毫毫米米波波厘厘米米波波分分米米波波超超短短波波短短波波中中波波长长波波无线电波无线电波12101010410210210410610)c(m221031610314103121034103)Hz(f无线电波波段的划分 波段名称波段名称 波段范围波段范围
11、频率范围频率范围 频段名称频段名称甚长波甚长波长波长波中波中波短波短波超短波超短波(米波米波)10000l00000m100010000ml001000m10100m110m330 kHz30300 kHz0.33MHz330 MHz30300 MHz甚低频甚低频VLF低频低频LF中频中频MF高频高频HF甚高频甚高频VHF 微微波波 分米波分米波厘米波厘米波毫米波毫米波亚毫米波亚毫米波 10100 cm 110 cm 110 mm 0.11 mm 0.33 GHz 330 GHz 30300 GHz 3003000GHz 特高频特高频UHF 超高频超高频SHF 极高频极高频EHF 超极高频超极
12、高频提问：各频段无线电波传播特点一提问：各频段无线电波传播特点一样吗？样吗？无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。电磁波的传播模式电磁波的传播模式 发射天线或自然辐射源所辐射的电磁波，在自由空间通过自然条件下的各种不同媒质（如地表、地球大气层或宇宙空间等）到达接收天线的传播过程，称为无线电波传播。在传播过程中，无线电波有可能受到反射、折射、绕射、散射和吸收，电磁波强度将发生衰减，传播方向、传播速度或极化形式将发生变化，传输波形将产生畸变。无线电波的传播特性主要取决于无线电波的频率。地面波传播地面波传播地面波是指沿地球表面传播的无线电波，也称为地表地面波是指沿地球表面传播的无线电波，也称为地
13、表面波。面波。地球 地表面波 天线 天线 地表面波传播 空间波传播（视距传播）空间波传播（视距传播）空间波有两种形式，一种是直射波直射波，另一种是地地面反射波面反射波。直射波只能进行视距传播。所谓视距所谓视距传播，又称直接波传播，是指发射天线和接收天传播，又称直接波传播，是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。因此天线高度与地球曲率是限制直射波传播距离的主要因素。在地面上直射波的传播距离可以按如下公式估算：)()(57.3)(mhmhkmdrt 地球 直射波 反射波 天线 天线 天波传播（电离层传播）天波传播（电离层传播）天波传播天波
14、传播（电离层传播）是远距离通信的常用方式。是远距离通信的常用方式。距地面60km以上的空间有一个由电子、离子等组成的电离层。地面上空大气层概况地面上空大气层概况 天波传播（电离层传播）天波传播（电离层传播）l 60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。l 电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。电离层作为一种
15、传播介质使电波受折射、无线电导航、雷达定位等。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。l 330兆赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波兆赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段。段。l 因此短波最适宜以天波的形式进行传播，其所传播的距离可以达到几因此短波最适宜以天波的形式进行传播，其所传播的距离可以达到几千公里的地方，但是电离层是不稳定的，白天电离程度高，夜晚电离千公里的地方，但是电离层是不稳定的，白天电离程度高，夜晚电离程度低，电离层对中波和中短波的吸收能力减弱，这时中波和中
16、短波程度低，电离层对中波和中短波的吸收能力减弱，这时中波和中短波就可以更好的利用天波进行传播，因而收音机在夜晚的台比白天多。就可以更好的利用天波进行传播，因而收音机在夜晚的台比白天多。电离层反射电波的能力与电波频率有关。电离层反射电波的能力与电波频率有关。在入射角在入射角0一定时，电波频率大于短波频段，越易一定时，电波频率大于短波频段，越易穿透电离层。穿透电离层。滑行传播f4f1f2f30f1 f2 f3 f4 对流层 电离层 地地球球 电离层反射波 图图 天波传播天波传播外层空间传播外层空间传播 电磁波由地面发出（或返回），经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播方式称为外层空间传播外层空间
17、传播，如卫星传播，宇宙探测等均属于这种远距离传播。由于电磁波传播的距离很远，且主要是在大气以外的宇宙空间内进行的，而宇宙空间近似于真空状态，因而电波在其中传播时，它的传输特性比较稳定。我们可以把电波穿过电离层而到达外层空间的传播，基本上当作自由空间中的传播来研究。地壳传播地壳传播 将发射天线埋在地下，让波长极长的电磁波在地壳层中传播，显然，由于地壳本身的屏蔽作用，这种传播的稳定性好。地下无线电波的研究和应用始于20年代，由于能源开发的需要和遥感技术的发展，地下电波传播的研究及其在通信和探测方面的应用取得了较大的进展，已在矿井巷道、铁路隧道和军事坑道中的无线电通信以及矿藏资源和地壳结构（包括断层
18、、冰川、溶洞、管道、水源和海洋中物体）的电磁波探测等方面得到应用。天波传播地 电离层波导传播电离层地球外大气层及行星际空间电波传播视距传播对流层散射传播电离层散射传播地球电离层通信卫星(a)(b)无线电波传播方式无线通信的电磁波传播无线通信的电磁波传播无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传播特点，下面按波长分述如下：超长波（超低频SLF）传播超长波是指波长1千公里至1万公里（频率为30300Hz）的电磁波。这一波段的电磁波传播十分稳定，在海水中衰耗很小（频率为75Hz时衰耗系数为0.3dB/m）对海水穿透能力很强，可深达100m以上。甚长波（甚低频VLF）传播甚长波是指波长10公里10
19、0公里（频率为330kHz）的电磁波。无线通信中使用的甚长波的频率为1030kHz，该波段的电磁波可在大地与低层的电离层间形成的波导中进行传播，距离可达数千公里乃至覆盖全球。低频低频电磁波的应用电磁波的应用无线通信的电磁波无线通信的电磁波传播传播 长波（低频LF）传播长波是指波长1公里10公里（频率为30300kHz）的电磁波。其可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。中波（中频MF）传播中波是指波长100米1000米（频率为3003000kHz）的电磁波。中波可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。中波沿地表面传播时，受地表面的吸收较长波严重。中波的天波传播与昼夜变化有关
20、。无线通信的电磁波无线通信的电磁波传播传播 短波（高频HF）传播短波是指波长为10米100米（频率为330MHz）的电磁波。短波可沿地表面传播（地波），沿空间以直接或绕射方式传播（空间波）和靠电离层反射传播（天波）。超短波（甚高频VHF）传播超短波是指波长为1米10米（频率为30300MHz）的电磁波。超短波难以靠地波和天波传播，而主要以直射方式（即所谓的“视距”方式）传播。无线通信的电磁波传播无线通信的电磁波传播 微波传播微波是指波长小于1米（频率高于300MHz）的电磁波。目前又按其波长的不同，分为分米波（特高频UHF）、厘米波（超高频SHF）、毫米波（极高频EHF）和亚毫米波（至高频THF）。微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播。其主要在对流层内进行。总的说来，这种传播方式比较稳定，但其传播也受到大气折射和地面反射的影响。另外，对流层中的大气湍流气团对微波有散射作用。利用这种散射作用可实现微波的超视距传播。WCDMA工作频段：上行19201980MHz，下行21102170MHz，属于微波波段，其电磁波传播方式为微波传播。微波传播案例微波传播案例远距离数字无线图像传输总结
