《電磁場與電磁波》緒論

2023/2/4張洪欣《電磁場與電磁波》

張洪欣沈遠茂等編電子工程學(xué)院2023/2/4本課程的內(nèi)容一、靜態(tài)場二、靜電場與恒定電場三、恒定磁場四、靜態(tài)場邊值問題六、平面電磁波七、電磁波反射折射九、電磁輻射無線電波傳播射頻/微波電路天線五、時變電磁場八、傳輸線與波導(dǎo)2023/2/40概論學(xué)習(xí)電磁場理論的意義本課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求本課程的學(xué)習(xí)方法（2）P27:（1-108)改錯：（1）P15:（1-75)（3）P104:例題4-1（4）P283:5-10，E和H的表達式中去掉2023/2/4學(xué)習(xí)電磁理論的意義(1)2023/2/4GPS是美國國防部投資100億美元，歷時20余年開發(fā)成功的一種無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。1993年用于民用.GPS是一個全球性無線電導(dǎo)航定位、定時多功能系統(tǒng)。就是在外太空設(shè)置一個“無線電導(dǎo)航臺”。由24顆人造衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)，距地球2萬多公里。向地球不斷發(fā)射定位信號。地球上的GPS接收機，均能接收到4顆以上的衛(wèi)星發(fā)出的信號，經(jīng)過計算后，就可報出GPS接收機的位置（經(jīng)度、緯度、高度）、時間和運動狀態(tài)（速度、航向）2023/2/4世界上有美國、俄羅斯（Glonass）和歐洲“伽利略”（我國參股）、北斗系統(tǒng)。GNSS。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)：5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。現(xiàn)在有11顆，定位精度達到10米以內(nèi)。GNSS:GlobalNavigationSatelliteSystem2023/2/42012年2月發(fā)射第11顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星(第9顆組網(wǎng)衛(wèi)星

)2023/2/4國產(chǎn)北斗海上搜索定位系統(tǒng)“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2012年12月27日起向亞太大部分地區(qū)正式提供區(qū)域服務(wù)，包括定位、導(dǎo)航、雙向授時和短報文信息服務(wù)?；拘阅?位置精度平面10米、高程10米；測速精度每秒0.2米；授時精度單向50納秒。2023/2/4新業(yè)務(wù)1頻率有效利用技術(shù)新頻段的啟用信道容量不足信道容量仍不足新業(yè)務(wù)2移動通信：f=60MHz→

150MHz→400MHz→800/900MHz→1800/1900MHz2000MHz

=5m

→2m →75cm→37.5/33.3cm→16.6/15.7cm→15cm頻率有效利用技術(shù)新頻段的啟用2023/2/4隨著工作頻率的升高:小結(jié)構(gòu)電大尺寸；當頻率高于某個值后，電感或電容不再是單純的電感、電容；集中參數(shù)元件需當作分立參數(shù)電路結(jié)構(gòu)對待。2023/2/4學(xué)習(xí)電磁理論的意義(2)微電子器件與電路微波工程與射頻工程無線通信生物醫(yī)學(xué)工程光通信電氣工程電磁理論電磁理論通過不同的學(xué)科/技術(shù)日益滲入人們的日常生活。2023/2/4無線通信2023/2/4TypicalApplicationsrelatedtoEMs: Personalcomputers

–GHzfrequencyrange

Cellularphones,pagers,satellitephones

–GHzfrequencyrange Biomedicalequipment

–Implantsinsidethehumanbody

Wearablewirelessdevices

–Landwarrior Remotesensing

–Astronomy RFIDandTagging

–Inventoryandsecurity GPS

–Navigation

BluetoothandWLAN，UWB

–Shortdistancecommunication VehicleDopplerradar

–collisionavoidance

PoliceRadio

–Communication2023/2/42023/2/4?公元前600希臘——摩擦后的琥珀可吸引微小物體?公元前300中國——磁石吸鐵?公元初中國——世界上第一個指南針——地球磁場?1785年法國——庫侖(1736~1806)定律?1820年丹麥丹麥——奧斯特(1777~1851)發(fā)現(xiàn)電流的磁場；法國物理學(xué)家畢奧和薩伐爾通過實驗總結(jié)出了畢奧－薩伐爾定律?1820年法國——安培(1775~1836)電流回路間作用力，安培定律。?

1822年安培提出一切磁現(xiàn)象的根源是電流的假說2023/2/4?1831年英國——法拉第電磁感應(yīng)定律變化的磁場產(chǎn)生電場?1887年德國——赫茲(1857~1894)實驗麥氏方程組—電磁波的存在?1873年英國英國—麥克斯韋(1831~1879)位移電流,時變電場產(chǎn)生磁場—麥氏方程組2023/2/4如果介質(zhì)的μ和ε都小于零，電磁波能在其中傳播。但是E

、H、k

之間不再滿足右手螺旋關(guān)系而是滿足左手螺旋關(guān)系。這種介質(zhì)被稱為“左手材料”（Left-HandedMetamaterials)(a)右手材料(e>0,m>0)右手材料(e>0,m>0)左手材料(e<0,m<0)(e(b)一種奇特的媒質(zhì)2023/2/4

(a)一維LHM結(jié)構(gòu)(b)二維LHM結(jié)構(gòu)左手材料結(jié)構(gòu)2023/2/4折射光仍然滿足Snell定律(c)左手材料(c)左手材料(c)左手材料(b)左手材料左手材料(b)左手材料左手材料(b)左手材料左手材料2Ev·Svkv(e1>0,m1>0)(e2<0,m2<0)·(a)左手材料·(e1>0,m1>0)(e2<0,m2<0)·(a)左手材料(2>0,

2>0)右手材料2023/2/4反常的Doppler效應(yīng)2023/2/4電磁黑洞在窄頻帶內(nèi)能近100％吸收入射電磁波。2023/2/4太赫茲技術(shù)THz波所處的位置正好處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)（0.1T-10T）；(1)瞬態(tài)性：脈寬在皮秒量級（10-12），時間分辨高；(2)寬帶性(3)相干性，由相干電流驅(qū)動的偶極子振蕩產(chǎn)生，或由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差頻變換產(chǎn)生。2023/2/4(4)低能性：THz光子的能量只有10-3eV，無損檢測，適合生物大分子與活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究；(5)THz輻射具有很好的穿透性，它能以很小的衰減穿透物質(zhì)如煙塵、墻壁、布料及陶瓷等，在環(huán)境控制與國家安全方面能有效發(fā)揮作用．2023/2/4本課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求《電磁場理論與微波技術(shù)》是電子類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課。

電路理論的生長點：Maxwell方程組電路理論

低頻高頻射頻/微波光纖任務(wù):介紹宏觀電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)理論和平面電磁波動的基本規(guī)律，研究靜電場，恒定電場，恒定磁場，靜態(tài)場的邊值問題，時變電磁場，平面電磁波以及導(dǎo)行電磁波與電磁輻射基礎(chǔ)理論。2023/2/4與其它課程的關(guān)系2023/2/4要求：完整地理解和掌握宏觀電磁場的基本性質(zhì)和基本規(guī)律； 對通信工程中的電磁現(xiàn)象和電磁場問題能用場的觀點進行分析和 計算，提高分析和解決通信工程中實際問題的能力。 為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

2023/2/42023/2/4本課程的學(xué)習(xí)方法電磁場與電磁波理論：

體系完整；概念性強；空時多位矢量；方法靈活。 熟練數(shù)學(xué)工具； 加深對基本概念的理解； 培養(yǎng)形象思維與抽象思維

本課程不是數(shù)學(xué)課，不要陷入數(shù)學(xué)之中。認真完成作業(yè)。作業(yè)成績20％，期中20％，期末60％2023/2/4方法論與實踐在這個世界上，人們不是不喜歡美好的前景與偉大的目標。人們實在是不得其法或者不得要領(lǐng)。

專業(yè)化的時代可以理解為是一個專業(yè)方法論的時代。探索、發(fā)明、提升、推廣、普及方法論才是我們這個時代真正需要的東西。“佛是善導(dǎo),導(dǎo)入善道。行與不行,并非在導(dǎo)；佛是良醫(yī),看病與藥。服與不服,并非在醫(yī)。2023/2/4哈佛大學(xué)教授安娜格林伯格：“要重視那些方法論與工具論的課程，因為需要有更多的投入與實踐才能掌握。而你一旦掌握