電磁場與電磁波(第4版)教學(xué)指導(dǎo)書 第6章 反射與透射.doc
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1、第6章 反射與透射6.1基本內(nèi)容概述本章討論均勻平面波在不同媒質(zhì)分界面上的反射與透射,主要內(nèi)容為:均勻平面波對兩種不同媒質(zhì)(包括:理想介質(zhì)、一般導(dǎo)電媒質(zhì)、理想導(dǎo)體)分界平面的垂直入射,均勻平面波對理想介質(zhì)分界面的斜入射和均勻平面波對理想導(dǎo)體表面的斜入射。6.1.1 電磁波對分界面的垂直入射1對導(dǎo)電媒質(zhì)分界面的垂直入射反射系數(shù) (6.1) 透射系數(shù) (6.2) 且 (6.3) 在一般情況下,為復(fù)數(shù),故和一般也為復(fù)數(shù),這表明在分界面上的反射和透射將引入附加的相位移。2對理想導(dǎo)體平面的垂直入射媒質(zhì)1為理想介質(zhì),媒質(zhì)2為理想導(dǎo)體,則,、,即產(chǎn)生全反射,媒質(zhì)1中的合成波為駐波。 (6.4) (6.5)合
2、成波的特點(diǎn):處為合成波電場的波節(jié)點(diǎn)和合成波磁場的波腹點(diǎn);處為合成波電場的波腹點(diǎn)和合成波磁場的波節(jié)點(diǎn);的駐波在時間上有的相移,在空間分布上錯開。3對理想介質(zhì)分界面的垂直入射反射系數(shù)和透射系數(shù)為實(shí)數(shù),媒質(zhì)1中的合成波的電場為 (6.6)合成波的電場最大值 (6.7)出現(xiàn)位置 (n=0,1,2,3,) (6.8) 合成波的電場最小值 (6.9)出現(xiàn)位置 (n=0,1,2,3,) (6.10) 駐波系數(shù)(駐波比) (6.11) 6.1.2 對三層介質(zhì)分界平面的垂直入射分界面1處的等效波阻抗 (6.12)分界面1處的反射系數(shù) (6.13)四分之一波長匹配層:在兩種不同介質(zhì)之間插入一層厚度的介質(zhì),當(dāng)時,有
3、。半波長介質(zhì)窗:如果介質(zhì)1和介質(zhì)3是相同的介質(zhì),即,當(dāng)介質(zhì)2的厚度時,有。6.1.3平面波對介質(zhì)分界面的斜入射1反射定律與折射定律斯涅爾反射定律 (6.14) 斯涅爾反射定律 (6.15) 式中:、分別為介質(zhì)1和介質(zhì)2的折射率。2反射系數(shù)與折射系數(shù) 垂直極化入射 (6.16) (6.17) 且 (6.18) 平行極化入射 (6.19) (6.20) 且 (6.21) 3全反射臨界角 (6.22) 發(fā)生全反射的條件: 且 。產(chǎn)生全反射時,透射波沿分界面方向傳播,透射波的振幅在垂直于分界面的方向上呈指數(shù)衰減,形成表面波。4無反射布儒斯特角 (6.23) 發(fā)生無反射的條件:在的情況下,當(dāng)時,平行極化
4、波無反射。任意極化波以布儒斯特角入射到兩種介質(zhì)()分界面時,平行極化分量已全部透射了,反射波中只包含垂直極化分量。圖 6.1 垂直極化波對理想導(dǎo)體平面的斜入射圖 6.2 平行極化波對理想導(dǎo)體平面的斜入射6.1.4 平面波對對理想導(dǎo)體平面的斜入射1垂直極化入射媒質(zhì)1中的合成波電場和磁場 (6.24) (6.25) 合成波的特點(diǎn): 合成波是沿平行于分界面的方向傳播的TE波 合成波是非均勻平面波,其振幅在垂直于導(dǎo)體表面的方向(即方向)上呈駐波分布,而且合成波電場在處為零。2平行極化入射媒質(zhì)1中的合成波 (6.26) (6.27) 合成波的特點(diǎn): 合成波是沿平行于分界面的方向傳播的TM波 合成波是非均
5、勻平面波,其振幅在垂直于導(dǎo)體表面的方向(即方向)上呈駐波分布,而且合成波磁場在處達(dá)到最大值。6.2教學(xué)基本要求及重點(diǎn)、難點(diǎn)討論6.2.1 教學(xué)基本要求均勻平面波對理想導(dǎo)體平面和對理想介質(zhì)平面的垂直入射,是討論反射和折射問題的最基本、也是最簡單的情形,應(yīng)掌握其分析方法和過程,理解所得結(jié)果表征的物理意義;了解均勻平面波對多層媒質(zhì)分界面垂直入射的分析方法,掌握四分之一波長匹配層和半波長介質(zhì)窗的意義及其應(yīng)用;了解均勻平面波對分界面的斜入射問題的分析方法,理解斯涅爾反射定律和折射定律以及反射系數(shù)、透射系數(shù)的意義;理解全反射現(xiàn)象和無反射現(xiàn)象的概念,掌握其產(chǎn)生的條件,了解其應(yīng)用。6.2.2 重點(diǎn)、難點(diǎn)討論1
6、均勻平面波的反射和透射電磁波在不同媒質(zhì)分界面上的反射和透射是普遍而重要的現(xiàn)象。簡單的均勻平面波經(jīng)反射后,將會出現(xiàn)波的疊加,形成駐波、混合波、表面波等,引入了許多新概念,是教學(xué)中的難點(diǎn),特別是斜入射問題。重點(diǎn)是掌握對分界面的垂直入射問題。關(guān)于對分界面的斜入射問題,重點(diǎn)掌握反射與透射的分析方法以及反射系數(shù)和透射系數(shù)的概念。均勻平面波入射到無限大理想介質(zhì)和理想導(dǎo)體平面的基本分析方法是根據(jù)電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度和波矢量三者之間的關(guān)系,寫出入射波、反射波和透射波的數(shù)學(xué)表達(dá)式,然后利用分界面上電場強(qiáng)度切向分量和磁場強(qiáng)度切向分量的邊界條件,以入射波的場強(qiáng)分量表達(dá)反射波場強(qiáng)分量和透射波場強(qiáng)分量,包括反射波、透射波
7、的傳播方向和反射波、透射波的振幅,即反射系數(shù)與透射系數(shù)。在分析均勻平面波對分界面的斜入射問題時,將入射波分為垂直極化入射波和平行極化入射波兩種情況來討論,這是因為入射波為垂直極化波時,反射波和透射波也只有垂直極化分量,而不可能產(chǎn)生平行極化分量;同樣,入射波為平行極化波時,反射波和透射波也只有平行極化分量,而不可能產(chǎn)生垂直極化分量。也就是說,這兩種極化波之間互不影響。任意極化波則分解為兩種極化波的疊加。對于平行極化波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的定義在不同的教材可能有差異。在本教材中是按反射波的總電場強(qiáng)度、透射波的總電場強(qiáng)度與入射波的總電場強(qiáng)度來定義的,即此時,反射系數(shù)和透射系數(shù)的關(guān)系為另一種定義是按電
8、場強(qiáng)度在分界面上的切向分量來定義平行極化入射的反射系數(shù)和透射系數(shù),即此時,反射系數(shù)和透射系數(shù)的關(guān)系為這與垂直極化入射時與的關(guān)系相同。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是,無論采用哪種定義,反射系數(shù)和透射系數(shù)都只是描述了入射波、反射波和透射波的電場強(qiáng)度在不同媒質(zhì)分界面上的相互關(guān)系。不同定義的差異只是形式上的,并不會影響最終的場分布結(jié)果。2波的全反射現(xiàn)象平面電磁波斜入射到理想導(dǎo)體表面上會發(fā)生全反射。在一定條件下,平面電磁波斜入射到理想介質(zhì)分界面時也會發(fā)生全反射。這種全反射現(xiàn)象有重要意義和實(shí)用價值,例如光纖通信就是根據(jù)全反射的原理實(shí)現(xiàn)的。平面電磁波在理想介質(zhì)分界面上的全反射與在理想導(dǎo)體表面上的全反射有所不同。在理想導(dǎo)體表面
9、上發(fā)生的全反射,只有反射波,沒有透射波;而在理想介質(zhì)分界面上發(fā)生全反射時,不僅有反射波,還存在透射波。那么應(yīng)怎樣理解平面電磁波在理想介質(zhì)分界面上的全反射呢?平面電磁波在理想介質(zhì)分界面上的全反射是反射系數(shù)的模等于1的一種反射與透射現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生全反射時,透射波是只存在于分界面的第二種介質(zhì)一側(cè)的薄層內(nèi)、沿分界面方向傳播的所謂表面波。因此,從某種意義上說,這時并不存在通常意義上的透射波。當(dāng)平面波從稠密媒質(zhì)(介電常數(shù)相對較大的介質(zhì))入射到稀疏媒質(zhì)(介電常數(shù)相對較小的介質(zhì)),且入射角等于臨界角,即=時,有 即產(chǎn)生全反射。而當(dāng),即時,平行極化入射波的反射系數(shù)式中垂直極化入射波的反射系數(shù)式中可見,當(dāng)時,無論入
10、射波是平行極化還是垂直極化,反射系數(shù)的模都等于1,表明發(fā)生了全反射,只是反射系數(shù)的幅角不相等,即。對于垂直極化入射波,當(dāng)發(fā)生全反射時,透射波電場強(qiáng)度為則透射波磁場強(qiáng)度為則透射波的平均坡印廷矢量因此,折射波平均能流密度只有分量,沿方向透入媒質(zhì)2中的平均能流密度為零。但其瞬時值并不為零,說明這時媒質(zhì)2起著吞吐電磁能量的作用。在前半個周期內(nèi),電磁能量透入媒質(zhì)2,在界面附近薄層內(nèi)儲存起來,在后半個周期內(nèi),該能量被釋放出來變?yōu)榉瓷洳芰?。這就使得透射波成為衰減波的原因。這種衰減不同于導(dǎo)電媒質(zhì)中存在的衰減,導(dǎo)電媒質(zhì)中存在著傳導(dǎo)電流,必然有電磁能量損耗,從而造成波的衰減。在全反射時,媒質(zhì)2中不存在傳導(dǎo)電流,
11、所以波的衰減只是由于透入的電磁能流不斷有所返回造成的兩者有本質(zhì)的區(qū)別。6.3 習(xí)題解答6.1 有一頻率為100MHz、沿方向極化的均勻平面波從空氣(區(qū)域)中垂直入射到位于的理想導(dǎo)體板上。設(shè)入射波電場的振幅為,試求:(1)入射波電場和磁場的復(fù)矢量;(2)反射波電場和磁場的復(fù)矢量;(3)合成波電場和磁場的復(fù)矢量;(4)距離導(dǎo)體平面最近的合成波電場為零的位置;(5)距離導(dǎo)體平面最近的合成波磁場為零的位置。解 (1) 則入射波電場和磁場的復(fù)矢量分別為(2)反射波電場和磁場的復(fù)矢量分別為(3)合成波電場和磁場的復(fù)矢量分別為(4)對于,當(dāng)時,。而在空氣中,第一個零點(diǎn)發(fā)生在處,即(5)對于,當(dāng),即時為磁場在
12、空氣中的第一個零點(diǎn)。6.2 一均勻平面波沿方向傳播,其電場強(qiáng)度矢量為 V/m(1)應(yīng)用麥克斯韋方程求相伴的磁場;(2)若在波傳播方向上處放置一無限大的理想導(dǎo)體板,求區(qū)域中的合成波電場和磁場;(3)求理想導(dǎo)體板表面的電流密度。解 (1)將已知的電場寫成復(fù)數(shù)形式由得寫成瞬時值表示式(2)均勻平面波垂直入射到理想導(dǎo)體平面上會產(chǎn)生全反射,反射波的電場為即區(qū)域內(nèi)的反射波電場為與之相伴的反射波磁場為至此,即可求出區(qū)域內(nèi)的總電場和總磁場。故同樣故(3)理想導(dǎo)體平面上的電流密度為6.3 均勻平面波的頻率為16GHz,在聚苯乙烯(、)中沿方向傳播,在cm處遇到理想導(dǎo)體,求:(1)電場的位置;(2)聚苯乙烯中和的
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