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绪论 1

0.1 本书目标 1

0.2 本书定位 1

0.3 无线通信系统的电磁与微波技术 2

0.3.1 无线通信系统分层 3

0.3.2 电磁传播层 3

0.3.3 射频电路层 4

0.3.4 天线层 4

0.3.5 电磁散射层 4

0.3.6 系统级参数层 5

0.4 本书内容介绍 5

0.4.1 第1章简介 5

0.4.2 第2章简介 5

0.4.3 第3章简介 6

0.4.4 第4章简介 6

0.4.5 第5章简介 6

0.4.6 第6章简介 6

0.4.7 第7章简介 6

0.4.8 第8章简介 7

第1章 场定律和边界条件 8

引言 8

1.1 电磁物理量 8

1.1.1 场量和源量的划分 8

1.1.2 瞬时量 9

1.1.3 场量对应的电路量 10

1.2 电磁学基本假设 11

1.2.1 假设一：电荷的存在性 11

1.2.2 假设二：电荷的守恒性 11

1.2.3 假设三：洛伦兹力 11

1.2.4 假设四：自由空间的场方程组 11

1.2.5 假设五：物质中电磁场的宏观特性 12

1.3 自由空间电磁场定律 12

1.3.1 积分形式 12

1.3.2 微分形式 13

1.4 考虑磁荷和磁流时的场定律 14

1.4.1 磁荷和磁流 15

1.4.2 对称形式的场定律 15

1.5 边界条件（一）：自由空间边界 16

1.5.1 自由空间边界 16

1.5.2 实例 17

1.5.3 考虑磁荷磁流时的边界条件 18

1.6 物质中的电磁场定律 18

1.6.1 导体中的场定律 19

1.6.2 电介质中的场定律 19

1.6.3 磁介质中的场定律（安培电流模型） 21

1.6.4 磁介质中的场定律（磁荷模型） 22

1.6.5 一般物质中的场定律 23

1.7 边界条件（二）：不同物质交界面 24

1.7.1 两电介质交界面 24

1.7.2 两磁介质交界面（安培电流模型） 25

1.7.3 两磁介质交界面（磁荷模型） 25

1.7.4 一般物质交界面 25

1.7.5 对称形式的边界条件 26

1.8 边界条件（三）：数学物理方程中的边界 26

1.8.1 边界条件 26

1.8.2 衔接条件 27

1.8.3 自然边界 27

1.8.4 初始条件 27

1.9 边界条件（四）：实例 28

1.9.1 静电场中的导体 28

1.9.2 静电场中的电介质 28

1.9.3 恒定电流场 29

1.9.4 时变场中的理想介质 29

1.9.5 时变场中的导电媒质 30

1.9.6 恒定载流导体与空气交界面 30

1.9.7 电壁和磁壁 30

1.10 复数形式的场定律和边界条件 31

1.10.1 复振幅和复矢量 31

1.10.2 复数场定律 33

1.10.3 复数边界条件 34

习题一 35

第2章 电磁储能和功率耗散 37

引言 37

2.1 洛伦兹力 37

2.1.1 点电荷和磁荷受到的力 37

2.1.2 分布电荷和磁荷受到的力 37

2.2 场供给运动电荷与磁荷的功率 38

2.2.1 场供给点电荷和磁荷的功率 38

2.2.2 场供给分布电荷和磁荷的功率 38

2.3 坡印廷定理 38

2.3.1 自由空间的坡印廷定理 38

2.3.2 物质中的坡印廷定理 39

2.4 电场和磁场储存的能量 41

2.4.1 空气平行板电容器储存的电能 41

2.4.2 空芯单匝线圈电感器储存的磁能 42

2.5 静态功率流传输与耗散 43

2.6 极化能与电能 45

2.6.1 极化能 45

2.6.2 电能 46

2.6.3 填充电介质的平行板电容器 47

2.7 磁化能与磁能 48

2.7.1 磁化能 48

2.7.2 磁能 49

2.7.3 填充磁介质的单匝线圈电感器 50

2.8 本构关系和欧姆定律 50

2.9 媒质的分类 51

2.9.1 一般分类 51

2.9.2 简单媒质 52

2.9.3 广义线性媒质 53

2.9.4 非线性媒质 53

2.9.5 各向异性媒质 53

2.9.6 双各向同性和双各向异性媒质 54

2.10 复数电磁参量 54

2.10.1 简单导电媒质的复介电常数 54

2.10.2 广义线性媒质的复介电常数、复磁导率、复电导率 56

2.11 广义的流量 58

2.11.1 时变场和时谐场的流量 58

2.11.2 媒质的阻抗率和导纳率 59

2.11.3 流量的分类 59

2.12 复数坡印廷定理 60

2.12.1 正弦场的时间平均值 60

2.12.2 简单媒质的复数坡印廷定理 62

2.12.3 广义线性媒质的复数坡印廷定理 63

习题二 64

第3章 波的基本理论 66

引言 66

3.1 时谐电磁场的方程及解 67

3.1.1 波动方程 67

3.1.2 波函数 68

3.2 无界空间的均匀平面波 69

3.2.1 波动方程的一种可能解 69

3.2.2 行波和线极化 70

3.3 波的传播特性 70

3.3.1 相位常数、相速度、相波长 70

3.3.2 群速度和色散 71

3.4 波的时空变化特征 72

3.4.1 时间频率 72

3.4.2 空间频率 72

3.5 波数和波阻抗 73

3.5.1 一般表示 73

3.5.2 不同媒质的分类 74

3.6 理想介质中的波 75

3.6.1 四种独立平面波模式 75

3.6.2 能量密度和功率流密度 75

3.7 有耗媒质中的波 76

3.7.1 良好介质 76

3.7.2 良好导体 77

3.8 极化方向相同而传播方向相反的两列平面波合成 78

3.8.1 行波 78

3.8.2 驻波 79

3.8.3 行驻波 80

3.9 极化方向正交而传播方向相同的两列平面波合成 81

3.9.1 线极化、圆极化、椭圆极化 81

3.9.2 用ax、ay、δ描述波的极化 82

3.9.3 用ρ1、ρ2、α描述波的极化 83

3.9.4 斯托克斯参数S0、S1、S2、S3和庞加莱极化球 84

3.10 波的反射 85

3.10.1 边界条件 85

3.10.2 正入射 86

3.11 斜入射 87

3.11.1 特性波阻抗 88

3.11.2 反射系数和折射系数 89

3.11.3 全折射 90

3.11.4 全反射 91

3.12 传输线 91

3.12.1 边界条件 91

3.12.2 场方程 92

3.12.3 同轴线的TEM模 93

3.12.4 从场定律直接推导传输线方程 94

3.13 波导 96

3.13.1 边界条件 96

3.13.2 场方程和解 97

3.14 谐振腔 100

3.14.1 边界条件 100

3.14.2 场解和谐振条件 100

3.15 辐射 101

3.15.1 边界条件 101

3.15.2 磁矢位和电标位的非齐次波动方程 103

3.15.3 电流元 104

3.16 波的一般复数表示和参量 106

3.16.1 传播常数、相位常数、衰减常数 106

3.16.2 波阻抗 107

3.17 沿任意方向传播的平面波 107

3.17.1 平面波解满足的场定律 107

3.17.2 复数波矢量 108

3.18 各向异性媒质中的平面波 109

3.18.1 寻常波和非寻常波 109

3.18.2 色散方程 110

3.18.3 单轴媒质的色散方程 111

3.19 kDB坐标系 113

3.19.1 坐标系的构成 114

3.19.2 场方程和色散方程 116

习题三 118

第4章 基本原理 121

引言 121

4.1 磁型源的引入 121

4.1.1 磁荷和磁流 121

4.1.2 密绕螺线管等效为磁偶极子 123

4.1.3 小圆环电流等效为磁偶极子 123

4.2 对偶原理 124

4.2.1 对偶性和对偶量 124

4.2.2 对偶原理的应用 125

4.2.3 边界条件的对偶性 127

4.3 唯一性定理 127

4.3.1 任意时变场 128

4.3.2 时谐场 128

4.4 镜像原理 130

4.4.1 电流元和磁流元对电壁的镜像 131

4.4.2 垂直大地平面的电偶极子的场 131

4.4.3 物质的镜像 132

4.5 外加流和感应流 132

4.5.1 无界平面外加流产生的场 132

4.5.2 无界理想导体平面的感应流 134

4.5.3 产生相同场的不同源 135

4.6 等效原理 136

4.6.1 等效原理的一般形式 136

4.6.2 Love场等效原理 137

4.6.3 只用切向电场或切向磁场表示的等效原理 138

4.6.4 等效原理的应用：半空间的场 139

4.7 感应原理 140

4.7.1 一般形式 140

4.7.2 理想导体平板的后向散射截面 142

4.8 洛伦兹互易定理 143

4.8.1 源对场的反应 144

4.8.2 互易定理的导出 144

4.8.3 特殊情况下的互易定理 145

4.8.4 应用 147

4.9 惠更斯原理 148

4.9.1 用洛伦兹互易定理导出惠更斯原理 149

4.9.2 惠更斯源在等效区域以外产生的场 150

4.10 巴俾涅原理 151

4.10.1 电屏与互补磁屏的巴俾涅原理 152

4.10.2 其他形式的巴俾涅原理 154

4.11 相似原理 156

4.11.1 电磁学相似原理 156

4.11.2 缩比模型的雷达散射截面 158

习题四 159

第5章 平面波 163

引言 163

5.1 解的构成 164

5.1.1 用电磁矢量位表示一般解 164

5.1.2 TM波 165

5.1.3 TE波 166

5.1.4 任意场的TM波和TE波分解 166

5.2 平面波函数 167

5.2.1 波函数分离变量 167

5.2.2 谐函数的物理意义 168

5.3 无界空间的平面波 169

5.3.1 TEM波 169

5.3.2 TM波 170

5.3.3 TE波 170

5.4 矩形波导 171

5.4.1 TM波 171

5.4.2 TE波 172

5.5 矩形谐振腔 172

5.5.1 TM波 172

5.5.2 TE波 173

5.6 备用模式组 173

5.6.1 对y方向的TM波 173

5.6.2 对y方向的TE波 173

5.7 场的激励和模式展开 174

5.7.1 孔隙激励 174

5.7.2 流量激励 175

5.8 平面波的产生 176

5.8.1 远场条件 176

5.8.2 紧缩场 177

习题五 178

第6章 柱面波 180

引言 180

6.1 波函数 180

6.1.1 波动方程在柱坐标系下的解 180

6.1.2 贝塞尔函数的物理性质 181

6.1.3 TM波和TE波的一般表示 183

6.2 柱形波导 184

6.2.1 圆波导 184

6.2.2 其他柱形波导 186

6.3 环向波和径向波 186

6.3.1 环向波 186

6.3.2 径向波 186

6.4 圆柱形谐振腔 188

6.5 柱面波的源 189

6.5.1 无限长交流丝 189

6.5.2 较高阶的源 190

6.6 二维辐射 190

6.7 波的变换 191

6.7.1 平面波和柱面波的变换 191

6.7.2 柱面波的相加原理 192

6.8 圆柱对平面波的散射 194

6.8.1 电场方向平行于z轴 194

6.8.2 电场方向垂直于z轴 195

习题六 195

第7章 球面波 197

引言 197

7.1 波函数 197

7.1.1 波动方程在球坐标系下的解 197

7.1.2 球贝塞尔函数 198

7.1.3 勒让德函数 199

7.1.4 TM波和TE波的一般表示 200

7.2 球面上的正交关系 202

7.2.1 m阶n次连带勒让德函数和带谐函数 202

7.2.2 球谐函数和格谐函数 202

7.3 球形波导 204

7.3.1 空间作为波导 204

7.3.2 其他径向波导 204

7.4 谐振腔 205

7.4.1 球形谐振腔 205

7.4.2 其他谐振腔 207

7.5 球面波的源 208

7.5.1 电流元和磁流元 208

7.5.2 电流元偶极子 209

7.5.3 电流元四极子 209

7.6 波的变换 209

7.6.1 平面波和球面波的变换 209

7.6.2 柱面波和球面波的变换 210

7.6.3 球面波的相加原理 210

习题七 212

第8章 口径近场的多域分析 214

引言 214

8.1 口径近场计算的卷积法 214

8.1.1 口面场卷积 214

8.1.2 弦面场卷积 215

8.1.3 一些讨论 216

8.2 口径辐射的空域场 217

8.2.1 矩形、椭圆形、内凹形口径 217

8.2.2 口径面场连续锥削 219

8.3 典型锯齿边缘口径 221

8.3.1 等腰直边 222

8.3.2 直角直边 223

8.3.3 等腰曲边 224

8.3.4 直角曲边 226

8.4 口径近场辐射的相似性 227

8.4.1 电尺寸不变的相似性 227

8.4.2 电尺寸变化的相似性 227

8.5 口径近场的特征谱 231

8.5.1 问题的引入 231

8.5.2 系统布局说明 231

8.5.3 角域谱 232

8.5.4 时域谱 234

8.5.5 结论 236

8.6 赋形电大尺寸口径近场的空域和角域特征 236

8.6.1 问题的引入 236

8.6.2 口径的空域场 237

8.6.3 有限尺寸口径接收的平面波角谱 239

8.6.4 观察面横向偏移对角谱的影响 241

8.6.5 二维角谱变换和一维角谱变换的比较 241

8.6.6 观察面的角域分辨率 242

8.6.7 结论 243

8.7 电大尺寸口径幅相不均匀性的近场空域和角域分析 243

8.7.1 问题的引入 243

8.7.2 系统布局和参数说明 244

8.7.3 幅度锥削 244

8.7.4 边缘赋形 246

8.7.5 幅度或相位周期变化 246

8.7.6 幅度或相位线性变化 247

8.7.7 局部幅度或相位突变 248

8.7.8 结论 250

8.8 基于近场平面波角谱的紧缩场口径设计评估 250

8.8.1 问题的引入 250

8.8.2 系统布局和参数说明 251

8.8.3 空域指标和角域指标的转换 252

8.8.4 口径整体形状设计比较 252

8.8.5 锯齿高度调节 253

8.8.6 锯齿个数调节 253

8.8.7 锯齿底边长度调节 254

8.8.8 等腰锯齿和直角锯齿的比较 255

8.8.9 评估区域的影响 256

8.8.10 轴向观察位置变化 257

8.8.11 二维幅度和相位比较 258

8.8.12 结论 259

8.9 赋形电大尺寸口径近场辐射的时域分析 259

8.9.1 问题的引入 259

8.9.2 卷积计算和时域分析原理 260

8.9.3 平面波、柱面波、球面波假设 261

8.9.4 口径内观察点的时域谱 262

8.9.5 口径外观察点的时域谱 263

8.9.6 口径直达波沿横向变化 263

8.9.7 边缘绕射波沿横向变化 264

8.9.8 口径直达波沿轴向变化 264

8.9.9 边缘绕射波沿轴向变化 265

8.9.10 结论 265

8.10 基于近场时域谱的紧缩场口径优化设计 266

8.10.1 问题的引入 266

8.10.2 口径扩散效应 266

8.10.3 口径整体形状 267

8.10.4 口径场锥削 267

8.10.5 直角直边锯齿 268

8.10.6 直角曲边锯齿 269

8.10.7 结论 269

习题八 269

附录 271

附录A 常用数学公式 271

附录B 不同坐标系的微分算符 272

附录C 拉普拉斯方程的解 273

附录D 特殊函数 274

附录E 一些材料的电导率 277

附录F 一些材料在不同频率下的相对介电常数 277

名词索引表 279

自测题 286

自测题一 286

自测题二 287

自测题三 288

自测题四 290

自测题五 291

自测题六 293

自测题七 295

自测题八 296

自测题九 298

考卷附常用公式说明 300

电磁传播与天线实验 302

实验一 电磁波和天线的极化 302

实验二 线极化波、圆极化波、椭圆极化波的合成与检测 306

参考文献 309