電磁場(chǎng)與微波技術(shù)基礎(chǔ)

第1章 矢量代數(shù)和坐標(biāo)系……………………………………………………………………… 1
1.1 矢量和矢量場(chǎng)…………………………………………………………………………… 2
1.2 矢量代數(shù)………………………………………………………………………………… 4
1.2.1 矢量的加減法……………………………………………………………………… 4
1.2.2 矢量的尺度變換…………………………………………………………………… 5
1.2.3 矢量的標(biāo)量乘(點(diǎn)乘)……………………………………………………………… 5
1.2.4 矢量的矢量乘(叉乘)……………………………………………………………… 8
1.2.5 標(biāo)量和矢量三重乘………………………………………………………………… 10
1.3 正交坐標(biāo)系……………………………………………………………………………… 13
1.3.1 直角坐標(biāo)系(笛卡爾坐標(biāo)系)……………………………………………………… 14
1.3.2 圓柱坐標(biāo)系………………………………………………………………………… 18
1.3.3 球坐標(biāo)系………………………………………………………………………… 23
1.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換………………………………………………………………………………… 29
1.4.1 直角—直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換…………………………………………………………… 30
1.4.2 圓柱—直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換…………………………………………………………… 32
1.4.3 球—直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換……………………………………………………………… 35
1.5 習(xí) 題…………………………………………………………………………………… 36
第2章 矢量微積分…………………………………………………………………………… 38
2.1 線(xiàn)積分和面積分………………………………………………………………………… 38
2.1.1 曲 線(xiàn)……………………………………………………………………………… 38
2.1.2 線(xiàn)積分……………………………………………………………………………… 40
2.1.3 面積分……………………………………………………………………………… 44
2.2 方向?qū)?shù)和梯度………………………………………………………………………… 47
2.3 通量和通量密度………………………………………………………………………… 52
2.4 散度和散度定理………………………………………………………………………… 53
2.4.1 通量密度的散度…………………………………………………………………… 53
2.4.2 散度定理…………………………………………………………………………… 56
2.5 旋度和斯托克斯定理…………………………………………………………………… 59
2.5.1 矢量場(chǎng)的旋度……………………………………………………………………… 59
2.5.2 斯托克斯定理……………………………………………………………………… 64
2.6 雙Δ算子 …………………………………………………………………………………65
2.7 亥姆霍茲定理…………………………………………………………………………… 67
2.8 習(xí) 題…………………………………………………………………………………… 69
第3章 靜電場(chǎng)………………………………………………………………………………… 71
3.1 庫(kù)侖定律………………………………………………………………………………… 71
3.2 電場(chǎng)強(qiáng)度………………………………………………………………………………… 74
3.2.1 離散電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)……………………………………………………………… 75
3.2.2 連續(xù)分布電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)………………………………………………………… 77
3.3 電通量密度和高斯定律………………………………………………………………… 79
3.3.1 電場(chǎng)通量密度……………………………………………………………………… 80
3.3.2 高斯定律…………………………………………………………………………… 82
3.4 電 勢(shì)…………………………………………………………………………………… 84
3.4.1 移動(dòng)電荷所做的功………………………………………………………………… 84
3.4.2 靜電荷的電勢(shì)……………………………………………………………………… 85
3.4.3 電場(chǎng)強(qiáng)度是電勢(shì)的負(fù)梯度………………………………………………………… 86
3.4.4 靜電場(chǎng)是保守場(chǎng)…………………………………………………………………… 87
3.5 靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)……………………………………………………………………… 89
3.5.1 電極化……………………………………………………………………………… 90
3.5.2 介電常數(shù)…………………………………………………………………………… 91
3.6 靜電場(chǎng)的邊界條件……………………………………………………………………… 94
3.7 靜電場(chǎng)中的理想導(dǎo)體…………………………………………………………………… 96
3.8 靜電場(chǎng)的勢(shì)能…………………………………………………………………………… 97
3.9 習(xí) 題…………………………………………………………………………………… 99
第4章 穩(wěn)恒電流……………………………………………………………………………… 101
4.1 運(yùn)流電流……………………………………………………………………………… 101
4.2 導(dǎo)體電流和歐姆定律………………………………………………………………… 102
4.3 連續(xù)性方程…………………………………………………………………………… 104
4.4 功率損耗和焦耳定律………………………………………………………………… 105
4.5 習(xí) 題………………………………………………………………………………… 106
第5章 靜磁場(chǎng)………………………………………………………………………………… 107
5.1 畢奧薩伐爾定律……………………………………………………………………… 107
5.2 磁通密度……………………………………………………………………………… 110
5.3 矢量磁勢(shì)……………………………………………………………………………… 111
5.4 安培環(huán)路定律………………………………………………………………………… 116
5.5 磁物質(zhì)………………………………………………………………………………… 118
5.5.1 磁化和等效電流密度…………………………………………………………… 119
5.5.2 磁導(dǎo)率…………………………………………………………………………… 121
5.6 靜磁場(chǎng)的邊界條件…………………………………………………………………… 123
5.7 磁 能………………………………………………………………………………… 125
5.7.1 電感中的磁能…………………………………………………………………… 125
5.7.2 用磁場(chǎng)表示的磁能……………………………………………………………… 127
5.8 習(xí) 題………………………………………………………………………………… 129
第6章 時(shí)變場(chǎng)和Maxwell方程…………………………………………………………… 131
6.1 法拉第定律…………………………………………………………………………… 131
6.2 位移電流密度………………………………………………………………………… 132
6.3 Maxwell方程………………………………………………………………………… 134
6.3.1 微分形式的Maxwell方程……………………………………………………… 134
6.3.2 積分形式的Maxwell方程……………………………………………………… 135
6.4 電磁邊界條件………………………………………………………………………… 135
6.5 推遲勢(shì)………………………………………………………………………………… 137
第7章 平面時(shí)諧電磁波……………………………………………………………………… 140
7.1 波的基本概念………………………………………………………………………… 140
7.1.1 一維波…………………………………………………………………………… 141
7.1.2 時(shí)諧波…………………………………………………………………………… 143
7.1.3 三維均勻平面時(shí)諧波…………………………………………………………… 145
7.1.4 自由空間均勻平面時(shí)諧電磁波………………………………………………… 147
7.2 相 量………………………………………………………………………………… 149
7.3 在均勻介質(zhì)中的波…………………………………………………………………… 151
7.3.1 無(wú)耗電介質(zhì)中的均勻平面波…………………………………………………… 151
7.3.2 損耗介質(zhì)中的均勻平面波……………………………………………………… 155
7.4 電磁波的功率密度…………………………………………………………………… 160
7.5 均勻平面波的極化…………………………………………………………………… 163
7.5.1 線(xiàn)性極化波……………………………………………………………………… 163
7.5.2 圓極化波………………………………………………………………………… 163
7.5.3 橢圓極化波……………………………………………………………………… 165
7.6 平面波垂直入射分界面……………………………………………………………… 166
7.6.1 電磁波穿過(guò)兩種無(wú)耗介質(zhì)分界面的功率關(guān)系………………………………… 168
7.6.2 駐波比…………………………………………………………………………… 169
7.6.3 平面波在理想導(dǎo)體分界面上的全反射………………………………………… 171
7.7 習(xí) 題………………………………………………………………………………… 173
第8章 電磁輻射和天線(xiàn)基礎(chǔ)………………………………………………………………… 175
8.1 推遲勢(shì)的相量形式…………………………………………………………………… 175
8.2 基本電振子與基本磁振子…………………………………………………………… 176
8.2.1 基本電振子……………………………………………………………………… 176
8.2.2 基本磁振子……………………………………………………………………… 181
8.2.3 磁流元與磁壁…………………………………………………………………… 184
8.3 對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)………………………………………………………………………… 185
8.3.1 對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)的輻射場(chǎng)………………………………………………………… 186
8.3.2 半波振子的輻射場(chǎng)……………………………………………………………… 187
8.4 面天線(xiàn)………………………………………………………………………………… 189
8.4.1 惠更斯元的輻射………………………………………………………………… 189
8.4.2 喇叭天線(xiàn)………………………………………………………………………… 194
8.5 習(xí) 題………………………………………………………………………………… 196
第9章 傳輸線(xiàn)理論…………………………………………………………………………… 197
9.1 傳輸線(xiàn)模型和解……………………………………………………………………… 198
9.1.1 傳輸線(xiàn)模型……………………………………………………………………… 198
9.1.2 無(wú)耗傳輸線(xiàn)方程及其求解……………………………………………………… 199
9.1.3 傳輸線(xiàn)參量……………………………………………………………………… 200
9.2 終端條件下的傳輸線(xiàn)特解…………………………………………………………… 201
9.3 傳輸線(xiàn)的阻抗………………………………………………………………………… 204
9.3.1 阻抗變換公式…………………………………………………………………… 204
9.3.2 λ/4波長(zhǎng)阻抗變換器…………………………………………………………… 205
9.4 (電壓)反射系數(shù)……………………………………………………………………… 205
9.4.1 反射系數(shù)的定義………………………………………………………………… 205
9.4.2 反射系數(shù)和阻抗的關(guān)系………………………………………………………… 206
9.4.3 反射系數(shù)的性質(zhì)………………………………………………………………… 206
9.4.4 傳輸線(xiàn)的工作狀態(tài)……………………………………………………………… 207
9.5 (電壓)駐波比………………………………………………………………………… 208
9.5.1 (電壓)駐波比的定義…………………………………………………………… 208
9.5.2 駐波比的性質(zhì)…………………………………………………………………… 208
9.5.3 駐波比和傳輸線(xiàn)阻抗的關(guān)系…………………………………………………… 209
9.5.4 傳輸線(xiàn)上阻抗的再討論………………………………………………………… 209
9.6 傳輸工作參數(shù)轉(zhuǎn)化關(guān)系小結(jié)………………………………………………………… 212
9.7 Smith圓圖…………………………………………………………………………… 213
9.7.1 Smith圓圖的構(gòu)成……………………………………………………………… 213
9.7.2 Smith圓圖的應(yīng)用……………………………………………………………… 218
9.8 習(xí) 題………………………………………………………………………………… 221
第10章 同軸線(xiàn)和矩形波導(dǎo)………………………………………………………………… 222
10.1 傳輸線(xiàn)的通解………………………………………………………………………… 223
10.1.1 TEM 波………………………………………………………………………… 226
10.1.2 TE波和TM 波………………………………………………………………… 227
10.2 傳輸線(xiàn)的衰減………………………………………………………………………… 228
10.2.1 由電介質(zhì)損耗引起的衰減……………………………………………………… 228
10.2.2 由導(dǎo)體損耗引起的衰減………………………………………………………… 229
10.3 同軸線(xiàn)………………………………………………………………………………… 232
10.3.1 同軸線(xiàn)TEM 模式下的場(chǎng)求解………………………………………………… 232
10.3.2 同軸線(xiàn)的參數(shù)…………………………………………………………………… 233
10.4 矩形波導(dǎo)……………………………………………………………………………… 234
10.4.1 矩形波導(dǎo)的TE?！?234
10.4.2 矩形波導(dǎo)的TM ?！?236
10.5 矩形波導(dǎo)的TE10?！?237
10.6 習(xí) 題………………………………………………………………………………… 244
第11章 網(wǎng)絡(luò)理論…………………………………………………………………………… 245
11.1 等效電壓和電流……………………………………………………………………… 245
11.2 阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣………………………………………………………………… 248
11.2.1 阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣的定義…………………………………………………… 248
11.2.2 典型網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣……………………………………………… 250
11.2.3 互易網(wǎng)絡(luò)………………………………………………………………………… 251
11.2.4 互易無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)…………………………………………………………………… 254
11.3 傳輸矩陣……………………………………………………………………………… 255
11.3.1 傳輸矩陣A 的定義…………………………………………………………… 255
11.3.2 基本網(wǎng)絡(luò)的傳輸矩陣…………………………………………………………… 256
11.3.3 傳輸矩陣的兩個(gè)定理…………………………………………………………… 257
11.3.4 互易網(wǎng)絡(luò)、互易無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)和對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸矩陣…………………………… 258
11.3.5 歸一化傳輸矩陣a(也稱(chēng)ABCD 矩陣)………………………………………… 260
11.4 散射矩陣……………………………………………………………………………… 261
11.4.1 散射矩陣的定義………………………………………………………………… 262
11.4.2 二端口散射矩陣的計(jì)算(ABCD 矩陣)………………………………………… 264
11.4.3 互易網(wǎng)絡(luò)、對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)、互易無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)散射矩陣的特點(diǎn)………………………… 265
11.4.4 二端口網(wǎng)絡(luò)散射矩陣的負(fù)載反射變換公式…………………………………… 266
11.5 習(xí) 題………………………………………………………………………………… 267
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………………… 268