電磁場與微波技術基礎

第1章 矢量代數(shù)和坐標系……………………………………………………………………… 1
1.1 矢量和矢量場…………………………………………………………………………… 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 矢量的標量乘(點乘)……………………………………………………………… 5
1.2.4 矢量的矢量乘(叉乘)……………………………………………………………… 8
1.2.5 標量和矢量三重乘………………………………………………………………… 10
1.3 正交坐標系……………………………………………………………………………… 13
1.3.1 直角坐標系(笛卡爾坐標系)……………………………………………………… 14
1.3.2 圓柱坐標系………………………………………………………………………… 18
1.3.3 球坐標系………………………………………………………………………… 23
1.4 坐標轉換………………………………………………………………………………… 29
1.4.1 直角—直角坐標系轉換…………………………………………………………… 30
1.4.2 圓柱—直角坐標系轉換…………………………………………………………… 32
1.4.3 球—直角坐標系轉換……………………………………………………………… 35
1.5 習 題…………………………………………………………………………………… 36
第2章 矢量微積分…………………………………………………………………………… 38
2.1 線積分和面積分………………………………………………………………………… 38
2.1.1 曲 線……………………………………………………………………………… 38
2.1.2 線積分……………………………………………………………………………… 40
2.1.3 面積分……………………………………………………………………………… 44
2.2 方向導數(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 題…………………………………………………………………………………… 69
第3章 靜電場………………………………………………………………………………… 71
3.1 庫侖定律………………………………………………………………………………… 71
3.2 電場強度………………………………………………………………………………… 74
3.2.1 離散電荷產生的電場……………………………………………………………… 75
3.2.2 連續(xù)分布電荷產生的電場………………………………………………………… 77
3.3 電通量密度和高斯定律………………………………………………………………… 79
3.3.1 電場通量密度……………………………………………………………………… 80
3.3.2 高斯定律…………………………………………………………………………… 82
3.4 電 勢…………………………………………………………………………………… 84
3.4.1 移動電荷所做的功………………………………………………………………… 84
3.4.2 靜電荷的電勢……………………………………………………………………… 85
3.4.3 電場強度是電勢的負梯度………………………………………………………… 86
3.4.4 靜電場是保守場…………………………………………………………………… 87
3.5 靜電場中的電介質……………………………………………………………………… 89
3.5.1 電極化……………………………………………………………………………… 90
3.5.2 介電常數(shù)…………………………………………………………………………… 91
3.6 靜電場的邊界條件……………………………………………………………………… 94
3.7 靜電場中的理想導體…………………………………………………………………… 96
3.8 靜電場的勢能…………………………………………………………………………… 97
3.9 習 題…………………………………………………………………………………… 99
第4章 穩(wěn)恒電流……………………………………………………………………………… 101
4.1 運流電流……………………………………………………………………………… 101
4.2 導體電流和歐姆定律………………………………………………………………… 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 題………………………………………………………………………………… 106
第5章 靜磁場………………………………………………………………………………… 107
5.1 畢奧薩伐爾定律……………………………………………………………………… 107
5.2 磁通密度……………………………………………………………………………… 110
5.3 矢量磁勢……………………………………………………………………………… 111
5.4 安培環(huán)路定律………………………………………………………………………… 116
5.5 磁物質………………………………………………………………………………… 118
5.5.1 磁化和等效電流密度…………………………………………………………… 119
5.5.2 磁導率…………………………………………………………………………… 121
5.6 靜磁場的邊界條件…………………………………………………………………… 123
5.7 磁 能………………………………………………………………………………… 125
5.7.1 電感中的磁能…………………………………………………………………… 125
5.7.2 用磁場表示的磁能……………………………………………………………… 127
5.8 習 題………………………………………………………………………………… 129
第6章 時變場和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………………………………………………………………………………… 137
第7章 平面時諧電磁波……………………………………………………………………… 140
7.1 波的基本概念………………………………………………………………………… 140
7.1.1 一維波…………………………………………………………………………… 141
7.1.2 時諧波…………………………………………………………………………… 143
7.1.3 三維均勻平面時諧波…………………………………………………………… 145
7.1.4 自由空間均勻平面時諧電磁波………………………………………………… 147
7.2 相 量………………………………………………………………………………… 149
7.3 在均勻介質中的波…………………………………………………………………… 151
7.3.1 無耗電介質中的均勻平面波…………………………………………………… 151
7.3.2 損耗介質中的均勻平面波……………………………………………………… 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 電磁波穿過兩種無耗介質分界面的功率關系………………………………… 168
7.6.2 駐波比…………………………………………………………………………… 169
7.6.3 平面波在理想導體分界面上的全反射………………………………………… 171
7.7 習 題………………………………………………………………………………… 173
第8章 電磁輻射和天線基礎………………………………………………………………… 175
8.1 推遲勢的相量形式…………………………………………………………………… 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 對稱振子天線………………………………………………………………………… 185
8.3.1 對稱振子天線的輻射場………………………………………………………… 186
8.3.2 半波振子的輻射場……………………………………………………………… 187
8.4 面天線………………………………………………………………………………… 189
8.4.1 惠更斯元的輻射………………………………………………………………… 189
8.4.2 喇叭天線………………………………………………………………………… 194
8.5 習 題………………………………………………………………………………… 196
第9章 傳輸線理論…………………………………………………………………………… 197
9.1 傳輸線模型和解……………………………………………………………………… 198
9.1.1 傳輸線模型……………………………………………………………………… 198
9.1.2 無耗傳輸線方程及其求解……………………………………………………… 199
9.1.3 傳輸線參量……………………………………………………………………… 200
9.2 終端條件下的傳輸線特解…………………………………………………………… 201
9.3 傳輸線的阻抗………………………………………………………………………… 204
9.3.1 阻抗變換公式…………………………………………………………………… 204
9.3.2 λ/4波長阻抗變換器…………………………………………………………… 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)和阻抗的關系………………………………………………………… 206
9.4.3 反射系數(shù)的性質………………………………………………………………… 206
9.4.4 傳輸線的工作狀態(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…………………………………………………………………… 208
9.5.3 駐波比和傳輸線阻抗的關系…………………………………………………… 209
9.5.4 傳輸線上阻抗的再討論………………………………………………………… 209
9.6 傳輸工作參數(shù)轉化關系小結………………………………………………………… 212
9.7 Smith圓圖…………………………………………………………………………… 213
9.7.1 Smith圓圖的構成……………………………………………………………… 213
9.7.2 Smith圓圖的應用……………………………………………………………… 218
9.8 習 題………………………………………………………………………………… 221
第10章 同軸線和矩形波導………………………………………………………………… 222
10.1 傳輸線的通解………………………………………………………………………… 223
10.1.1 TEM 波………………………………………………………………………… 226
10.1.2 TE波和TM 波………………………………………………………………… 227
10.2 傳輸線的衰減………………………………………………………………………… 228
10.2.1 由電介質損耗引起的衰減……………………………………………………… 228
10.2.2 由導體損耗引起的衰減………………………………………………………… 229
10.3 同軸線………………………………………………………………………………… 232
10.3.1 同軸線TEM 模式下的場求解………………………………………………… 232
10.3.2 同軸線的參數(shù)…………………………………………………………………… 233
10.4 矩形波導……………………………………………………………………………… 234
10.4.1 矩形波導的TE模……………………………………………………………… 234
10.4.2 矩形波導的TM ?！?236
10.5 矩形波導的TE10?！?237
10.6 習 題………………………………………………………………………………… 244
第11章 網(wǎng)絡理論…………………………………………………………………………… 245
11.1 等效電壓和電流……………………………………………………………………… 245
11.2 阻抗矩陣和導納矩陣………………………………………………………………… 248
11.2.1 阻抗矩陣和導納矩陣的定義…………………………………………………… 248
11.2.2 典型網(wǎng)絡的阻抗矩陣和導納矩陣……………………………………………… 250
11.2.3 互易網(wǎng)絡………………………………………………………………………… 251
11.2.4 互易無耗網(wǎng)絡…………………………………………………………………… 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)絡的傳輸矩陣…………………………………………………………… 256
11.3.3 傳輸矩陣的兩個定理…………………………………………………………… 257
11.3.4 互易網(wǎng)絡、互易無耗網(wǎng)絡和對稱網(wǎng)絡的傳輸矩陣…………………………… 258
11.3.5 歸一化傳輸矩陣a(也稱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算(ABCD 矩陣)………………………………………… 264
11.4.3 互易網(wǎng)絡、對稱網(wǎng)絡、互易無耗網(wǎng)絡散射矩陣的特點………………………… 265
11.4.4 二端口網(wǎng)絡散射矩陣的負載反射變換公式…………………………………… 266
11.5 習 題………………………………………………………………………………… 267
參考文獻………………………………………………………………………………………… 268