无线电波传播第二讲电波传播基本理论

PrincipleofEMwaves•PropertiesofEMwaves•Maxwell’sequations•Waveequations•Tankcircuit•AMandFM几个重要的人物：麦克斯韦：1831年6月出生于英国爱丁堡。麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，1873年建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。PrincipleofEMwaves赫兹：德国物理学家，生于汉堡。赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。1888年1月，赫兹将他的研究成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字“赫兹”来命名各种波动频率的单位。PrincipleofEMwaves马可尼：人类无线电通信的创始人——意大利的马可尼（Marconi,G.W.,1874～1937）与俄国的波波夫（Πoπoβ,A.C.1859～1906）成功地进行了世界上最早的无线电通讯活动，开创了人类通讯的新纪元。意大利人马可尼1901年向新来临的20世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明——成功地进行了首次无线电通讯，无线电技术的大发展从而成为20世纪的热门事情。1906年，美国物理学家费森登发明无线电广播，使无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。PrincipleofEMwaves无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。1831年，英国法拉第发现电磁感应。1865年，英国麦克斯韦从理论上预言了电的任何波动可以在远处产生感应即电磁波的存在、并且电磁波能够从产生的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验验证。1887年，德国物理学家赫兹（Hertz,H.R.,1857～1894）利用静电的火花放电实验，证明了电磁波的存在，激起了人们利用电磁波的念头，而赫兹却英年早逝，未能在电磁波的应用技术方面开展科研工作。敏感的发明家们已经意识到电磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可尼和俄国的波波夫为代表的科学家、发明家，在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的基础上，大胆探索、奋勇实践，开启了电磁波应用的大门并开创了无线电通信这门新技术。意大利人马可尼1901年向新来临的20世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明——成功地进行了首次无线电通讯，无线电技术的大发展从而成为20世纪的热门事情。1906年，美国物理学家费森登发明无线电广播，使无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。PrincipleofEMwavesPropertiesofEMWaves•Transversewaves•Propagatesinvacuum&medium•Widefrequencyrange•Propagatesatspeedoflight•c=3x108m/s(invacuum)PrincipleofEMwavesTransverseEMWavePrincipleofEMwavesLongitudinalWaves•Longitudinalwaves–displacementinthesamedirectionaswavemotion•Example:soundwavesPrincipleofEMwaves麦克斯韦方程组(Maxwell’sequations)以上四个方程式是普遍情况下电磁场所满足的基本方程式，称为麦克斯韦方程组。电磁感应定理StBlESLdd磁场的高斯定理SSB0d=VSSDdd0电场的高斯定理安培环路定理SLStDjlHd)(d0=PrincipleofEMwaves麦克斯韦方程组的微分形式电磁波的实验事实表明，麦克斯韦方程组不仅适用于恒定的和缓变的电磁场，也适用于快速变化的电磁场。DHjt0BDtBEPrincipleofEMwaves式中E、H、D和B分别是电场强度、磁场强度、电位移矢量和磁感应强度，ρ和J分别是传导电流密度和自由电荷密度。连续性方程•运动的电荷形成电流。连续性方程规定电荷密度和电流密度之间的关系0tJPrincipleofEMwaves///0EBtHDtJtJ该方程组包含两个矢量方程和一个标量方程，一共7个标量方程，16个未知数。因此，方程组是不完备的。为了求解所有16个场量，必须增加9个独立方程，这些方程与传播介质性质有关。为此，引进介质的本构关系式。介质本构关系的一般形式为，(,)(,)()BBEHDDEHJJEPrincipleofEMwavesConstitutiveRelations真空中的本构关系具有最简单的形式,00DEBHJ0式中0和0分别是自由空间中的介电常数和磁导率。介质中的本构关系为，EJHBED00结构关系中出现的系数、和分别称作介质的介电常数、磁导率和电导率，可以是标量，也可以是张量。PrincipleofEMwaves介质的极化在自由空间中，ooDEBH，式中o和o是自由空间的介电常数和磁导率，oooo.F/m.H/mc()126218851012610在介质中，电磁波场驱动带电粒子运动，这使得分子、原子的微观电荷分布发生畸变，产生电偶极矩和磁偶极矩。引入电极化矢量P和磁极化矢量M来描述介质的这种效应，它们定义为，omPEMH，式中和m分别是电极化率和磁化率，则oooomDEPE,1B(HM)H,1和分别是相对介电常数和相对磁导率。对大多数应用，取m0。PrincipleofEMwaves代入麦克斯韦方程和电流连续性方程中，TDB(HM)(J)MtEPEJMJttt00000000000，TJJMP/t，定义为等效电流密度。DEP0TEP000111TP，定义为等效电荷密度式中P/t和P分别是极化电流和极化电荷。PrincipleofEMwaves麦克斯韦电磁场理论的理解恒定的电场不产生磁场恒定的磁场不产生电场均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场振荡电场产生同频率的振荡磁场振荡磁场产生同频率的振荡电场周期性变化的电场（磁场）叫振荡电场（磁场）PrincipleofEMwaves非均匀变化磁场激发变化电场均匀变化激发稳定磁场不再激发若非均匀变化激发变化磁场均匀变化激发稳定电场非均匀变化电场和磁场的变化关系PrincipleofEMwaves电磁波电磁场：如果在空间某区域中有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场;这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场……变化的电场和变化的磁场相互联系,形成不可分割的统一体,这就是电磁场。电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波。00DBEtBDHtBtE2()EEHut0E2Et2200HBED00,电磁波在真空中的波动方程022002tEEPrincipleofEMwaves=0J=0真空中先讨论无源的情况则电场的波动方程可写为：222210EEvtPrincipleofEMwaves式中1/200v()c，v代表电磁波的传播速度，c是真空中的光速。对于均匀、各向同性介质，式中1/21/200v()/()c/n，代表电磁波在介质中的传播速度，n代表介质的折射指数，1/2n()。类似地可以得到磁场的波动方程：222210HHvt亥姆霍兹方程有多种解：平面波解，球面波解，高斯波解等等。其中最简单、最基本的形式为平面波解。平面电磁波：传播方向一定，波阵面与传播方向垂直的一种波设电磁波沿z轴传播，此时可用一维模型替代：222221(,)(,)0dEztEztdzct()0(,)ikztEztEe它的一个解是：平面波解PrincipleofEMwaves2200k可见，电磁波中电场和磁场矢量沿传播方向(纵向)的分量Ez和Bz是不随时间和空间变化的常量，故可认为Ez=0，Bz=0。这样得到电磁波的第一条性质：电磁波是横波。Ezz0EzBtyxEzBtxyBzz0BzEtyxBzEtxyBtz0Etz0假设平面电磁波沿z轴方向传播，则E和B都只是z和t的函数，麦克斯韦方程组具体写为PrincipleofEMwaves电磁波的横波性质说明：电磁波沿z方向传播，则电场矢量和磁场矢量只能处于xy平面内。,0tBxEzz0若选择电场矢量沿x方向，所以Ey=0。可以得到如果电场矢量沿x方向，则磁场矢量的x分量必定等于零，也就是磁场矢量只能沿y方向。于是得到电磁波的第二条性质：电磁波的电场矢量E与磁场矢量B是互相垂直的，并与传播方向k满足右螺旋关系。PrincipleofEMwaves平面电磁波在无限大均匀介质中的传播示意图：HEEHPrincipleofEMwaves一般坐标系下平面电磁波的表示式0,ikrtErtEe0,ikrtBrtBePrincipleofEMwaves波长k2周期21fT同一时刻相位差的两个等相面间的距离λ是波长2波长与周期空间的一点相位改变所需要的时间定义为周期22T表示波的时间频率2k表示波的空间频率PrincipleofEMwavesTankCircuit•Inductor&Capacitorshareenergy•Chargeflowsbackandforththroughinductor•EnergyshiftsbackandforthbetweenthetwodevicesPrincipleofEMwavesTankCircuitsinRadio•Tanksareresonantdevices•Tanksbuildupenergyataspecificfrequency•Tankshelpradiosemitradiowaves•TankshelpradiosdetectradiowavesPrincipleofEMwavesEmittingRadioWaves•Atransmitterusesatankcircuitto“slosh”chargeupanddownitsantenna•Areceiverusesatankcircuittodetectcharge“sloshing”onitsantenna•TransmitterantennachargeaffectsreceiverantennachargePrincipleofEMwaves用电磁波传递声音和图像信号的原理•先将信号载在电磁波上，再把