电磁场与微波技术基础

　本书内容分四部分。部分由第1章和第2章组成，介绍电磁场理论的数学基础。第二部分由第3~6章组成，介绍电磁场理论。第三部分由第7章和第8章组成，介绍电磁波的产生与传播的规律。第四部分由第9~11章组成，介绍微波技术基础。

　　本书的特点是以数学基础和基本物理概念为起点，把基本理论和基本技术写清楚和讲明白，同时以典型工程应用来设计例题和习题，目的是把读者领进门，为继续学习微波工程、天线设计、电波传播和电磁兼容技术等更侧重工程应用方面的课程打下坚实的理论基础。

　　本书可作为信息类学科本科生的“电磁场与微波技术”课程的教材，也可作为从事电磁领域相关工作的工程技术人员的参考书。

第1章 矢量代数和坐标系……………………………………………………………………… 1

1.1 矢量和矢量场…………………………………………………………………………… 2

1.2 矢量代数………………………………………………………………………………… 4

1.2.1 矢量的加减法……………………………………………………………………… 4

1.2.2 矢量的尺度变换…………………………………………………………………… 5

1.2.3 矢量的标量乘(点乘)……………………………………………………………… 5

1.2.4 矢量的矢量乘(叉乘)……………………………………………………………… 8

1.2.5 标量和矢量三重乘………………………………………………………………… 10

1.3 正交坐标系……………………………………………………………………………… 13

1.3.1 直角坐标系(笛卡尔坐标系)……………………………………………………… 14

1.3.2 圆柱坐标系………………………………………………………………………… 18

1.3.3 球坐标系………………………………………………………………………… 23

1.4 坐标转换………………………………………………………………………………… 29

1.4.1 直角—直角坐标系转换…………………………………………………………… 30

1.4.2 圆柱—直角坐标系转换…………………………………………………………… 32

1.4.3 球—直角坐标系转换……………………………………………………………… 35

1.5 习 题…………………………………………………………………………………… 36

第2章 矢量微积分…………………………………………………………………………… 38

2.1 线积分和面积分………………………………………………………………………… 38

2.1.1 曲 线……………………………………………………………………………… 38

2.1.2 线积分……………………………………………………………………………… 40

2.1.3 面积分……………………………………………………………………………… 44

2.2 方向导数和梯度………………………………………………………………………… 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 矢量场的旋度……………………………………………………………………… 59

2.5.2 斯托克斯定理……………………………………………………………………… 64

2.6 双Δ算子 …………………………………………………………………………………65

2.7 亥姆霍兹定理…………………………………………………………………………… 67

2.8 习 题…………………………………………………………………………………… 69

第3章 静电场………………………………………………………………………………… 71

3.1 库仑定律………………………………………………………………………………… 71

3.2 电场强度………………………………………………………………………………… 74

3.2.1 离散电荷产生的电场……………………………………………………………… 75

3.2.2 连续分布电荷产生的电场………………………………………………………… 77

3.3 电通量密度和高斯定律………………………………………………………………… 79

3.3.1 电场通量密度……………………………………………………………………… 80

3.3.2 高斯定律…………………………………………………………………………… 82

3.4 电 势…………………………………………………………………………………… 84

3.4.1 移动电荷所做的功………………………………………………………………… 84

3.4.2 静电荷的电势……………………………………………………………………… 85

3.4.3 电场强度是电势的负梯度………………………………………………………… 86

3.4.4 静电场是保守场…………………………………………………………………… 87

3.5 静电场中的电介质……………………………………………………………………… 89

3.5.1 电极化……………………………………………………………………………… 90

3.5.2 介电常数…………………………………………………………………………… 91

3.6 静电场的边界条件……………………………………………………………………… 94

3.7 静电场中的理想导体…………………………………………………………………… 96

3.8 静电场的势能…………………………………………………………………………… 97

3.9 习 题…………………………………………………………………………………… 99

第4章 稳恒电流……………………………………………………………………………… 101

4.1 运流电流……………………………………………………………………………… 101

4.2 导体电流和欧姆定律………………………………………………………………… 102

4.3 连续性方程…………………………………………………………………………… 104

4.4 功率损耗和焦耳定律………………………………………………………………… 105

4.5 习 题………………………………………………………………………………… 106

第5章 静磁场………………………………………………………………………………… 107

5.1 毕奥萨伐尔定律……………………………………………………………………… 107

5.2 磁通密度……………………………………………………………………………… 110

5.3 矢量磁势……………………………………………………………………………… 111

5.4 安培环路定律………………………………………………………………………… 116

5.5 磁物质………………………………………………………………………………… 118

5.5.1 磁化和等效电流密度…………………………………………………………… 119

5.5.2 磁导率…………………………………………………………………………… 121

5.6 静磁场的边界条件…………………………………………………………………… 123

5.7 磁 能………………………………………………………………………………… 125

5.7.1 电感中的磁能…………………………………………………………………… 125

5.7.2 用磁场表示的磁能……………………………………………………………… 127

5.8 习 题………………………………………………………………………………… 129

第6章 时变场和Maxwell方程…………………………………………………………… 131

6.1 法拉第定律…………………………………………………………………………… 131

6.2 位移电流密度………………………………………………………………………… 132

6.3 Maxwell方程………………………………………………………………………… 134

6.3.1 微分形式的Maxwell方程……………………………………………………… 134

6.3.2 积分形式的Maxwell方程……………………………………………………… 135

6.4 电磁边界条件………………………………………………………………………… 135

6.5 推迟势………………………………………………………………………………… 137

第7章 平面时谐电磁波……………………………………………………………………… 140

7.1 波的基本概念………………………………………………………………………… 140

7.1.1 一维波…………………………………………………………………………… 141

7.1.2 时谐波…………………………………………………………………………… 143

7.1.3 三维均匀平面时谐波…………………………………………………………… 145

7.1.4 自由空间均匀平面时谐电磁波………………………………………………… 147

7.2 相 量………………………………………………………………………………… 149

7.3 在均匀介质中的波…………………………………………………………………… 151

7.3.1 无耗电介质中的均匀平面波…………………………………………………… 151

7.3.2 损耗介质中的均匀平面波……………………………………………………… 155

7.4 电磁波的功率密度…………………………………………………………………… 160

7.5 均匀平面波的极化…………………………………………………………………… 163

7.5.1 线性极化波……………………………………………………………………… 163

7.5.2 圆极化波………………………………………………………………………… 163

7.5.3 椭圆极化波……………………………………………………………………… 165

7.6 平面波垂直入射分界面……………………………………………………………… 166

7.6.1 电磁波穿过两种无耗介质分界面的功率关系………………………………… 168

7.6.2 驻波比…………………………………………………………………………… 169

7.6.3 平面波在理想导体分界面上的全反射………………………………………… 171

7.7 习 题………………………………………………………………………………… 173

第8章 电磁辐射和天线基础………………………………………………………………… 175

8.1 推迟势的相量形式…………………………………………………………………… 175

8.2 基本电振子与基本磁振子…………………………………………………………… 176

8.2.1 基本电振子……………………………………………………………………… 176

8.2.2 基本磁振子……………………………………………………………………… 181

8.2.3 磁流元与磁壁…………………………………………………………………… 184

8.3 对称振子天线………………………………………………………………………… 185

8.3.1 对称振子天线的辐射场………………………………………………………… 186

8.3.2 半波振子的辐射场……………………………………………………………… 187

8.4 面天线………………………………………………………………………………… 189

8.4.1 惠更斯元的辐射………………………………………………………………… 189

8.4.2 喇叭天线………………………………………………………………………… 194

8.5 习 题………………………………………………………………………………… 196

第9章 传输线理论…………………………………………………………………………… 197

9.1 传输线模型和解……………………………………………………………………… 198

9.1.1 传输线模型……………………………………………………………………… 198

9.1.2 无耗传输线方程及其求解……………………………………………………… 199

9.1.3 传输线参量……………………………………………………………………… 200

9.2 终端条件下的传输线特解…………………………………………………………… 201

9.3 传输线的阻抗………………………………………………………………………… 204

9.3.1 阻抗变换公式…………………………………………………………………… 204

9.3.2 λ/4波长阻抗变换器…………………………………………………………… 205

9.4 (电压)反射系数……………………………………………………………………… 205

9.4.1 反射系数的定义………………………………………………………………… 205

9.4.2 反射系数和阻抗的关系………………………………………………………… 206

9.4.3 反射系数的性质………………………………………………………………… 206

9.4.4 传输线的工作状态……………………………………………………………… 207

9.5 (电压)驻波比………………………………………………………………………… 208

9.5.1 (电压)驻波比的定义…………………………………………………………… 208

9.5.2 驻波比的性质…………………………………………………………………… 208

9.5.3 驻波比和传输线阻抗的关系…………………………………………………… 209

9.5.4 传输线上阻抗的再讨论………………………………………………………… 209

9.6 传输工作参数转化关系小结………………………………………………………… 212

9.7 Smith圆图…………………………………………………………………………… 213

9.7.1 Smith圆图的构成……………………………………………………………… 213

9.7.2 Smith圆图的应用……………………………………………………………… 218

9.8 习 题………………………………………………………………………………… 221

第10章 同轴线和矩形波导………………………………………………………………… 222

10.1 传输线的通解………………………………………………………………………… 223

10.1.1 TEM 波………………………………………………………………………… 226

10.1.2 TE波和TM 波………………………………………………………………… 227

10.2 传输线的衰减………………………………………………………………………… 228

10.2.1 由电介质损耗引起的衰减……………………………………………………… 228

10.2.2 由导体损耗引起的衰减………………………………………………………… 229

10.3 同轴线………………………………………………………………………………… 232

10.3.1 同轴线TEM 模式下的场求解………………………………………………… 232

10.3.2 同轴线的参数…………………………………………………………………… 233

10.4 矩形波导……………………………………………………………………………… 234

10.4.1 矩形波导的TE模……………………………………………………………… 234

10.4.2 矩形波导的TM 模…………………………………………………………… 236

10.5 矩形波导的TE10模………………………………………………………………… 237

10.6 习 题………………………………………………………………………………… 244

第11章 网络理论…………………………………………………………………………… 245

11.1 等效电压和电流……………………………………………………………………… 245

11.2 阻抗矩阵和导纳矩阵………………………………………………………………… 248

11.2.1 阻抗矩阵和导纳矩阵的定义…………………………………………………… 248

11.2.2 典型网络的阻抗矩阵和导纳矩阵……………………………………………… 250

11.2.3 互易网络………………………………………………………………………… 251

11.2.4 互易无耗网络…………………………………………………………………… 254

11.3 传输矩阵……………………………………………………………………………… 255

11.3.1 传输矩阵A 的定义…………………………………………………………… 255

11.3.2 基本网络的传输矩阵…………………………………………………………… 256

11.3.3 传输矩阵的两个定理…………………………………………………………… 257

11.3.4 互易网络、互易无耗网络和对称网络的传输矩阵…………………………… 258

11.3.5 归一化传输矩阵a(也称ABCD 矩阵)………………………………………… 260

11.4 散射矩阵……………………………………………………………………………… 261

11.4.1 散射矩阵的定义………………………………………………………………… 262

11.4.2 二端口散射矩阵的计算(ABCD 矩阵)………………………………………… 264

11.4.3 互易网络、对称网络、互易无耗网络散射矩阵的特点………………………… 265

11.4.4 二端口网络散射矩阵的负载反射变换公式…………………………………… 266

11.5 习 题………………………………………………………………………………… 267

参考文献………………………………………………………………………………………… 268