電磁場與電磁波

本書主要講述宏觀電磁場的基本理論、分析方法和電磁波的基本傳播特性。全書共8 章，包含矢量分析與場論、宏觀電磁場的基本方程、似穩電磁場與靜態電磁場、傳輸線理論基礎、電磁波的輻射、平面電磁波、二維邊值問題的解法、TE 波與TM 波傳輸線。本書在理論構架上遵循由淺入深、循序漸進的學習規律，方便讀者自學；在知識體繫上採用由一般到特殊的演繹推理方法，便於讀者掌握電磁場理論框架；在應用層面上密切結合電磁場與微波技術、無線通信技術等領域的工程案例，具有很強的實用性和趣味性。本書可作為全日制電子信息類和自動化類本科專業“電磁場與電磁波”“工程電磁場”“電磁場與微波技術”等課程的教材，也可作為相關技術人員的自學參考書。

緒論 （1）
第1章 矢量分析與場論（4）
1.1 矢量代數（4）
1.1.1 矢量的表示與和差運算（4）
1.1.2 標量積與矢量積（5）
1.1.3 矢量的三重積（7）
1.2 正交曲面坐標系（7）
1.2.1 廣義正交曲面坐標系（7）
1.2.2 直角坐標系（9）
1.2.3 圓柱坐標系（10）
1.2.4 球坐標系（11）
1.2.5 三種坐標系間的變換（12）
1.3 標量場的梯度（14）
1.3.1 標量場的等值面（14）
1.3.2 方向導數與梯度（14）
1.4 矢量場的通量與散度（17）
1.4.1 矢量場的通量（18）
1.4.2 散度的定義與運算（18）
1.4.3 散度定理（20）
1.5 矢量場的環量與旋度（21）
1.5.1 矢量場的環量（21）
1.5.2 旋度的定義與運算（21）
1.5.3 斯托克斯定理（23）
1.6 無散場與無旋場（24）
1.6.1 無散場（24）
1.6.2 無旋場（25）
1.6.3 調和場（25）
1.7 格林定理與亥姆霍茲定理（26）
1.7.1 格林定理（26）
1.7.2 亥姆霍茲定理（27）
本章小結（27）
自測題（28）
習題一（30）

第2章 宏觀電磁場的基本方程（33）
2.1 電磁場的基本源（33）
2.1.1 電荷與電荷密度（33）
2.1.2 點電荷及其表示（34）
2.1.3 電流與電流密度矢量（34）
2.1.4 電荷守恆定律（35）
2.2 靜電場（36）
2.2.1 真空中電場的基本原理（36）
2.2.2 介質的極化（41）
2.2.3 電通密度與介質中的高斯定理 （43）
2.3 恆定磁場（45）
2.3.1 真空中磁場的基本原理（45）
2.3.2 介質的磁化（49）
2.3.3 磁場強度與介質中的安培環路定理 （50）
2.4 時變電磁場（52）
2.4.1 法拉第-楞次定律（52）
2.4.2 位移電流與全電流定律（53）
2.5 電磁場的普遍方程（54）
2.5.1 麥克斯韋方程組（54）
2.5.2 波動方程（55）
2.5.3 達朗貝爾方程（56）
2.5.4 坡印廷定理（57）
2.6 電磁場的邊界條件（60）
2.6.1 一般情形（60）
2.6.2 兩種特殊的邊界條件（61）
2.7 時諧場（62）
2.7.1 時諧場的復數表示（62）
2.7.2 麥克斯韋方程組和邊界條件的復數表示 （63）
2.7.3 復數形式的波動方程（64）
2.7.4 時諧場中的媒質特性（64）
2.8 時諧場的坡印廷定理（66）
2.8.1 復坡印廷矢量（66）
2.8.2 復坡印廷定理（67）
2.9 時變電磁場的唯一性定理（68）
本章小結（69）
自測題（71）
習題二（74）

第3章 似穩電磁場與靜態電磁場（81）
3.1 似穩電磁場（81）
3.1.1 似穩電磁場的基本方程（81）
3.1.2 低頻電路的似穩電磁場本質（82）
3.1.3 良導體中的電磁場（84）
3.1.4 場源近區的電磁場（85）
3.2 靜態電磁場（87）
3.2.1 靜態電磁場方程（87）
3.2.2 靜態電磁場的邊界條件（88）
3.2.3 靜態電磁場位函數的邊界條件 （88）
3.3 電容（92）
3.3.1 電容的定義（92）
3.3.2 部分電容（93）
3.3.3 電容的計算方法（94）
3.4 電阻（97）
3.4.1 靜電場中的導體（97）
3.4.2 恆定電場中的導體（97）
3.4.3 歐姆定律與焦耳定律（99）
3.4.4 靜電比擬法（100）
3.5 電感（103）
3.5.1 自感（104）
3.5.2 互感（107）
3.6 電磁場的能量*（108）
3.6.1 靜電場的能量（108）
3.6.2 電場力（110）
3.6.3 恆定磁場的能量（111）
3.6.4 磁場力（114）
本章小結（115）
自測題（116）
習題三（118）

第4章 傳輸線理論基礎（123）
4.1 長線與短線（123）
4.2 平行板傳輸線（124）
4.2.1 平行板傳輸線的電報方程（125）
4.2.2 平行板傳輸線中的電磁場（126）
4.3 雙導線（128）
4.3.1 傳輸線的集總電路模型（128）
4.3.2 特性阻抗（129）
4.4 端接負載的無耗傳輸線（133）
4.4.1 長線上的信號與輸入阻抗（133）
4.4.2 幾種典型情形（134）
4.5 史密斯圓圖與阻抗匹配（140）
4.5.1 史密斯圓圖（140）
4.5.2 傳輸線匹配的意義（145）
4.5.3 傳輸線的阻抗匹配（147）
4.6 同軸線（151）
4.7 微帶線（153）
本章小結（156）
自測題（157）
習題四（160）

第5章 電磁波的輻射（162）
5.1 滯後位（163）
5.1.1 電磁場的矢量磁位描述（163）
5.1.2 時諧場位函數的解（163）
5.2 電流元（164）
5.2.1 電流元的輻射場（164）
5.2.2 近區場（166）
5.2.3 遠區場（166）
5.3 對偶原理與磁流元（168）
5.3.1 對偶原理（168）
5.3.2 磁流元和小電流環的輻射（169）
5.4 等效原理與惠更斯元（170）
5.4.1 等效原理（170）
5.4.2 惠更斯元的輻射（171）
5.5 天線的電氣參數（174）
5.5.1 歸一化方向圖（174）
5.5.2 輻射功率和輻射電阻（176）
5.5.3 方向性系數（177）
5.5.4 輻射效率和增益（178）
5.5.5 輸入阻抗與帶寬（179）
5.6 線天線與天線陣（180）
5.6.1 對稱振子的輻射場（180）
5.6.2 半波振子天線（182）
5.6.3 天線陣原理*（185）
本章小結（190）
自測題（191）
習題五（193）

第6章 平面電磁波（197）
6.1 理想介質中的平面電磁波（197）
6.1.1 亥姆霍茲方程的平面電磁波解 （197）
6.1.2 TEM 波的特性（199）
6.1.3 電磁波譜（201）
6.2 導電媒質中的平面波（202）
6.2.1 復傳播常數（202）
6.2.2 良導體中的電磁波（207）
6.2.3 集膚深度與錶面阻抗（208）
6.2.4 電磁波對人體的熱效應（212）
6.3 色散與群速（213）
6.4 電磁波的極化（216）
6.4.1 線極化（216）
6.4.2 圓極化（217）
6.4.3 橢圓極化（217）
6.4.4 圓極化波的應用（219）
6.5 均勻平面波對兩層邊界的垂直入射 （220）
6.5.1 對平面介質邊界的垂直入射 （220）
6.5.2 對平面導體邊界的垂直入射 （225）
6.6 均勻平面波對多層邊界的垂直入射 （227）
6.6.1 等效波阻抗（227）
6.6.2 多層介質界面上的阻抗匹配 （229）
6.7 均勻平面波對介質邊界的斜入射 （230）
6.7.1 沿任意方向傳播的平面波（230）
6.7.2 斯涅耳定律（233）
6.7.3 菲涅耳公式（234）
6.7.4 全透射與全反射（237）
6.8 均勻平面波對導體邊界的斜入射 （238）
6.8.1 垂直極化波情形（238）
6.8.2 平行極化波情形（241）
6.9 電磁散射（243）
6.9.1 瑞利散射（243）
6.9.2 雷達散射截面（244）
本章小結（247）
自測題（248）
習題六（251）

第7章 二維邊值問題的解法（256）
7.1 邊值問題（256）
7.1.1 邊值問題的類型（256）
7.1.2 唯一性定理（257）
7.2 鏡像法（257）
7.2.1 導體平面附近的點電荷（258）
7.2.2 導體劈間的點電荷（259）
7.2.3 導體平面附近的線電荷（260）
7.2.4 接地導體球附近的點電荷（262）
7.2.5 導體圓柱附近的線電荷（263）
7.3 分離變量法（264）
7.3.1 直角坐標系中的分離變量法（265）
7.3.2 圓柱坐標系中的分離變量法（269）
7.3.3 球坐標系中的分離變量法（275）
7.4 有限差分法（278）
7.4.1 有限差分法的基本概念（278）
7.4.2 二維拉普拉斯方程的差分格式（279）
7.4.3 差分方程的求解（280）
本章小結（284）
自測題（284）
習題七（286）

第8章 TE 波與TM 波傳輸線（289）
8.1 導波系統的基本問題（289）
8.1.1 縱向場法（289）
8.1.2 導行波的分類（291）
8.1.3 傳輸線的類型（294）
8.2 矩形波導（294）
8.2.1 TE 波和TM 波的電磁場分量（295）
8.2.2 TE 波和TM 波的傳播特性（298）
8.3 矩形波導的TE10 模（300）
8.3.1 TE10 模的場分佈及傳播特性（300）
8.3.2 波導壁上的電流分佈（301）
8.3.3 TE10 模的能量傳輸（303）
8.3.4 波導中的衰減（303）
8.4 諧振腔（306）
8.4.1 波導諧振腔的諧振頻率（306）
8.4.2 TE10l 模（307）
8.4.3 諧振腔的品質因數（308）
本章小結（310）
自測題（311）
習題八（313）

附錄A 常用矢量計算公式（316）
附錄B 符號和單位與部分國際單位制詞頭（318）
附錄C 雷達與衛星廣播頻段劃分（320）
附錄D 國產矩形波導標準尺寸（321）
附錄E 主要人名編年表（323）
參考文獻（324）