第四章
电磁波的传播
内容概要
1. 有界空间中的电磁波
2. 理想导体边界条件
3. 谐振腔
§ 谐振腔
在无界空间中,电磁波最基本的存在形式为平面电磁波,这种波的电场和磁场都作横向振荡. 这种类型的波称为横电磁(TEM)波.
1. 有界空间中的电磁波
对于理想导体(电导率),电磁波全部被导体反射,穿透深度趋于零,因此,导体表面自然构成电磁波存在的边界.
从电磁波与导体的相互作用可知,电磁波主要是在导体以外的空间或绝缘介质内传播的,只有很小部分电磁能量透入导体表层内.
这种有界空间中传播的电磁波有其本身的特点,而且广泛应用在许多无线电技术的实际问题中.
在微波技术中,常用谐振腔来产生一定频率的电磁振荡和用波导来传输电磁能量. 谐振腔是中空的金属腔,电磁波在腔内以某些特定频率振荡. 波导是中空的金属管,电磁波在波导管内空间中传播,而金属管壁作为电磁场存在的边界制约着管内电磁波的存在形式.
这类有界空间中的电磁波传播问题属于边值问题,在这类问题中导体表面边界条件起着重要作用.
2. 理想导体边界条件
时谐电磁波在两不同介质界面上的边值关系
取角标1代表理想导体, 角标2代表介质.
时谐电磁波(单色波):
如图,设两导体板与y轴垂直. 边界条件为在两导体平面上,
例1 证明两平行无穷大导体平面之间可以传播一种偏振的TEM电磁波.
若沿z轴传播的平面电磁波的电场沿y轴方向偏振, 则此平面波满足导体板上的边界条件, 因此可以在导体板之间传播. 另一种偏振的平面电磁波(电场与导体面相切)不满足边界条件, 因此不能在导体面间存在. 所以在两导体板之间只能传播一种偏振的TEM平面波.
解:
3. 谐振腔
实践上电磁波是用具有特定谐振频率的线路或元件激发. 低频无线电波采用LC回路产生振荡. 在LC回路中, 集中分布于电容内部的电场和集中分布于电感线圈内部的磁场交替激发, 以一定频率振荡
如果要提高谐振频率,必须减小L或C的值.
频率提高到一定限度后, 具有很小的C和L值的电容和电感不能再使电场和磁场集中分布于它们内部, 这时向外辐射的损耗随频率提高而增大.
另一方面由于趋肤效应,焦耳损耗亦增大. 因此LC回路不能有效地产生高频振荡.
在微波范围,通常采用具有金属壁面的谐振腔来产生高频振荡. 在光学中,也采用由反射镜组成的光学谐振腔来产生近单色的激光束.
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