均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播-電磁場與電磁波-課件-謝處方

均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播均勻平面波在無界媒質(zhì)中的傳播是指電磁波在無限大的均勻介質(zhì)中傳播的情況。這種情況下，電磁波的波前是平面的，并且波的傳播方向與波前垂直。導(dǎo)論電磁場和電磁波電磁場和電磁波是物理學(xué)的重要概念，也是現(xiàn)代科技的基礎(chǔ)。電磁場電磁場是由電荷運動產(chǎn)生的，它們相互作用，并以光速傳播。電磁波電磁波是電磁場在空間中傳播的一種形式，例如可見光、無線電波等。電磁波的重要性電磁波在通信、醫(yī)療、能源、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電磁場和電磁波電磁場是由運動電荷產(chǎn)生的。變化的電場會產(chǎn)生磁場，反之亦然，兩者構(gòu)成電磁場。電磁場以波的形式傳播，稱為電磁波。電磁波是一種橫波，電場和磁場相互垂直，并且垂直于傳播方向。平面波與球面波平面波平面波在空間中沿單個方向傳播。波陣面是平面的，并且波的能量均勻分布。球面波球面波從點源發(fā)出，波陣面是球面，能量以球面方式向外傳播。平面波的定義定義平面波是指波陣面是平面的電磁波。波陣面是同一時刻波傳播到相同位置的點的集合。平面波是一種理想模型，但現(xiàn)實中的電磁波通常是球面波。特點平面波在傳播過程中，電場和磁場的方向相互垂直，且都垂直于波的傳播方向。平面波的能量沿著波的傳播方向均勻分布。平面波的基本性質(zhì)11.方向性平面波在空間中傳播方向一致，波面是平面。22.相位一致平面波上各點振動相位相同。33.均勻性平面波在波面上的振幅和相位保持一致。44.無限延伸理論上，平面波的波面無限延伸，在實際應(yīng)用中，可以近似看作有限的平面波。平面波的傳播特性1傳播方向平面波沿特定方向傳播2相位變化波前上的各點相位相同3能量流動能量沿傳播方向流動4波速波在媒質(zhì)中的傳播速度5偏振電場矢量振動方向平面波具有獨特的傳播特性，能量沿特定方向傳播。波前上的各點相位相同，形成了統(tǒng)一的相位面。平面波的傳播速度取決于媒質(zhì)性質(zhì)，同時，電場矢量振動方向也反映了平面波的偏振特性。電磁波在自由空間中的傳播1速度電磁波在自由空間中的傳播速度為光速，約為每秒299,792,458米。這是所有電磁波在真空中傳播的固定速度。2波長電磁波的波長與其頻率成反比，頻率越高，波長越短。電磁波的波長范圍從幾公里到幾納米不等。3極化電磁波的極化是指其電場方向在空間中的排列方式。電磁波的極化可以是線性極化、圓極化或橢圓極化。損耗媒質(zhì)中的平面波傳播衰減系數(shù)電磁波在損耗媒質(zhì)中傳播時，其振幅會隨著距離的增加而衰減。相速度相速度指電磁波波前移動的速度，在損耗媒質(zhì)中，相速度也會發(fā)生改變。阻抗損耗媒質(zhì)的阻抗是一個復(fù)數(shù)，其實部表示電磁波在媒質(zhì)中傳播時的能量損耗，虛部表示相位變化。波形由于損耗，電磁波在損耗媒質(zhì)中傳播時的波形會發(fā)生畸變，不再是完美的正弦波。波阻抗媒質(zhì)特性描述電磁波在媒質(zhì)中傳播時的阻抗，表示電場強度與磁場強度之比。電磁波傳播波阻抗反映媒質(zhì)對電磁波傳播的阻礙程度，影響電磁波的傳播速度和能量損耗。計算公式波阻抗可以通過媒質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率計算得出，適用于不同類型媒質(zhì)。反射與透射反射當(dāng)電磁波遇到兩種不同介質(zhì)的分界面時，部分能量會被反射回原介質(zhì)。透射部分能量會穿過界面進入另一種介質(zhì)，這部分能量稱為透射波。反射與透射系數(shù)反射系數(shù)和透射系數(shù)分別表示反射波和透射波的能量比例。邊界條件電磁場邊界條件電磁場在不同介質(zhì)交界面處的特性。切向分量連續(xù)電場強度和磁場強度的切向分量在界面上連續(xù)。法向分量不連續(xù)電場強度的法向分量和磁場強度的法向分量在界面上不連續(xù)。漫反射與干涉漫反射是指光線照射到粗糙表面時，入射光線以各個方向反射，形成漫射光。干涉是指兩列或多列波相互疊加，在疊加區(qū)域中產(chǎn)生振幅加強或減弱的現(xiàn)象。這兩者都是電磁波傳播過程中的重要現(xiàn)象。能量流密度能量流密度表示電磁波傳播方向上單位時間內(nèi)通過單位面積的能量。能量流密度通常用坡印廷矢量表示，其大小等于電場強度和磁場強度叉積的模。能量流密度單位符號能量流密度瓦特/平方米S相干性與非相干性相干性相干性指的是多個波源發(fā)出的波在空間或時間上的相關(guān)性。當(dāng)波源的頻率相同、相位差恒定，且波的振幅保持穩(wěn)定時，它們被稱為相干波。非相干性當(dāng)多個波源發(fā)出的波在頻率、相位或振幅方面不一致時，它們被稱為非相干波。應(yīng)用相干波在許多應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，例如激光、干涉儀和全息術(shù)。波束和指向性波束寬度波束寬度是指電磁波能量集中區(qū)域的角度范圍。它決定了雷達的探測范圍和精度。指向性指向性是指電磁波發(fā)射或接收的方向性。高指向性意味著能量集中在特定方向，提高信號強度和抗干擾能力。偏振電磁波的偏振電磁波的偏振是指電場矢量振動方向的特性，它與傳播方向垂直。線性偏振電場矢量始終在一個平面內(nèi)振動，稱為線性偏振。圓偏振電場矢量的末端在與傳播方向垂直的平面上描繪一個圓形，稱為圓偏振。橢圓偏振電場矢量的末端在與傳播方向垂直的平面上描繪一個橢圓，稱為橢圓偏振。雷達方程1發(fā)射功率雷達發(fā)射信號的功率2天線增益天線集中能量的能力3目標(biāo)反射截面積目標(biāo)反射雷達信號的截面積4雷達與目標(biāo)距離雷達與目標(biāo)之間的距離雷達方程用于計算雷達接收到的信號強度，它反映了雷達發(fā)射功率、天線增益、目標(biāo)反射截面積以及雷達與目標(biāo)距離等因素對接收信號強度的影響。自由空間路徑損耗自由空間路徑損耗是指電磁波在自由空間中傳播過程中，由于信號能量的擴散而導(dǎo)致的信號強度衰減。自由空間路徑損耗與傳播距離、發(fā)射頻率和天線增益有關(guān)。隨著傳播距離的增加，自由空間路徑損耗也隨之增大，信號強度呈平方反比衰減。傳播距離越遠(yuǎn)，路徑損耗就越大，信號強度就越弱。圖示表明，在自由空間中，隨著傳播距離的增加，路徑損耗也隨之線性增大，例如，在傳播距離為100公里時，路徑損耗約為40dB。大氣對電磁波的影響1吸收大氣中的氣體分子可以吸收特定頻率的電磁波，例如臭氧層吸收紫外線。2散射大氣中的氣體分子和微粒會散射電磁波，導(dǎo)致信號強度減弱和方向改變，例如瑞利散射。3折射電磁波在不同介質(zhì)中傳播時會發(fā)生折射，大氣溫度和濕度變化會導(dǎo)致電磁波路徑發(fā)生偏移。4衰減電磁波在穿過大氣層時會受到吸收、散射和折射的影響，導(dǎo)致信號強度衰減。電離層的作用無線電波反射電離層能反射無線電波，使無線電波能夠傳播到更遠(yuǎn)的地方。衛(wèi)星通信電離層可以作為衛(wèi)星通信的反射層，用于長距離通信。極光電離層中的帶電粒子與大氣中的原子碰撞，產(chǎn)生極光現(xiàn)象?？臻g天氣電離層受太陽活動影響，會發(fā)生空間天氣事件，影響無線電通信和衛(wèi)星導(dǎo)航。雷達跟蹤1目標(biāo)探測雷達發(fā)射電磁波，探測目標(biāo)的存在2目標(biāo)定位測量目標(biāo)距離、方位、高度3目標(biāo)跟蹤預(yù)測目標(biāo)運動軌跡4數(shù)據(jù)處理提取目標(biāo)信息，進行分析雷達跟蹤是利用雷達系統(tǒng)對目標(biāo)進行連續(xù)的觀測和跟蹤。雷達通過發(fā)射電磁波，接收目標(biāo)反射的信號，根據(jù)信號到達時間和方向，確定目標(biāo)位置和運動軌跡。雷達跟蹤在軍事、航空、氣象等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。被動式微波遙感被動式微波遙感被動式微波遙感是利用自然界物體自身輻射的微波信號進行遙感探測的一種技術(shù)，它不受天氣和晝夜的影響，能夠全天候工作，并在云層和雨雪天氣中穿透，可以獲取地表以下一定深度的信息。特點全天候工作穿透性強可用于探測地表以下信息應(yīng)用被動式微波遙感在農(nóng)業(yè)、水文、氣象、海洋、地質(zhì)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。主動式微波遙感主動式微波遙感主動式微波遙感系統(tǒng)發(fā)射微波信號，并接收反射回來的信號。這可以提供有關(guān)地球表面特征的信息，如地形、土壤水分和植被覆蓋。應(yīng)用主動式微波遙感用于各種應(yīng)用，如天氣預(yù)報、海洋學(xué)和農(nóng)業(yè)。它還可以用于監(jiān)測自然災(zāi)害，如洪水和地震。雷達成像雷達成像技術(shù)利用雷達發(fā)射的電磁波信號，通過接收反射信號，形成目標(biāo)的圖像。雷達成像可以不受天氣和光照條件影響，全天候、全天時對目標(biāo)進行觀測。該技術(shù)在軍事、民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，包括目標(biāo)識別、地形測繪、災(zāi)害監(jiān)測等。人造衛(wèi)星遙感人造衛(wèi)星遙感利用搭載在衛(wèi)星上的傳感器獲取地球表面信息。衛(wèi)星傳感器包括光學(xué)傳感器、微波傳感器等，可以收集各種數(shù)據(jù)，如可見光、紅外線、微波信號。人造衛(wèi)星遙感在環(huán)境監(jiān)測、資源勘探、災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。雷達系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)雷達系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮許多參數(shù)，包括頻率、帶寬、波束寬度、功率、距離分辨率、速度分辨率、噪聲水平等。天線設(shè)計天線是雷達系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，它決定了雷達的波束形狀、方