工程電磁理論

前言

　　自麥克斯韋于1873年發(fā)表其經(jīng)典宏大的電磁學(xué)專(zhuān)著以來(lái)，電磁理論已有近140年的歷史.在其一百多年的發(fā)展歷程中，電磁理論經(jīng)受了許多考驗(yàn)，被無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)所確證，逐漸成為電子和電氣工程的基石.即使在今天，一百多歲的電磁理論依然在科學(xué)探索和技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮著巨大的作用.在工程領(lǐng)域，電磁理論的重要性主要在于電磁現(xiàn)象在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的普遍存在和麥克斯韋方程的精確預(yù)測(cè)功能.自直流到交流、長(zhǎng)波到短波、微波直至光波，從納米尺度到宇宙空間，麥克斯韋方程被證明精確成立.因此，在建立及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，麥克斯韋方程的正確求解可精確預(yù)測(cè)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果.毋庸置言，這一功能在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中極其重大.因此，在無(wú)線(xiàn)通信、生物工程、地球遙感、太空探索、國(guó)防技術(shù)、光電技術(shù)、高頻高速電子技術(shù)等方面，電磁理論都具有廣泛的應(yīng)用.電磁理論同時(shí)也是自然科學(xué)中少有的堪稱(chēng)完美典范的理論之一.其整個(gè)基礎(chǔ)由四個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)潔的方程所奠定，而所有重要的電磁定理和規(guī)律均可由此發(fā)展而來(lái)，所有復(fù)雜電磁現(xiàn)象也可由此得到解釋.電磁理論的發(fā)展過(guò)程，從安培定律和法拉第定律到麥克斯韋方程，是一個(gè)科學(xué)理論發(fā)展的極好范例.因此，電磁理論的講授可使學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)研究的基本法則.　　由于電磁理論在科學(xué)、技術(shù)、工程和高等教育等領(lǐng)域中的重要性，有關(guān)電磁理論的專(zhuān)著和教科書(shū)至今難以勝數(shù).由南京大學(xué)張善杰教授所著的《工程電磁理論》卻并不僅僅是又一本電磁理論著作，該書(shū)具有異于國(guó)內(nèi)外其他專(zhuān)著的一大特點(diǎn)：工程實(shí)用性.除系統(tǒng)全面地介紹了電磁基本理論外，該書(shū)對(duì)幾個(gè)工程上十分重要的問(wèn)題做了極為詳盡全面的處理，并給出了計(jì)算程序用于獲得其數(shù)值結(jié)果.這些問(wèn)題包括多層介質(zhì)的反射，光纖波導(dǎo)的傳播，導(dǎo)電圓柱、介質(zhì)圓柱、介質(zhì)敷層的導(dǎo)電圓柱和多層介質(zhì)圓柱的散射，導(dǎo)電球體、介質(zhì)球體、介質(zhì)敷層的導(dǎo)電球體和多層介質(zhì)球體的散射.而對(duì)圓柱散射，其處理包括了電極化波和磁極化波、正入射和斜入射、平面入射波和柱面入射波.雖然目前電磁問(wèn)題的求解著重于數(shù)值方法，這些經(jīng)典電磁問(wèn)題的解析解及其計(jì)算仍然十分重要；它們可用于實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化后的近似解，更可用于作為驗(yàn)證各種數(shù)值方法的精確解，還可用于培養(yǎng)學(xué)生求解電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題的能力.　　張善杰教授致力于電磁理論和特殊函數(shù)的科研教學(xué)幾十年，在退休后更是投入了大量的時(shí)間和精力完成本書(shū).因此本書(shū)內(nèi)容豐富翔實(shí)，數(shù)學(xué)分析深入嚴(yán)謹(jǐn)，問(wèn)題處理全面實(shí)用，是一本難得的工程電磁理論研究和教學(xué)的參考書(shū)，相信一定會(huì)受到科研和工程技術(shù)人員、教師和學(xué)生的歡迎.

內(nèi)容概要

　　《工程電磁理論》系統(tǒng)地闡述了Maxwell電磁場(chǎng)基本方程、原理和定理；深入分析和討論了平面波的反射、折射和透射；規(guī)則波導(dǎo)的一般理論、矩形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)、同軸波導(dǎo)、光纖波導(dǎo)和波導(dǎo)型諧振腔；線(xiàn)天線(xiàn)的輻射、口徑型天線(xiàn)輻射的一般特性；平面電磁波的條形和矩形導(dǎo)電平板的散射，以及電磁波的圓柱散射和平面波的球散射問(wèn)題?！　　豆こ屉姶爬碚摗房晒╇娮涌茖W(xué)與技術(shù)、信息與通信工程學(xué)科及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的科研和工程技術(shù)人員使用；亦可供從事《工程電磁理論》、《高等電磁場(chǎng)理論》或《時(shí)諧電磁場(chǎng)》課程教學(xué)的教師和研究生參考和學(xué)習(xí)。

書(shū)籍目錄

序言前言第1章 電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)1.1 Maxwell電磁場(chǎng)方程組1.2 本構(gòu)關(guān)系1.3 時(shí)諧電磁場(chǎng)1.4 電磁場(chǎng)邊界條件1.5 Poynting定理1.6 Maxwell場(chǎng)方程的二重性（或?qū)ΨQ(chēng)性、對(duì)偶性）1.7 唯一性定理1.8 鏡像原理1.9 矢量勢(shì)和標(biāo)量勢(shì)、赫茲矢量1.10 波動(dòng)方程1.11 Green函數(shù)法1.12 平面電流源1.13 線(xiàn)電流源1.14 并矢Green函數(shù)法第2章 平面電磁波2.1 理想（無(wú)耗）媒質(zhì)中的均勻平面電磁波2.2 非理想（有耗）媒質(zhì)中的均勻平面電磁波2.3 均勻平面電磁波的極化（偏振）2.4 平面波對(duì)理想介質(zhì)和理想導(dǎo)體平面的垂直入射2.5 平面波對(duì)理想介質(zhì)平面的斜入射——反射和折射定律、nesnel公式2.6 平面波對(duì)理想導(dǎo)體平面的斜入射2.7 平面波對(duì)介質(zhì)夾層的垂直入射2.8 平面波對(duì)介質(zhì)夾層的斜入射2.9 媒質(zhì)中平面波傳播與傳輸線(xiàn)上波傳播的二重性2.10 平面波對(duì)平面多分層媒質(zhì)的斜入射2.11 無(wú)界等離子體旋電媒質(zhì)中的均勻平面電磁波2.12 無(wú)界鐵氧體旋磁媒質(zhì)中的均勻平面電磁波第3章 規(guī)則波導(dǎo)和諧振腔3.1 規(guī)則波導(dǎo)的一般理論3.2 矩形波導(dǎo)3.3 圓柱波導(dǎo)3.4 同軸線(xiàn)3.5 光纖波導(dǎo)3.6 諧振腔的一般概念3.7 矩形諧振腔3.8 圓柱諧振腔3.9 同軸諧振腔3.10 球形諧振腔3.11 諧振腔的微擾第4章 電磁波的輻射和散射4.1 電磁波輻射引言4.2 DAlembert（達(dá)朗貝爾）方程的解——推遲勢(shì)4.3 線(xiàn)電流元（電偶極子）的輻射4.4 小電流環(huán)（磁偶極子）的輻射4.5 天線(xiàn)的主要參數(shù)4.6 對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)的輻射4.7 天線(xiàn)陣4.8 時(shí)諧電磁場(chǎng)方程組具有場(chǎng)源p，J和pm，Jm時(shí)的積分形式解4.9 Huygens-Fresnel原理——Kirchhoff公式4.10 口徑場(chǎng)方法4.11 口徑型天線(xiàn)——口徑場(chǎng)方法的應(yīng)用4.12 電磁波散射引言4.13 TMz平面波的條形導(dǎo)體平板的電磁散射4.14 TEz平面波的條形導(dǎo)電平板的電磁散射4.15 TEx極化平面波的矩形導(dǎo)電平板的電磁散射4.16 TMx極化平面波的矩形導(dǎo)電平板的電磁散射第5章 電磁波的圓柱散射5.1 柱面波函數(shù)一柱面坐標(biāo)系Helmholtz方程的解5.2 平面波的柱面波展開(kāi)式（波變換）5.3 正向入射TMz極化平面波的理想導(dǎo)體圓柱散射5.4 正向入射TEa極化平面波的理想導(dǎo)體圓柱散射5.5 正向入射TMz 極化平面波的介質(zhì)圓柱散射5.6 正向入射TEz極化平面波的介質(zhì)圓柱散射5.7 正向入射TMz平面波的介質(zhì)敷層導(dǎo)體圓柱散射5.8 正向入射TEz平面波的介質(zhì)敷層導(dǎo)體圓柱散射5.9 正向入射TMz平面波的m多層介質(zhì)與介質(zhì)敷層導(dǎo)體圓柱散射5.10 正向入射TEz平面波的m多層介質(zhì)與介質(zhì)敷層導(dǎo)體圓柱散射5.11 斜向入射TMz平面波的理想導(dǎo)體散射5.12 斜向入射TEz平面波的理想導(dǎo)體散射5.13 線(xiàn)源——柱面電磁波的波源5.14 Hankel函數(shù)加法定理5.15 線(xiàn)電流源Ie的TMz柱面波的理想導(dǎo)體圓柱散射5.16 線(xiàn)磁流源Im的TEz柱面波的理想導(dǎo)體散射第6章 平面電磁波的圓球散射6.1 球面波函數(shù)——球面坐標(biāo)系Helmholtz方程的解6.2 平面波的球面波函數(shù)展開(kāi)式（波變換）6.3 球面坐標(biāo)系中時(shí)諧電磁場(chǎng)方程組的矢量勢(shì)法解6.4 入射平面電磁波場(chǎng)的球面波函數(shù)展開(kāi)式6.5 平面電磁波的理想導(dǎo)體球散射6.6 平面電磁波的介質(zhì)球散射6.7 平面電磁波的介質(zhì)敷層導(dǎo)體球散射6.8 平面電磁波的多層球散射參考文獻(xiàn)附錄第1章附錄A σ函數(shù)簡(jiǎn)介B Helmholtz方程的自由空間Green函數(shù)（基本解）C 二維IIelmholtz方程圓柱座標(biāo)系有界問(wèn)題Green函數(shù)之范例D Fourier和Hankel積分變換E 矢量Helmholtz方程有界問(wèn)題（矩形波導(dǎo)）并矢Green函數(shù)之范例第2章附錄A 時(shí)諧電磁場(chǎng)復(fù)量E和H的物理意義B TMz 平面電磁波對(duì)介質(zhì)夾層的斜入射（場(chǎng)分析法）C 平面電磁波對(duì)M平面分層媒質(zhì)的斜入射（場(chǎng)分析法）D 計(jì)算平面電磁波對(duì)介質(zhì)夾層、多分層媒質(zhì)斜入射時(shí)反射系數(shù)的：For-tran程序……第3章 附錄第4章 附錄第5章 附錄 柱散射雷達(dá)散射寬度（SW）的程序計(jì)算第6章 附錄 球散射雷達(dá)散射截面（RCS）的程序計(jì)算數(shù)學(xué)附錄 矢量場(chǎng)論、圓柱和球函數(shù)部分外國(guó)人名英漢對(duì)照表《現(xiàn)代物理基礎(chǔ)叢書(shū)》已出版書(shū)目

章節(jié)摘錄

　　第2章　平面電磁波　　本章分析和討論各向同性媒質(zhì)和無(wú)界各向異性媒質(zhì)中均勻平面波的傳播特性?！　∥覀儗⑹紫扔懻摕o(wú)界各向同性媒質(zhì)中的平面波，包括波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)表示式、波的傳播常數(shù)、波阻抗和波的能流密度、波的極化等：繼而對(duì)含媒質(zhì)分界面為平面時(shí)的雙層媒質(zhì)、三層媒質(zhì)，以及多分層媒質(zhì)情形、平面波的垂直入射和斜入射f具有垂直入射極化與平行入射極化）時(shí)波的傳播特性進(jìn)行了分析；討論了在分層媒質(zhì)中平面波的傳播與在傳輸線(xiàn)上電壓與電流波的傳播的二重性，并建立分層媒質(zhì)中平面波傳播的等效傳輸線(xiàn)電路，從而提供計(jì)算平面波傳播中各分層界面上反射系數(shù)的簡(jiǎn)便方法。最后，在2.11和2.12節(jié)中介紹了在等離子體和鐵氧體各向異性無(wú)界媒質(zhì)中均勻平面電磁波的傳播?！　≡诒菊碌母戒浿蟹治龊陀懻摿藭r(shí)諧場(chǎng)復(fù)量E和H的物理意義；用場(chǎng)分析法推導(dǎo)了TMz波介質(zhì)夾層斜入射、多層媒質(zhì)斜入射的反射系數(shù)公式；以及給出了計(jì)算介質(zhì)夾層、多分層媒質(zhì)反射系數(shù)的程序?！　?.1　理想（無(wú)耗）媒質(zhì)中的均勻平面電磁波　　平面波是指波的等相面為平面，而均勻是指其電場(chǎng)和磁場(chǎng)只沿著傳播方向變化。由于在遠(yuǎn)離場(chǎng)源（如天線(xiàn)）的地方，場(chǎng)源所發(fā)出的球面波其局部可視作為均勻的平面波，因而研究它具有一定實(shí)際意義：此外對(duì)于均勻平面電磁波，由于其數(shù)學(xué)處理較簡(jiǎn)單，且任何復(fù)雜形式的波都可分解為許多均勻平面波的疊加，因而在理論上亦具有重要的意義。

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