图书简介:
第1章 基本电磁理论 1
1.1 麦克斯韦理论 1
1.1.1 麦克斯韦方程组 1
1.1.2 矢量分析 2
1.2 电磁波的基本概念 9
1.2.1 亥姆霍兹波动方程和波动解 9
1.2.2 时间频率和空间频率 10
1.2.3 极化 13
1.2.4 坡印廷定理 15
1.3 本构关系 17
1.3.1 介质的分类 17
1.3.2 本构矩阵 20
1.4 边界条件 22
1.4.1 电场和磁场的连续性 22
1.4.2 表面电荷和电流密度 23
1.4.3 分界面处的边界条件 23
习题1 24
第2章 均匀介质中波的传播 28
2.1 时谐场 28
2.1.1 时谐场的麦克斯韦方程组 28
2.1.2 复坡印廷定理 29
2.1.3 时谐场中的介质 31
2.1.4 介质中的条件和关系 38
2.2 介质中的kDB坐标系 41
2.2.1 波矢量k 41
2.2.2 kDB坐标系 43
2.2.3 kDB坐标系中的麦克斯韦方程组 45
2.3 各向同性介质中的波 46
2.4 各向异性介质中的波 47
2.4.1 单轴介质 47
2.4.2 回旋介质 52
2.4.3 法拉第旋转 53
2.5 双各向异性介质中的波 56
习题2 61
第3章 反射和透射 66
3.1 平面波的反射和透射 66
3.1.1 不同极化的反射和透射 66
3.1.2 相位匹配 70
3.1.3 全反射和临界角 70
3.1.4 全透射和布儒斯特角 72
3.2 异向介质的反射和透射 73
3.2.1 负各向同性介质 73
3.2.2 单轴介质 74
3.2.3 手征介质 77
3.3 分层介质的反射和透射 80
3.3.1 分层介质中的波 80
3.3.2 分层介质的反射系数 81
3.3.3 传输矩阵和透射系数 82
3.3.4 单层平板介质 83
3.4 异向界面的反射和透射 84
3.4.1 均匀异向界面 84
3.4.2 广义斯涅尔定律 90
习题3 92
第4章 导波和谐振 97
4.1 波导的模式分析 97
4.1.1 波导的导波模式 97
4.1.2 波导的传输特性 99
4.2 平板波导中的导波 100
4.2.1 金属平板波导 100
4.2.2 分层介质平板波导 106
4.2.3 对称介质平板波导 108
4.3 矩形波导中的导波 113
4.3.1 均匀填充矩形波导 113
4.3.2 非均匀填充矩形波导 115
4.4 圆柱波导中的导波 119
4.4.1 金属圆柱波导 119
4.4.2 介质圆柱波导 123
4.5 表面波导中的导波 128
4.5.1 单界面表面波导 128
4.5.2 双界面表面波导 131
4.6 谐振腔 133
4.6.1 矩形谐振腔 133
4.6.2 圆柱谐振腔 136
4.6.3 球体谐振腔 137
4.6.4 谐振腔微扰 140
习题4 143
第5章 辐射 146
5.1 格林函数 146
5.1.1 并矢格林函数 146
5.1.2 辐射场近似 148
5.1.3 矢量势和标量势 150
5.2 赫兹偶极子 151
5.2.1 赫兹电偶极子 151
5.2.2 赫兹磁偶极子 153
5.3 平面分层介质的偶极子辐射 155
5.3.1 谱域格林函数和索末菲恒等式 155
5.3.2 分层介质上方的偶极子 158
5.3.3 分层介质内的偶极子 163
5.4 天线辐射 168
5.4.1 线天线 168
5.4.2 双锥天线 172
5.5 切伦科夫辐射 178
习题5 182
第6章 散射 186
6.1 圆柱散射 186
6.1.1 导体圆柱 186
6.1.2 介质圆柱 188
6.1.3 分层介质圆柱 190
6.2 球体散射 192
6.2.1 瑞利散射 192
6.2.2 米氏散射 195
6.2.3 分层介质球 197
6.3 周期性粗糙表面的散射 200
6.3.1 周期性波纹导体表面 200
6.3.2 周期性波纹介质表面 202
6.4 周期分布介质的散射 208
6.4.1 一阶耦合模态方程 208
6.4.2 周期性调制板的反射和透射 211
6.4.3 二维光子晶体 214
6.4.4 一维周期介质的带隙 215
6.5 体散射介质的等效介电常数 217
6.5.1 体散射介质的简化模型 217
6.5.2 随机离散散射体 219
习题6 223
第7章 电磁定理和原理 227
7.1 唯一性定理 227
7.2 镜像原理 228
7.3 互易定理 230
7.3.1 一般形式的互易定理 230
7.3.2 互易定理的应用 232
7.3.3 互易条件和修正 233
7.4 等效原理 234
7.4.1 等效原理 234
7.4.2 等效原理的应用 238
7.4.3 惠更斯原理 241
7.5 对偶性和互补性 244
7.6 巴比涅原理 247
习题7 249
第8章 电磁学的相对论效应 252
8.1 麦克斯韦-闵可夫斯基理论 252
8.2 洛伦兹变换 254
8.2.1 洛伦兹时空变换 254
8.2.2 场矢量的洛伦兹变换 256
8.2.3 洛伦兹不变量 259
8.2.4 频率和波矢量的变换 260
8.3 运动介质中的波 261
8.3.1 本构关系的变换 261
8.3.2 运动单轴介质中的波 265
8.3.3 运动边界条件和相位匹配 268
8.3.4 运动介质的导波 270
8.4 张量形式的麦克斯韦方程组 274
8.4.1 麦克斯韦方程组的张量形式 274
8.4.2 逆变和协变矢量 276
8.4.3 场张量和激励张量 280
8.4.4 本构关系的张量形式 282
习题8 282
参考文献 286
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自迈入21世纪以来,全球科技创新进入空前密集活跃的时期,以人工智能、量子信息、移动通信、物联网等为代表的信息技术拓展了时间、空间和认知范围,更赋予了人类现代化全新的未来图景。在新一轮科技革命和产业变革及我国转变发展方式的历史性交汇期,我国必须牢牢把握未来颠覆性科技创新的机遇,把握数字化、网络化、智能化融合发展的契机,抢占先机、直面问题、迎难而上,瞄准世界科技前沿,引领科技发展方向。
“高等电磁波理论”作为一门重要的理论课,是信息产业相关专业研究生阶段课程学习的基础。在国内高校中,电子科学与技术学科下属的许多二级学科都已将这门课程设为研究生学位必修课。电磁波理论课程是国内高校研究生普遍感到极具挑战性的课程之一,其主要原因是电磁场和电磁波涉及的公式众多、推导复杂,而相关数学结论与现实之间的联系十分抽象。仿真软件的快速发展能够帮助研究生较为具象地了解电磁场和电磁波,然而,这也导致大部分研究生在没有完全理解电磁理论的前提下,就开始利用仿真软件设计电磁器件,部分研究生甚至连最基本的麦克斯韦方程组都没完全明白,作者对这一现象深表担忧。
针对目前电磁理论学习的现状,为满足信息产业相关专业课程学习的需求,本书作者根据多年教学经验和科研阅历,编写了这本《高等电磁波理论》。
本书具有如下特色:
? 以麦克斯韦方程组为主线,由浅入深、由片面到全面地勾画电磁理论的整体框架,最终服务于信息产业科技前沿应用。
? 详细探讨高等电磁波理论,并在部分章节穿插电磁隐身、电磁超散射、自由电子辐射等方面的案例和扩展阅读。
? 采用传统纸质书本与电子课件结合的形式。依照编写逻辑,引入相应的案例和背景介绍,并设计一定数量的研究型题目。在电子课件中提供与案例和课题对应的知识图谱与视频介绍。
本书是“工业和信息化部‘十四五’规划教材”,全书分8章,较全面地介绍了电磁场和电磁波相关理论知识,主要内容包括:第1章从麦克斯韦方程组出发,介绍基本电磁理论,包括电磁波的基本概念、本构关系、边界条件等;第2章引入时谐场概念,提出了kDB坐标系,进而分析电磁波在各种均匀介质中的传播特性,涵盖各向同性介质、各向异性介质及双各向异性介质等;第3章分析电磁波在不同均匀介质分界面的反射和透射;第4章介绍常见波导中的导波模式和传输特性,以及不同类型谐振腔的电磁特性;第5章讨论求解电磁辐射问题的基本原理及方法;第6章讨论求解电磁散射问题的基本原理及方法;第7章基于麦克斯韦方程组,从唯一性原理出发推导得到分析和求解电磁问题时常用的定理和原理;第8章从洛伦兹协变性出发,介绍基于相对性原理的麦克斯韦理论。
本书语言简明扼要、通俗易懂,具有很强的专业性和实用性。本书是作者在“电磁场和电磁波”与“高等电磁波理论”课堂教学的基础上逐年积累编写而成的。在编写本书时,作者始终遵循下列原则。第一,本书并不是要作为一本包罗万象的电磁理论参考书,其应只包含足够的理论知识,使研究生在未来研究复杂课题时有足够的知识储备。各章节内容和相关知识点,以及每一章节穿插的案例,都是作者深思熟虑选取的,确保研究生在由浅入深、由片面到全面地理解本书内容的同时了解前沿科技的发展。第二,本书的综合定位为研究生课程教材、爱好者学习资料及科研工具书(或参考书)。为满足以上多种需求,将综合纸质书本与电子课件的形式。书本侧重基本电磁理论内容,并加入负各向同性介质、双曲色散介质、手征介质及广义斯涅尔定理等内容;电子课件侧重前沿科技,包括异向介质、超构表面、电磁隐身、电磁超散射、自由电子辐射等方面。第三,作者将进一步发挥团队在高等电磁波理论方面的研究背景。编写内容和教学应相辅相成,始终紧扣一个中心——完整的电磁理论是从麦克斯韦方程组出发的,因而在介绍每个主题时,都应该从麦克斯韦方程组或者基于麦克斯韦方程组的定理开始。
本书提供配套的教学大纲、电子课件PPT、习题参考答案等,请登录华信教育资源网(www.hxedu. com.cn)注册后免费下载,也可联系责任编辑(010-88254113,wangxq@phei.com.cn)获取。
本书由陈红胜、沈炼、林晓、郑斌、王作佳编著。在本书编写过程中,参考和引用的著作与期刊文章只是部分最具代表性的,另一部分参考资料无法确定原出处,故没有在参考文献中一一标注。在此谨向所有作者表示衷心的感谢和真诚的歉意。
由于电子信息技术发展迅速、涉及面广,加上作者水平有限,书中难免存在不妥之处,望广大读者给予批评指正。
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