均勻平面波在無(wú)界媒質(zhì)中的傳播-電磁場(chǎng)與電磁波-課件-謝處方

均勻平面波在無(wú)界媒質(zhì)中的傳播均勻平面波在無(wú)界媒質(zhì)中的傳播是指電磁波在無(wú)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(chǎng)和電磁波電磁場(chǎng)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(chǎng)電磁場(chǎng)是由電荷運(yùn)動(dòng)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(chǎng)在空間中傳播的一種形式，例如可見(jiàn)光、無(wú)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(chǎng)和電磁波電磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的。變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，反之亦然，兩者構(gòu)成電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)以波的形式傳播，稱為電磁波。電磁波是一種橫波，電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(gè)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(diǎn)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(shí)刻波傳播到相同位置的點(diǎn)的集合。平面波是一種理想模型，但現(xiàn)實(shí)中的電磁波通常是球面波。特點(diǎn)平面波在傳播過(guò)程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(diǎn)振動(dòng)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(wú)限延伸理論上，平面波的波面無(wú)限延伸，在實(shí)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(diǎn)相位相同3能量流動(dòng)能量沿傳播方向流動(dòng)4波速波在媒質(zhì)中的傳播速度5偏振電場(chǎng)矢量振動(dòng)方向平面波具有獨(dú)特的傳播特性，能量沿特定方向傳播。波前上的各點(diǎn)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(shí)，電場(chǎng)矢量振動(dòng)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(zhǎng)電磁波的波長(zhǎng)與其頻率成反比，頻率越高，波長(zhǎng)越短。電磁波的波長(zhǎng)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(chǎng)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(shí)，其振幅會(huì)隨著距離的增加而衰減。相速度相速度指電磁波波前移動(dòng)的速度，在損耗媒質(zhì)中，相速度也會(huì)發(fā)生改變。阻抗損耗媒質(zhì)的阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù)，其實(shí)部表示電磁波在媒質(zhì)中傳播時(shí)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(shí)的波形會(huì)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(shí)的阻抗，表示電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比。電磁波傳播波阻抗反映媒質(zhì)對(duì)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(jì)算公式波阻抗可以通過(guò)媒質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率計(jì)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(shí)，部分能量會(huì)被反射回原介質(zhì)。透射部分能量會(huì)穿過(guò)界面進(jìn)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(chǎng)邊界條件電磁場(chǎng)在不同介質(zhì)交界面處的特性。切向分量連續(xù)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量在界面上連續(xù)。法向分量不連續(xù)電場(chǎng)強(qiáng)度的法向分量和磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)，入射光線以各個(gè)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(qiáng)或減弱的現(xiàn)象。這兩者都是電磁波傳播過(guò)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(shí)間內(nèi)通過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度叉積的模。能量流密度單位符號(hào)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(gè)波源發(fā)出的波在空間或時(shí)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(shí)，它們被稱為相干波。非相干性當(dāng)多個(gè)波源發(fā)出的波在頻率、相位或振幅方面不一致時(shí)，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(dá)的探測(cè)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(hào)強(qiáng)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(chǎng)矢量振動(dòng)方向的特性，它與傳播方向垂直。線性偏振電場(chǎng)矢量始終在一個(gè)平面內(nèi)振動(dòng)，稱為線性偏振。圓偏振電場(chǎng)矢量的末端在與傳播方向垂直的平面上描繪一個(gè)圓形，稱為圓偏振。橢圓偏振電場(chǎng)矢量的末端在與傳播方向垂直的平面上描繪一個(gè)橢圓，稱為橢圓偏振。雷達(dá)方程1發(fā)射功率雷達(dá)發(fā)射信號(hào)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(dá)信號(hào)的截面積4雷達(dá)與目標(biāo)距離雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離雷達(dá)方程用于計(jì)算雷達(dá)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，它反映了雷達(dá)發(fā)射功率、天線增益、目標(biāo)反射截面積以及雷達(dá)與目標(biāo)距離等因素對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)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(guò)程中，由于信號(hào)能量的擴(kuò)散而導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度呈平方反比衰減。傳播距離越遠(yuǎn)，路徑損耗就越大，信號(hào)強(qiáng)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(shí)，路徑損耗約為40dB。大氣對(duì)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(huì)散射電磁波，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)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(shí)會(huì)發(fā)生折射，大氣溫度和濕度變化會(huì)導(dǎo)致電磁波路徑發(fā)生偏移。4衰減電磁波在穿過(guò)大氣層時(shí)會(huì)受到吸收、散射和折射的影響，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度衰減。電離層的作用無(wú)線電波反射電離層能反射無(wú)線電波，使無(wú)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(zhǎng)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(yáng)活動(dòng)影響，會(huì)發(fā)生空間天氣事件，影響無(wú)線電通信和衛(wèi)星導(dǎo)航。雷達(dá)跟蹤1目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)發(fā)射電磁波，探測(cè)目標(biāo)的存在2目標(biāo)定位測(cè)量目標(biāo)距離、方位、高度3目標(biāo)跟蹤預(yù)測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡4數(shù)據(jù)處理提取目標(biāo)信息，進(jìn)行分析雷達(dá)跟蹤是利用雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)和跟蹤。雷達(dá)通過(guò)發(fā)射電磁波，接收目標(biāo)反射的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間和方向，確定目標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。雷達(dá)跟蹤在軍事、航空、氣象等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。被動(dòng)式微波遙感被動(dòng)式微波遙感被動(dòng)式微波遙感是利用自然界物體自身輻射的微波信號(hào)進(jìn)行遙感探測(cè)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(diǎn)全天候工作穿透性強(qiáng)可用于探測(cè)地表以下信息應(yīng)用被動(dòng)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(dòng)式微波遙感主動(dòng)式微波遙感主動(dòng)式微波遙感系統(tǒng)發(fā)射微波信號(hào)，并接收反射回來(lái)的信號(hào)。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(dòng)式微波遙感用于各種應(yīng)用，如天氣預(yù)報(bào)、海洋學(xué)和農(nóng)業(yè)。它還可以用于監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害，如洪水和地震。雷達(dá)成像雷達(dá)成像技術(shù)利用雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)，通過(guò)接收反射信號(hào)，形成目標(biāo)的圖像。雷達(dá)成像可以不受天氣和光照條件影響，全天候、全天時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。該技術(shù)在軍事、民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，包括目標(biāo)識(shí)別、地形測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(jiàn)光、紅外線、微波信號(hào)。人造衛(wèi)星遙感在環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源勘探、災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)天線是雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，它決定了雷達(dá)的波束形狀、方