实验二电磁波在介质中的传播规律

电磁场与微波技术实验报告（二）课程实验：电磁波在介质中传播规律班级：姓名：指导老师：实验日期：电磁波在介质中的传播规律一、实验目的：1、用MATLAB 程序演示了电磁波在无损耗、较小损耗和较大损耗情况下的传播博规律；2、结合图像探讨了电磁波在有耗介质中电场强度和磁场强度的能量变化情况；3、学会使用Matlab 进行数值计算，并绘出相应的图形，运用MATLAB 对其进行可视化处理。

二、实验原理 1、电磁场的波动方程一般情况下，电磁场的基本方程是麦克斯韦方程，而我们讨论的介质是各向同性均匀线性的，即（0,0==j ρ）的情形。

麦克斯韦方程组的解既是空间的函数又是时间的函数，而我们只考虑随时间按正弦函数变化的解的形式。

对于这种解，其形式可表示成一个与时间无关的复矢量和一个约定时因子()t j ωex p 相乘，这里ω是角频率。

在这种约定下，麦克斯韦方程组便可表示成[]1ΗE ωμj -=⨯∇ (1) ΕΗωεj =⨯∇ (2) 0=⋅∇Ε (3) 0=⋅∇Η (4) 对方程（1）两边同取旋度，并将式(2)代入便得ΕΕεμω2=⨯∇⨯∇ （5） 利用如下矢量拉普拉斯算子定义以及方程（3）()ΕΕΕ⨯∇⨯∇-⋅∇∇=∇2 （6） 方程（5）式变为[]2022=+∇ΕΕk （7） μεω=k （8） 类似地，可得Β所满足的方程为022=+∇ΒΒk （9） 方程（7）和（9）式称为亥姆霍兹（Helmholtz ）方程，是电磁场的波动方程。

2、平面波解一般的电磁波总可用傅里叶分析方法展开成一系列。

单色平面波的叠加。

所以，对单色平面波的研究具有重要的理论和实际意义。

假定波动方程（7）和（8）式的单色平面波的复式量解为[]3()[]r k ΕΕ⋅-=t j ωex p 0 （10） ()[]r k ΒΒ⋅-=t j ωex p 0 （11） 式中0Ε,0Β分别为Ε,Β振幅，ω为圆频率，k 为波矢量（即电磁波的传播方向）。

()[]t kx j ω-ex p 代表波动的相位因子。

为了描述均匀平面波的相位在空间的变化快慢，在此引入相速的概念，即平面波等相位的传播速度。

很显然等相位面由下面方程决定[]1const kr t =-ω （12）方程（12）两边对时间t 求导可得kdt dr v ω== (13) 由式（8）可知εμ1=v （14）将（10）和（11）式代入我们上面给出的麦克斯韦方程组可得[]300Βk Εω-=⨯ （15） 0201Εk Βωv =⨯ （16） 00=⋅Εk （17） 00=⋅Βk （18） 由（17）和(18)可以看出，介质中传播的电磁波是横波，电场与磁场都与传播方向垂直；由（15）和（16）式可知：0Ε，0Β与k 三者相互垂直，且满足右手螺旋关系。

3、电磁波在线性介质中的传播[]1电磁波在线性介质中的传播，即电介质参数和磁导率都为实数的波传播情况。

由关系式（8）可知，波数k 必为实数。

根据平面波解形式（10）易知，平面电磁波在线性介质中传播，只有相位发生变化，无幅值变化。

将式（15）写成ΗΕk η=⨯ （19）其中⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==εμωμηk 。

而且η的单位是Ω，故称为波阻抗。

其物理意义是垂直于传播方向平面上的电场和磁场的比值。

在线性介质中，波阻抗η为实数，也就是纯电阻，所以电场和磁场同相。

4、电磁波在非线性介质中的传播[]1实际中见到的非线性介质是电介质参数为复数的情形，即"'εεεj -=，譬如海水、湿地。

通常这种介质的损耗是由电导率σ引起，故又有ωσε="。

根据关系式（8）有 2/1"''1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=εεμεωj k （20）将复数k 写成αβj k -= （21）由式（20）不难推出2/12"'1'12⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=εεμεωβ （22）2/12'"'112⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=εεμεωα （23）由此可知，平面电磁波在非线性介质中传播，除了相位以传播常数β随距离变化外，其幅值也要以衰减常数α随距离指数衰减。

此时波阻抗为2/1''"1⎪⎭⎫⎝⎛-==εεεμεμηj （24）由此可知，在非线性介质中，一般来说电场和磁场不再同相。

下面我们分弱耗和良导体中两种情况进行讨论。

在弱耗情况下，即210'"-<εε，式（22），（23），（24）可近似为'μεωβ≈ （25）''"22εμσεμωεα=≈（26） 'εμη=（27） 由此可知，在弱耗情况下，传播常数β与在线性介质中传播下相同，衰减常数α与频率无关，电场和磁场同相。

在良导体下，即2'"10>εε，式（22），（23），（24）可近似为22"ωμσμεωβ=≈ （28）2ωμσβα≈= （29）()σωμη21j += （30）由式（30）可知，在良导体中，电场和磁场不在同相，而是电场始终超前磁场4π。

由式（29）可知，电磁波在良导体中传播衰减很快，很难深入到良导体内部。

一般电磁场能量集中于良导体表面。

为此定义一个趋附深度δ，描述电磁波穿透导体的能力，具体定义式是σδ1=（31）即为电磁波幅值减到原来的≈-1e 时，所传播的厚度。

三、MATLAB 编程步骤1、设定相关物理量的符号表示；2、编好电场、磁场的表达公式；3、根据点电场强度、磁场强度公式运用MATLAB 的相关函数plot,mesh等模拟出电磁波在介质中传播的图像；通过编写MATLAB 程序，我们可以生成相关的MATLAB 图像进行可视化，得到图形。

四、实验内容1、电磁波在平面上传播 程序：t=0::4*pi; T=meshgrid(t); Z=sin(T); surf(Z);MATLAB 图像：2、电磁波在理想介质中传播 程序一：grid on ;%打开网格 x=[0::30];zero=0*ones(size(x)); E=ones(size(x))*0; H=ones(sin(x));t=0; %画动画%for i=1:100 %动画帧数E=exp(0*x).*cos(20*pi*t-x); %电场表达式 改为0，就是无损耗了H=exp(0*x).*cos(20*pi*t-x-3*pi/8); %磁场表达式quiver3(x,zero,zero,zero,zero,E,'Y'); %画电场矢量图hold on;quiver3(x,zero,zero,zero,H,zero,'R'); %画磁场矢量图ti=title('无损耗介质中电磁波传播','color','k');set(ti,'fontsize',20);xlabel('x','fontSize',20);ylabel('y','fontSize',20);zlabel('z','fontSize',20); %标注想x，y，z轴axis([0,30,,,,]); %限定图像范围view(20+2*i,40); %调整视角pause %帧延时t=t+; %时间流逝hold off; %关闭保持end; %结束循环MATLAB图像一：程序二：clearm=3;x=(0::1) *m;figure;grid on;hold on;axis([0,m,-1,1,-1,1])data = zeros(size(x));hy = stem(x,data,'y.');hz = stem(x,data,'r.');n = length(x);i=1;view(3);while 1if i>ndata=[data(end),data(1:end-1)];elsedata=[sin(2*pi*x(i)),data(1:end-1)];endset(hy,'YData',data);set(hz,'ZData',data);drawnowpausei=i+1;endMATLAB图像二：3、电磁波在导体（损耗较小的介质）中传播程序与步骤二大题相同，区别在于：E=exp*x).*cos(20*pi*t-x); %电场表达式的衰减系数由0改为-0。

03H=exp*x).*cos(20*pi*t-x-3*pi/8); %磁场表达式的衰减系数由0改为-0。

03MATLAB图像：4、电磁波在金属（损耗较大的介质）中传播程序与步骤二大题相同，区别在于：E=exp*x).*cos(20*pi*t-x); %电场表达式的衰减系数由0改为H=exp*x).*cos(20*pi*t-x-3*pi/8); %磁场表达式的衰减系数由0改为MATLAB图像：五、实验总结：在以前的学习中，我仅只是使用MATLAB的数值计算的功能，通过这个实验，对于MATLAB强大的仿真功能有了更加深刻的了解，为深层次的学习此软件开了一个很好的头。

通过MATLAB画出的电磁波在介质中的传播能加深我们对电场、磁场的了解，在画图的过程中，我明白了电磁波在介质中传播是有损耗的，在实际生活中，我们已经离不开电磁波了，电磁波技术革新也与我们的生活息息相关，我们要想达到在理想条件下无损耗的传播电磁波，还需要学习更多的知识，像前辈们一样更加努力。

参考文献[1] 盛新庆. 电磁波述论[M]. 北京: 科学出版社, 2007[2] 郭硕鸿. 电动力学（第二版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006[3] 沙湘月, 伍瑞新. 电磁场理论与微波技术[M]. 南京: 南京大学出版社,2004。