电磁场与电磁波

绪论

第1章矢量分析

1.1矢量代数

1.1.1标量和矢量

1.1.2矢量的加法和减法

1.1.3矢量的乘法

1.2三种常用的坐标系

1.2.1正交坐标系

1.2.2直角坐标系

1.2.3圆柱坐标系

1.2.4球坐标系

1.3标量场的梯度

1.3.1标量场的等值面

1.3.2方向导数

1.3.3梯度

1.4矢量场的通量与散度

1.4.1通量

1.4.2散度

1.4.3散度定理

1.5矢量场的环量与旋度

1.5.1环量

1.5.2旋度

1.5.3斯托克斯定理

1.6无旋场与无散场

1.6.1无旋场

1.6.2无散场

1.7拉普拉斯运算与格林定理

1.7.1拉普拉斯运算

1.7.2格林定理

1.8亥姆霍兹定理

1.9冲击函数及其性质

习题

第2章静电场与恒定电场

2.1库仑定律与电场强度

2.1.1库仑定律

2.1.2电场强度及其叠加原理

2.2电场强度的通量和散度

2.2.1电场强度的通量

2.2.2电场强度的散度

2.3电场强度的环量及旋度

2.3.1电场强度的环量

2.3.2电场强度的旋度

2.4静电场的电位函数

2.4.1电场强度与电位函数

2.4.2电位函数的表达式

2.5电偶极子

2.5.1电偶极子的电位函数

2.5.2电偶极子静电场的电场强度

2.5.3电偶极子静电场的等位面和电场线

2.6静电场中的导体和介质

2.6.1静电场中的导体

2.6.2静电场中的介质

2.6.3介质中电位移矢量的通量和散度

2.6.4电位移矢量与电场强度的关系

2.7泊松方程与拉普拉斯方程

2.8静电场的边界条件

2.8.1电位移矢量的法向边界条件

2.8.2电场强度的切向边界条件

2.8.3电位函数的边界条件

2.9导体系统的电容

2.9.1双导体及孤立导体的电容

2.9.2多导体的电容系数与部分电容

2.10静电场的能量与静电力

2.10.1静电场的能量

2.10.2静电场的能量密度

2.10.3静电力

2.11恒定电场

2.11.1电流与电流密度矢量

2.11.2恒定电场的基本性质

2.11.3恒定电场的边界条件

2.11.4静电场比拟法与电导

2.11.5损耗功率与焦耳定律

习题

第3章恒定磁场

3.1恒定磁场的基本定律

3.1.1安培力定律

3.1.2毕奥萨伐尔定律

3.2真空中的恒定磁场方程

3.2.1恒定磁场的散度及磁通连续性原理

3.2.2恒定磁场的旋度及安培环路定理

3.2.3恒定磁场的位函数及其方程

3.3磁偶极子与介质的磁化

3.3.1磁偶极子及其矢量磁位

3.3.2介质的磁化

3.3.3介质中的恒定磁场方程

3.4恒定磁场的边界条件

3.4.1磁感应强度的法向边界条件

3.4.2磁场强度的切向边界条件

3.4.3恒定磁场位函数的边界条件

3.5电感

3.5.1自电感

3.5.2互电感

3.5.3电感的计算

3.6恒定磁场的能量和磁场力

3.6.1恒定磁场的能量及能量密度

3.6.2恒定磁场的磁场力

习题

第4章静态场的边值问题及其解法

4.1边值问题的类型及唯一性定理

4.1.1边值问题的分类

4.1.2静电场解的唯一性定理

4.2分离变量法

4.2.1直角坐标系中的分离变量法

4.2.2圆柱坐标系中的分离变量法

4.2.3球坐标系中的分离变量法

4.3镜像法

4.3.1平面镜像

4.3.2球面镜像

4.4有限差分法

4.4.1有限差分法基本原理

4.4.2有限差分法的基本实现方法

习题

第5章时变电磁场

5.1麦克斯韦方程组

5.1.1麦克斯韦第一方程

5.1.2麦克斯韦第二方程

5.1.3麦克斯韦第三方程

5.1.4麦克斯韦第四方程

5.1.5麦克斯韦方程组的形式

5.1.6媒质的本构方程

5.2时变电磁场的边界条件

5.2.1法向场的边界条件

5.2.2切向场的边界条件

5.3时谐电磁场及麦克斯韦方程组的复数形式

5.3.1时谐电磁场的复数形式

5.3.2麦克斯韦方程组的复数形式

5.4时变电磁场的能量及功率

5.4.1坡印亭定理

5.4.2复坡印亭矢量及平均坡印亭矢量

5.5时变电磁场的唯一性定理

5.6电磁场的位函数及波动方程

习题

第6章无界媒质中的均匀平面波

6.1理想介质中的均匀平面波

6.1.1亥姆霍兹方程与均匀平面波

6.1.2理想介质中均匀平面波的特性

6.1.3理想介质中均匀平面波的一般表达式

6.2电磁波的极化

6.2.1线极化

6.2.2圆极化

6.2.3椭圆极化

6.2.4极化波的合成与分解

6.3导电媒质中的均匀平面波

6.3.1导电媒质中的波动方程与均匀平面波

6.3.2导电媒质中均匀平面波的特性

6.3.3良介质与良导体

6.3.4趋肤效应

6.3.5表面阻抗、交流电阻

6.3.6损耗功率

6.4时域有限差分法

6.4.1麦克斯韦方程的差分格式

6.4.2UPML吸收边界条件

习题

第7章均匀平面波在不同媒质分界面的反射与折射

7.1平面波垂直入射到理想导体表面

7.2平面波垂直入射到理想介质间的分界面

7.3平面波斜入射到理想导体表面

7.3.1垂直极化波斜入射

7.3.2平行极化波斜入射

7.4平面波斜入射到理想介质间的分界面

7.4.1平行极化波斜入射

7.4.2垂直极化波斜入射

7.4.3全折射、全反射与表面波

7.5平面波在导电媒质分界面的反射与折射

7.6平面波在多层媒质分界面的垂直入射

7.7人工电磁材料

7.7.1负折射效应

7.7.2完美透镜效应

7.7.3负相速度

7.7.4逆多普勒频移

7.7.5逆切伦科夫辐射

7.7.6完美吸波材料

习题

第8章导行电磁波

8.1导行电磁波传播模式及其传播特性

8.1.1TEM波

8.1.2TM波

8.1.3TE波

8.2双导体传输线

8.2.1平行双线传输系统

8.2.2同轴传输线

8.2.3微带线

8.3矩形波导

8.3.1矩形波导中的TM波

8.3.2矩形波导中的TE波

8.3.3简并模、主模及单模传输

8.3.4矩形波导的传播特性参数及传输功率

8.4圆波导

8.4.1圆波导中的TM波

8.4.2圆波导中的TE波

8.4.3圆波导的传播特性

8.4.4圆波导的几种主要波形

8.5谐振腔

8.5.1谐振腔的基本参数

8.5.2矩形谐振腔

8.5.3圆谐振腔

8.6基片集成波导

习题

第9章电磁辐射

9.1滞后位

9.2电偶极子的辐射

9.2.1电偶极子电磁场的激发与辐射

9.2.2电偶极子的辐射场

9.3磁偶极子的辐射

9.4电与磁的对偶原理

9.5对称振子天线

9.5.1对称振子天线上的电流分布

9.5.2对称振子天线的远区场

9.6天线的基本参数

9.6.1方向性函数、方向图与方向性系数

9.6.2输入阻抗与驻波比

9.6.3极化

9.6.4效率

9.6.5增益

9.6.6波瓣宽度

9.6.7前后比和副瓣电平

9.6.8有效长度与频带宽度

习题

附录A矢量基本运算公式

附录B洛伦兹规范

附录C无线电频段划分

附录D常用导体材料的参数

附录E常用介质材料的参数

附录F常用物理常数

附录G一维吸收边界条件UPML的实现

附录H梯度、散度和旋度的计算公式

附录I习题参考答案

参考文献

本书以基本电磁现象和电磁规律为基础，系统分析和阐述电磁场与电磁波的基本概念、原理及其基本应用，注重展现电磁工程领域的最新科技成果。 全书共分9章，主要内容安排如下：第1章介绍正交坐标系和矢量分析的基本方法、基本定理；第2章分析静电场、恒定电场的基本方程及其性质，讨论静电场的边界条件，介绍电位、电偶极子、静电场中的导体及电容、电场能量及电场力等；第3章分析恒定磁场的基本方程及其性质，讨论恒定磁场的边界条件，介绍矢量磁位、电感、磁场能量及磁场力等；第4章介绍静态场的边值问题，阐述镜像法、分离变量法、有限差分法等；第5章以麦克斯韦方程组为核心研究时变电磁场的性质，并分析边界条件、坡印亭矢量、交变场的位等；第6章介绍平面电磁波在无界媒质中的传播，包括平面波的性质、电磁波的极化、平面波在良介质及良导体中的传播特性等，介绍时域有限差分法；第7章研究电磁波在理想导体表面、理想介质分界面及导电媒质分界面的反射和折射，分析入射空间及透射空间场的性质，并介绍菲涅耳公式、人工电磁材料等；第8章介绍导行电磁波的种类、双导体传输线的性质，分析波导管中电磁场的分布规律、电磁波的传播特性，介绍导波传输系统、谐振腔的基本应用及基片集成波导的概念；第9章介绍电磁波的辐射，包括电偶极子、磁偶极子辐射、电磁场的对偶性、对称振子天线的辐射特性、天线基本参数及应用等。本书可以作为电子信息工程、通信工程、电子科学技术等专业的教材，也可供从事电波传播、射频技术、微波技术、电磁兼容技术的科研和工程技术人员参考。

本教材严格参照教育部《普通高等学校本科专业目录（2012年）》、教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会《电子电气基础课程教学基本要求》编写。在总结教学团队丰富教学经验的基础上，从电磁场应用的角度出发，阐述电磁场与电磁波的基本概念、基本规律和基本的计算方法，培养学生建立起“场”与“波”的概念及联系——学会“场”与“路”的分析方法；掌握用“场”的观点去观察、分析、解决电磁场问题。力争从科学前沿的高度，培养逻辑思维和创新思维能力，提高分析、解决实际电磁工程问题的能力。
（1）易教易学系统阐述理论的同时，注重内容的实用性和可读性，减少理论公式的繁杂数学推导，为公式赋予明确的物理含义，便于理解和运用。
（2）前后衔接强调知识内容和分析方法的前后连贯性，并妥善处理好与前期课程和后续课程的衔接性。
（3）认知规律从认识和理解的规律编排内容，将数学工具工程化，将抽象问题形象化，将复杂问题简单化，将零散问题系统化，并打上作者理解的“标签”。
（4）层次分明以“场”与“波”为主线，以麦克斯韦方程为纽带，对各知识层次按照由浅入深、循序渐进的方式进行划分，环环相扣，前后呼应。
（5）技术前沿介绍电磁科学领域的新进展，激发学习兴趣，启迪创新思想。
（6）教学课件配书教案（PPT）可到清华大学出版社网站本书页面下载。
（7）学习辅导《电磁场与电磁波教学、学习与考研指导》（张洪欣等编著，清华大学出版社）。
（8）实验指导《电磁场与微波技术测量及仿真》（赵同刚等编著，清华大学出版社）。