电磁波

波在自然界中无处不在，它将能量或信息从源头转移到目的地。波是空间和时间的函数。电磁波是一种奇异的波，海因里希·赫兹教授说过电磁波的存在，但更早的时候麦克斯韦自己预言了电磁波的存在。

这些波可以穿过真空或没有介质。这些不同于声波之类的机械波，机械波可以通过物质媒介传播或传输能量。

所以，不同于机械波，电磁波可以在真空中传播。电磁波的典型例子是可见光、无线电波、雷达波和电视信号。电磁波主体是电场和磁场的复合现象。

均匀平面波和波浪方程

均匀平面波的基本概念提供了电磁波在介质中传播的基本认识。均匀平面波是电磁学中的一个基本概念，它是无约束均匀介质中时变场麦克斯韦方程的最简单解。

虽然这样的媒体作为未结合，但在实践中不存在均匀，均匀平面波的基本概念对于电磁波的知识非常有用。此外，均匀的平面波解决方案实际上在许多问题中非常有用和充分。

在介质具有远大于波长的物理尺寸的情况下，该解决方案非常近似于均匀波溶液。

考虑一个均匀的、各向同性的、无界的、没有任何电磁源的介质。在这种情况下，介质的渗透率µ和介电常数є在整个介质上都是常数。因为媒体是免费的，所以没有免费的费用在媒体中。麦克斯韦方程是

∇.d~ = 0

∇。B̅= 0

∇×e̅= - ∂b̅/∂t

叔× H̅= J̅+∂D̅/∂t

从本构关系中，

B̅=μH̅

d̅=єe̅

J̅=Σe̅

渗透μ和介电常数є是由于均匀和非时变介质的时间和空间的常数。因此，麦克斯韦方程成为，

∇。b̅=∇。（μH̅）=μ≥。H̅= 0

∇。H̅= 0 .........（1）

∇。d̅=∇。（єe̅）=є∇。e̅= 0

∇。E̅= 0 ..........(2)

叔× E̅=−∂(µH) /∂t

∇×e̅= - μ∂H̅/∂T.........（3）

∇×H̅=∂（єe̅）/∂t

叔× H̅= σ E̅+ є∂E̅/∂t ..........(4）

综上，∇/∂t是向空间的分化，向时间的分化。从上面的3和4方程可以看出，磁场的时间导数与电场的空间导数有关，电场的时间导数也与电场的空间导数有关。

因此，从这两个方程开始，应注意，在没有相应的电场和磁场的情况下不能存在变化的磁场。因此，必须共存磁场和电场以产生时间变化的田地。

对于这样的时间变化领域，我们无法仅获得磁性或仅电动时间变化的字段。但是，如果时间不变的字段，如静电和静磁场可以没有彼此存在。

取方程3和4的旋度，我们得到

∇×∇×e̅= - μs×∂H̅/∂T

∇×∇×H̅=∇×（Σe̅）+∇（є∂e̅/∂T）

∇和∂/∂t彼此独立，因此操作员可以互换为

∇×∇×e̅= - μ×∂（∇×H̅）/∂T

叔×叔× H̅= σ(叔× E̅)+ є ×∂(叔× E̅)/∂t

从3和4方程式取代（∇×h）和（∇×e）值，我们得到

∇×∇×e̅= - μ×∂/∂t（Σe +є∂∂/∂t）

∇×∇×e̅= - μσ×∂e̅/∂t - μє（∂²E̅/∂t²）

类似的

∇×∇×H̅=σ(−µ∂H̅/∂t) +є×∂/∂t(−µ∂H̅/∂t)

= - μΣ（∂H̅/∂T） - μє（∂²H̅/∂t²）

使用载体标识∇×∇×a =∇（∇。a） - ∇²A，其中A是任意向量，那么上面的方程可以写成

∇（∇.e̅） - ∇²e̅= - μ×∂/∂t（σe̅+є∂∂/∂T）

∇(∇.h̅)−∇²H∞= - μΣ×∂e̅/∂T - μє（∂²E̅/∂t²）

但是等式1和2，（∇.E̅）= 0和（∇.H̅）= 0然后

- ∇²e̅= - μΣ×∂e̅/∂t - μ∈（∂²E̅/∂t²）

∇²E̅=µσ ×∂E̅/∂t +µє(∂²E̅/∂t²)……(5)

这是介质的电场E̅的波动方程。同样

−∇²H̅=−µσ(∂H̅/∂t)−µє(∂²H̅/∂t²）

∇²H̅=μΣ（∂H̅/∂T）+μє（∂²H̅/∂t²)……(6)

这是介质的磁场的波动方程。

上述5、6方程为波动方程，其解代表了三维空间中的波动现象。最后，我们得出结论:对于均匀无界介质中时变场的存在，它们必须以波的形式存在。

此外，电场和磁场必须同时存在。这就是这种现象被称为电磁波的原因。

而自由空间J = 0， σ = 0， є = єo，µ=µo。把这些值代入5和6个方程，我们得到

∇²E̅=µo єo(∂. E²E̅/∂t²）

∇²H̅=µo єo(∂. H²H̅/∂t²）

EM波在Z平面的方向上行进，因此e≥和H∞的载体均与x和y无关。因此，vectoree̅和h̅是z和t的功能。因此，上述等式变为

∂²E̅/∂z²=µo єo(∂²E̅/∂t²）

通过重新安排条款，我们得到

∂²E̅/∂t²=(1/µo єo)(∂²E̅/∂z²）

根据物理的结果，

光的速度V =（1 /√（μoєO））= 3×10⁸小姐

v²=（1 /μє）

以上面的等式代替我们得到

∂²E̅/∂t²= V.²（∂.²E̅/∂z²）

同样∂²H̅= v²（∂.²H̅/∂t²）

平面波传播

介质中的电磁波以磁导率、介电常数和电导率等电参数为特征。电磁波与相互垂直的电场和磁场以及与传播方向垂直的电场和磁场有关。

一般来说，传播的方向是沿着Z轴。所有电磁波在自由空间中的传播速度等于光的速度，即3 × 10⁸小姐。传播的方向是正常的，到由磁电场矢量形成的平面。

这些字段的阶段与x和y轴无关，从而在与传播的方向上垂直的平面表面上不存在相位变化。

在规定取向的平面中均匀的波浪称为平面波动。EM波场（电和磁场）的幅度在XY平面中是恒定的，并且恒定的表面形成平行于XY平面的平面，因此这些波被称为平面波。

根据麦克斯韦旋度方程，振荡电场产生磁通，磁通进一步振荡以产生电场。这两个场之间的相互作用导致储存能量，因此它携带能量。

波的重要特性是振幅、相位或频率，这些特性使波能够将信息从源头传送到目的地。

特别地，均匀平面波是EM波，电场是X和时间T的功能，并且独立于Y和Z轴。

这些波基本上是TEM波（横向EM波），其中E和H场始终具有恒定的大小并且处于时间阶段。由E和H字段传输的功率在传播方向上。

电磁波极化

重要的是要知道，对于一个均匀的平面波，电场矢量的方向随时间而改变，它决定了波的极化。这是因为一些应用程序只能接收或发送一种极化电磁波，最好的例子是射频应用中的不同天线是为一种极化波设计的。

在平面EM波中，电场在X-Z平面中振荡，而磁场在Y-Z平面中振荡。因此，它对应于偏振波。其中电场振荡被定义为极化平面的平面。

偏振仅仅是一种方式，其中电场随着幅度和方向而变化。偏振可以是线性的或圆形的或椭圆形的极化。让我们考虑分别是沿X轴和y轴引导的电场，也是E̅x和e̅y的所用的电场。

线性极化

如果EM波的电场与X轴平行，则据说波是线性X偏振的波。平行于X轴的直线天线可以产生这种类型的偏振波。以类似的方式，沿Y轴生成和定义Y偏振波。

假设E̅同时有E̅x和E̅y两个分量，它们是相的，具有不同的大小。当E̅x和E̅y相同时，E̅x和E̅y的量值同时达到最大值和最小值。所以在正z轴上的任意一点，两个分量的大小之比是常数。

因此，合力电场的方向E̅取决于E̅x和E̅y的相对大小。因此E̅带x轴的夹角由

ϴ= tan^-1迪士尼/交货

其中Ey和Ex分别是E盘和e̅x的大小。

关于时间，该角度是恒定的，因此据说波是线性偏振的。因此，当E̅X和e̅的阶段以不等或相等的大小相位时，在z方向上传播的均匀平面的偏振是线性的。

圆极化

如果两个垂直极化的平面E̅y和E̅x振幅相等，但相位差为90度，则得到的波为圆极化。在这种情况下，在任何时刻，如果任意一个分量的幅值最大，则其他分量的幅值由于相位差而为零。

它也被描述为任意一个分量的振幅逐渐增加，然后其他分量的振幅逐渐减少，反之亦然。因此，合成矢量E̅的大小在任何时刻都是恒定的，但方向是E̅y和E̅x在任何时刻的相对振幅夹角的函数。

如果所得到的电场E̅突出在垂直于传播方向的平面上，则所有此类点的轨迹都是Z轴上的圆形圆形，如图所示。

在一个波长跨度期间，场向量E̅旋转360度或换句话说，完成一个旋转循环，因此据说这种波是圆偏振的。

圆偏振可以是右手圆偏振(RHCP)或左手圆偏振(LHCP)。RHCP波描述的是一种电场矢量沿传播方向顺时针旋转的波。

对于LHCP波，矢量场沿逆时针方向旋转。因此，如果电场向量的两个部件的幅度相等并且在它们之间具有90度的相位差，则均匀平面波的偏振是圆形的。

椭圆形极化

在大多数情况下，波的组分具有不同的幅度，并且在90度以外的不同相角处。这导致椭圆极化。考虑到电场具有振幅不等的组件e̅x和e，并且不相位。

随着波传播，E̅x和e̅y的最大和最小幅度值并不同时存在，并且在不同的时间内发生。因此，所得到的现场向量的方向随时间而变化。

如果追踪场向量E̅的终点轨迹，则可以观察到E̅在平面上作椭圆运动。因此，这种波称为椭圆极化波。

EM波在不同媒体中的传播

在电磁场中，材料被分类为导体，电介质和有损电介质。诸如μ，є和σ的电气参数是决定介质类型的可变参数。不同的材料以不同的方式影响材料。

假设如果我们通过隧道或桥梁，我们的无线电停止接收信号，也可以与当天相比，夜间，我们将经历更好地接收无线电信号。因此，波浪受到材料或环境条件的影响。

因此，有必要知道电磁波的传播，以便选择适当的频率值，电力，波的类型的类型的设计，包括传输线，天线，波导等。

考虑从等式5和6的介质获得的波作为

∇²E̅=µσ ×∂E̅/∂t +µє(∂²E̅/∂t²）

∇²H̅=μΣ（∂H̅/∂T）+μє（∂²H̅/∂t²）

电场和磁场两者都随着均匀的平面波而变化。然后，可以通过JW替换具有各个时间的部分导数。因此，可以写入电磁场和磁场

∇²E̅=μΣ×（JW e̅）+μє（JW）²e̅.

∇²E̅= [jwµ(σ + jw є)] E̅

类似的

∇²H∞= [JWμ（Σ+ JWє）]H∞

以上两个方程被称为波形中的波方程。在上面的等式中，支架内的术语是相同的，并且通过该术语表示波传播的介质的性质。该术语等于传播常数ɣ的平方。然后波动方程变成

∇²e̅=ɣ²e̅.

∇²H̅=ɣ²H

就培养基的性质而言，传播常数被给出

ɣ=√[jwµ(σ + jw є)] = α + j β

通常，当它在介质中行进时，波浪被衰减，因此波浪的幅度变化。这由传播常量的实数表示，它由其给出

α= W-（（μ/ 2）√（1 +（σ/wє）2）） - 1）

类似地，当波通过介质传播时，相变也发生在波中。这种相变用传播常数的虚部表示，给出如下

β= W =（（μє/ 2）√（1 +（σ/wє）2）））+ 1

介质的固有阻抗也可以表示为

η =√[(jwµ)/ (σ + jw є)]

自由空间中的均匀平面波

当自由空间J = 0， σ = 0， є = єo，µ=µo时，传播常数的性质为

α = 0和

β = w√(µo єo)

因此，在自由空间中传播常数是纯虚数。

无损电介质中的均匀平面波

对于完美或无损电介质，性质被给出，σ= 0，є=єOєr和μ=μOμR。在自由空间介质和无损电介质介质中σ= 0，因此两种情况下波传播的分析非常相似。但随着渗透率和介电常数是不同的，随着两种情况的表达变化。

传播速度，v =(1/√(µє))

=（1 /√（μR= O = R））= 1 /（√（μO= O）√（μRєr）））= 1 /（√（μO= O）/√（μRєr）））

因此v = c/√(µr єr) m/s

传播常数,

ɣ=√[jwμ（σ+ jwє）] m-1

将σ = 0， є = єo єr，µ=µoµr代入上述方程，得到理想的或无损的电介质

ɣ= +/- jw√(µє) m-1

并且还衰减常数，α= 0

相位常数，

β = w√(µє) rad/m

内在阻抗，

η =√[(jwµ)/ (σ + jw є)]欧姆

=√（μO/єO）√（μr/єr）

= η o√(µr/ єr)

η=377√（μr/єr）欧姆

损耗介质中的均匀平面波

有损电介质是一种可怜的绝缘体，其中自由电荷在一定程度上进行。它是一种不完美的导体和具有σ≠0的不完美电介质（其是偏心导电介质）。

传播常数为

ɣ=√[JWμ（Σ+ jwє）]

重新安排条件，我们得到

ɣ=√[jw є (1 + (σ/ jw є)) jwµ]

因此，ɣ=α+ jβ= jw√μєє（1 - J（Σ/Wє））

上述等式给出了由于存在自由基因子的存在而与无损电介质不同的介电介质的传播常数。通过代替上述等式中的W，μ，є和σ的值来计算衰减常数α和相位常数。

衰减常数α表示介质中的波信号的某些损失，因此这种类型的介质被称为有损电介质。

同时，由于σ≠0，本征阻抗成为一个复量

η =√[(jwµ)/ (σ + jw є)]

η= |η|∠ө_n欧姆。

由于有络合物的存在，η用极坐标形式表示，如上式所示，其中Өn为电场与磁场的相位差。因此，在有耗介质中，电场和磁场之间存在相位差。

内在阻抗可以表达为

η =√[(jwµ)/ (σ + jw є)]

=√[（jwμ）/ jwє（1 +（σ/ jwє）]

η =(√(µ/ є))(1 /√(1 - j (σ/ w є))欧姆

和角度ө_n被给出

ө_n=½[（π/ 2） - 棕褐色^-1（Wє/σ）]

该角度取决于信号的频率以及有损电介质介质的特性。然后，对于低频信号，W变得非常小。因此，给出相位角

ө_n=（π/ 4）

对于非常高的频率信号，W变得非常大，

ө_n= 0.

因此，用于完整频率范围的有损电介质的өN范围为0‰_n（π/ 4）。

电磁波的应用

通常，波现象构成各个时间变化的电场和磁场。下面给出电磁波的一些应用。除了下面的应用领域之外还有许多其他应用程序，其中电磁波的知识是深刻的使用。

传输线

在低频下电力传输的情况下，电阻，电容，电感等电气参数足以表征完整电路。在这种电路分析中，不考虑电气部件的物理尺寸，并且简单的Kirchoff的定律足以分析电路。

然而，如果频率增加，则必须考虑物理参数的大小，空间也开始在电路分析中发挥作用。

在这种传输中，电压和电流以波的形式存在。这种分析电路并考虑空间因素的方法称为传输线方法。

天线

天线是通信系统中最重要的设备之一，尽管它看起来是一种被动的视图。它可以有效地发射和接收电磁波。已经使用了几种类型的天线来服务不同的应用程序。

随着移动通信的进步，近年来开发了紧凑，多频和高效天线。通过使用从几个瓦的功率范围到大型瓦，这些天线建立了通信。

移动通信

了解无线电环境需要有电磁波传播的知识。在蜂窝系统中，根据信号强度随距离的变化，采用不同的频率复用方案。移动通信的一个重要方面正在衰落。

因此，为了正确预测衰落的行为，信号处理算法需要了解无线电环境。因此，电磁波及其分析在移动通信系统中起着关键作用。

光纤通信

利用复杂的电磁波现象发展出的各种光纤器件是一种高速、高效的长途通信方式。这种通信是现代形式的导波通信。

为了研究光在光纤中的传播，采用了电磁理论。由于光的波动性质的直接结果，光在光纤内部产生模态传播。电磁波理论对于分析光和激光探测器也是非常重要的。

电磁干扰（EMI）和兼容性

通常，电路倾向于提供电磁辐射，特别是当它们切换大电流时。该辐射可能干扰网络中的其他部分或元件，从而影响整体电路性能。

例子是SMPS和高速数字电路产生相当大的电磁干扰。大多数屏蔽电路用于保护电路免受电磁干扰。因此，正确设计这种电磁干扰屏蔽需要电磁波的知识。

射电天文学

射频天文学是物理和电子工程的组合。它是必要的理解电磁波的主要重要领域之一。在天文学中，天空的观察在无线电频率下进行。

这些射频信号在本质上是非常微弱的，因此最先进的通信接收器和天线被用来检测这些信号。因此，在射电天文学中，电磁波的各个方面都被使用。