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1、编号:XXXXXXXXXXXXXXXXX大学本科毕业论文题目：平面电磁波在金属面的反射与折射学院：专业：年级：姓名：指导教师：XXX完成日期：XXX年XX月XX日目录摘要1Abstract 2引言11电磁波在金属面反射与折射的基本理论 11.1电磁波在金属界面上的边值关系11.1.1场量的法向分量在介质面上的跃变 21.1.2场量的切向分量在介质面上的跃变 31.2电磁波在金属面的反射与折射 61.2.1电磁波在一般界面上的反射和折射定律 61.2.2振幅关系Fresnel公式82平面电磁波在良导体面的反射和折射 102.1良导体面上的折射与良导体内的折射波102.2平面电磁波在良导体面的反射
2、 123结语14参考文献15致谢16个人简历17摘要本文以Maxwell方程组为出发点，用简洁明了的理论推导，给出平面电磁波在两种 介质表面上的反射与折射规律，并由此引出了一些重要结论，如趋肤效应，Fresnel公 式等。在对电磁波的传播、电磁波与介质的相互作用等基本规律的认识中，体现电磁学 基本规律在信息技术、通信技术中的理论指导意义和其现实意义。由此得出的结论也为 深入理解光的反射与折射奠定了基础。关键字：平面电磁波，边值关系，麦克斯韦方程，良导体AbstractBased on the Maxwell equati on, it particularly con siders refle
3、ct ion and refractio n of the pla nar electromag netic wave on the in terface betwee n two media by a succi net progress of reas oning. With the work above, some con clusi ons will be reached such as the skin effect and Fresnel formula. These basic laws of electromagnetic are fairly sig nifica nt to
4、 direct the developme nt of in formati on tech no logy and com muni cati on tech no logy .In additi on, the con clusi on con tributes to un dersta nd the reflecti on and refraction of light better.Key words：Planar electromagnetic wave; Boundary relation; Maxwell equation;Good con ductor .引言平面电磁波在良导体
5、表面上的反射和透射问题，是电动力学研究的重要 问题之一，由于它在光学、射电天文学、雷达工程学等方面有着广泛的应用，长期以来受到人们的重视.但因该问题的复杂性人们仅讨论了某些特定的情况如在一般文献与教材中，只讨论了正入射的情况.本文将讨论平面电磁波以任意角度入射到良导体界面上发生反射和透射的情况导出反射波、透射波与入射波的振幅、相移关系式以及反射系数的数学表达式论.并在此基础上作进一步的讨1电磁波在金属面反射与折射的基本理论1.1电磁波在金属界面上的边值关系Mexwell方程组可以应用于任何连续介质内部.但是在两介质分界面上，由于一 般出现面电荷电流分布，使物理量发生跃变，微分形式的麦克斯韦方程
6、组不再适用 因此，在介质分界面上，我们要用另一种形式描述界面两侧的场强以及界面上电荷 电流的关系在电场作用下，介质界面上一般出现面束缚电荷和电流分布这些电荷电流的存 在又使得界面两侧场量发生跃变图i电场在介质面上的跃变Fig.1 Step cha nge of electric field on the object surface例如图1(a)所示的介质与真空分界的情形，在外电场E。作用下，介质面上产生面束缚电荷，这些电荷本身激发的电场在介质内与E0反向，在真空中与Eo同向束缚电荷激发的电场与外电场Eo叠加后的总电场如图1(b)所示，由图可以看出两边的电场E,和E2在界面上发生跃变，边值关系
7、就是描述两侧场 量与界面上电荷电流的关系.由于场量跃变的原因是面电荷电流激发附加的 电磁场，而积分形式的Mexwell方程组可以应用于任意不连续分布的电荷电 流所激发的场，因此我们可以用积分形式的 Mexwel l方程组来研究边值关系1.1.1场量的法向分量在介质面上的跃变Mexwell方程组的积分形式为曲 血*dLLjUfsD-dS(1)dtLSDd S= QfLsBdS =0式中If为通过曲面S的总自由电流，Qf为闭合曲面内的总自由电荷把这组方程应用到界面上可以得到两侧场量的关系图2 Mexwell方程在介面上的应用Fig.2 Applicati on of Mexwell equati
8、on on in terface如图2,我们将总电场的Mexwgll方程一应用到两介质边界上的一个扁平状柱体上式左边 的面积分遍及柱体的上下底和侧面，QQ也分别为柱体 内的总自由电荷和总束缚电荷，它们等于相应的电荷面 密度二.和二乘以底面积：S.当柱体的厚度趋向于零 时，对侧面的积分也趋向于零，对于上下底积分得E2n-XXXXX大学本科毕业论文 % 由式得(3)(4) E2n - Ein - f * P 即PcC2n Pin - - p两式相加，利用 D, = ；EinPin，D2n Xn - P2n，得DM” 二一；f（5 ）由式（3）一（ 5）可以看出，极化矢量法向分量Pn的跃变与束缚电荷
9、面密度相关，Dn的跃变与自由电荷面密度相关，En的跃变与总电荷面密度相关对于磁场Bg（ i）式第四式应用到边界上的扁平状区域上，重复以上推导可以得到B2n = Bin（6）上式说明磁感应强度B在边界上没有发生跃变.i.i.2场量的切向分量在介质面上的跃变由于高频电流只分布在导体表面很薄的一层上，所以，根据研究问题性质的不 同，对于这种电流分布可以有两种不同的描述方法.一种是对它作比较细致的描述，即把它作为体电流分布J而研究它如何在薄层内变化.另一种描述是对它作 整体的描述，即不讨论它如何在薄层内分布，而是把薄层看作几何面，把薄层内流 过的体电流看作集中在几何面上的面电流.由以上分析可见，面电流
10、实际上是在靠近表面的相当多分子层内 的平均宏观效应.设想薄层的厚度趋近于零，则通过电流的横截面变为横截线.定义电流线密度其大小等于垂直通过单位横截线的电流.图3理想薄层内的电流线密度Fig.3 Lin ear curre nt den sity in the图3表示界面的一部分，其上有面电流，其线密度为号,l为横截线.垂直 流过么I段的电流为J .1（7）由于存在面电流，在界面两侧的磁场强度发生跃变.如图4,在界面两旁取一图4界面两侧的磁场跃变Fig.4 Step cha nge of magn etic field in the two sides of in terface狭长形回路，回路
11、的一长边在介质1中，另一长边在介质2中.长边许与面电流 2正交.把Mexwell方程组第二式应用到狭长形回路上.取回路上、下边深入到足够多分子层内部，使面电流完全通过回路内部.从宏观上来说回路短边的长度仍可看作趋向于零，因而有Hjdf = （H2出）纠（8）其中，表示沿-/方向的单位矢量.通过回路内的总自由电流为(9)由于回路所围面积趋向于零，而一为有限量，因而专心总0把这些式子代入(1)第二式中得(10)上式可以用矢量形式表示设寸为界面上任一线元，瓷为界面的法线方向单位矢量.流过寸的自由电流为If-en(11)对狭长形回路用Mexwell方程组第二式得QL H dT= H2 -才=L= a
12、en(由于孑为界面上任一矢量，因此(13)式中表示投射到界面上的矢量.上式再用en矢乘，注意到%x H2H1 = en也九，而且 a = 0，得(14)这就是磁场切向分量的边值关系.同理，由(1)第一式可得电场切向分量的边值关系：enE2岂=(15)上式表明界面两侧1E的切向分量连续.综上，我们得到的边值关系为% E2E1 =。en H2 _ H1 en D2 D, = ;丁（16）en B2 - B| = 0上式中的二和分别代表自由电荷面密度和自由电流线密度是从介质1指向介质2 的法向单位矢量.1.2电磁波在金属面的反射与折射1.2.1电磁波在一般界面上的反射和折射定律电磁波入射于介质界面时
13、，发生反射和折射现象关于反射和折射的规律包括两 个方面：（1）入射角、反射角和折射角的关系；（2）入射波、反射波和折射波的 振幅比和相对相位任何波动在两种不同介质的界面上的反射和折射现象都属于边值问题，它是由波动的基本物理量在边界上的行为确定的，对于电磁波来说，是由电和叫的边值关系确定的所以我们可以用边值关系来研究电磁波的反射和折射规律-（17）前面我们已经推出一般情况下电磁场的边值关系.在一定频率情形下，边值关 系（16）不是完全独立的，由第一、二式可以导出其他两式.因此，在研究时谐电磁 波时，介质界面上的边值关系只需满足以下二式：en E2E1 =0 ； enH2 - H1虽然介质中B是基
14、本物理量，但由于H直接和自由电流相关，而且边界条件也由H表出，因此，在研究电磁波传播问题时，往往用目表示磁场较为方便.设介质1和介质2的分界面为无穷大平面，且平面电磁波从介质1入射于界面 上，在该处产生反射波和折射波设反射波和平面波也是平面波（之后的结果会证明 这个假设是正确的）.设入射波、反射波和折射波的频率是相同的，电场强度分别为 E、E,和旨/波矢量分别为k、k和；，如图5.他们的平面波表示式 分别为E=E0eWZ)E 二 Eeikm(18)E=EeikJ易知，介质1中的总场强为入射波与反射波的场强的叠加，而介质2中只有折射波，因此，由(17 )得enE E 二 enE(19)把(18)
15、代入得e：孩,，Eoeikx=enEeik x(20)此式必须对整个界面成立.选界面为平面z = o和任意x,y成立.所以三个指数 因子必须在此平面上完全相等，故有(21)*. 4 *, 4 -4 4 k_x=k_X=k_xz=0因为X和y是任意的，它们的系数应各自相等，有(22)Inkx= kx= kx，ky= ky= ky如下图，取入射波矢在xz平面上，有ky=，由式(22)知ky和kly也为零.图5界面上的反射波与折射波Fig.5 Reflected wave and refracted wave on the(23)因此，反射波矢和折射波矢都在同一平面上以二、和二”分别代表入射角、反射角和 折射角，有kx=ksi nd, kx=k Si nM 二 k s
