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1、Radio Wave Propagation无线电波传播 第五讲 介电常数的运用介质类型(左手介质)射线实际研习问题：磁化等离子体问题中的磁场思索电磁波在磁场的等离子体中的传播实际称为磁离子实际；等离子体中的电荷遭到的作用有：电磁波的电场力电磁波的磁场力外磁场的磁场力与粒子之间的碰撞力在研讨此类问题时假设v c，通常可以忽略电磁波的磁场力，为什么？研习问题：磁化等离子体的色散关系知一个稀薄等离子体由质量为m、电荷为e的自在电荷组成，每单位体积中含有n个电荷，且密度是均匀的，假定可以略去电荷之间的相互作用。一频率为、波数为k的平面电磁波射入该等离子体中。求：(a) 电导率与的关系；(b) 色散关
2、系；(c) 折射率作为的函数关系，讨论 p的情况；(d) 现假定存在一个外磁场B0，设平面波沿B0方向传播，证明对于左、右旋圆偏振波，折射率是不同的。介质类型按介质的宏观电磁特性划分，传播信道大致可分为7种类型1 均匀各向同性无耗介质 介质的电磁参数、为实常数，电磁波以恒速 沿直线传播；由点源辐射的能量随间隔r沿球面分散，那么观测点在t时辰的瞬时电场为 即场的幅度反比于r，而相位延迟正比于r。 2 均匀有耗介质 介质的、为复常数，传播常数 ，沿波矢量方向 r 处的瞬时电场为 即依然以恒速 v = / 沿直线传播，但由于损耗而产生幅度沿途径的指数衰减。损耗普通源于介质分子例如对流层中的氧气与水汽
3、分子及电离层中的带电粒子对电子运动能量的阻尼吸收，并耗费于焦耳热和再辐射。 3 均匀色散介质 介质效应表现为在电磁场作用下的介质极化和磁化，当场量频率超越一定数值时，由于带电粒子的质量有限而能够使效应建立的速度跟不上场的变化，因此介质电磁参数、与频率有关，传播常数 与不为线性关系，那么介质称为时间色散的。当电磁场在介质中的波长很短，即介质的传播常数k很大时，极化和磁化效应同外加电磁场不能视为局域对应，还与附近空间的场量有关，那么介质称为空间色散的 4 均匀各向异性介质从介质中的一点沿不同方向所测的介质特性不同，称为各向异性。各向异性介质有其特征方向，例如，重力或地球磁场方向。因此均匀各向异性介
4、质中单色单频波的等相面不为球面，波矢量方向k与能量传播射线方向S不一致，相速是k与特征方向夹角的函数。在此种介质中，物质的极化和磁化矢量与外加电磁场矢量不一定同向，即介质电磁参数除铁磁物质外，普通只是介电常数为张量，因此，特定方向的介质效应，不仅取决于该方向的场分量，还与其他方向的场分量有关，从而发生波模间的耦合 5 均匀非线性介质 当介质电磁参数、是场强的函数时，本构关系那么具有非线性特性。电离层在强电波加热的情况下就表现出这种非线性特性。普通情况下都设为线性介质 6 非均匀介质 非均匀介质的电磁参数、普通为空间点的函数，因此沿射线途径s,传播常数 。对于慢变介质，沿波矢量方向r处的瞬时电场
5、为波的空间相位与途径长度不仅是简单的线性关系，还存在波的折射即射线弯曲景象。当电磁参数不满足慢变条件而具有恣意的空间分布时，还能够出现反射、散射等效应，波的传播途径和场特性是非常复杂的，普通难于从场方程获得解析解通常只能针对相对简单的介质特性分布方式进展求解，例如，对于平面分层和球面分层以及球形和圆柱形不均匀体等，可以求得一些优势波型的解析解7 非稳定和随机时变介质 普通情况下介质电磁参数是时间和空间坐标的函数，包含着不同空间尺度的非均匀性和不同时间周期的非稳定性以及随机的时空变化。 有耗非均匀时变介质是最普遍的情况，其电磁参数为 。对于电离层还需思索色散、各向异性以及非线性特性。要同时思索一
6、切效应，信道特性是很复杂的 复数介电常数当介质中存在有传导电流有耗介质时，通常用电导率张量 来描画。全电流包含传导电流Jc和位移电流Jd在谐变情况下可以写成式中复介电张量 相当于把传导电流等效为位移电流时的介电常数电磁波在均匀各向同性有耗介质的电磁波在均匀各向同性有耗介质的传播传播 完全导电体，如金属，电磁波是不能够在其中传播的。实践的传播介质通常具有半导电特性，如海水、地壳层及上层大气的电离层。在半导电介质中，各种电子在电磁波场的作用下产生运动，而由于阻尼力将耗费其从电磁波获取的一部分能量，那么介质表现出吸收耗损特性。均匀半导电介质中的传播，是分析研讨各种信道的根底。 相对复介电常数 传播常
7、数 其中为真空中的波常数。 在直角坐标x,y,z中求解麦克斯韦方程的简谐平面波解，沿x方向传播的波场分量为xzyvEH半导电介质中平面波电磁场 电场和磁场具有以下关系：1同自在空间偶极子的辐射场一样，电场与磁场分量及传播方向都相互垂直；2电场与磁场以同样的相速v = c / n 传播，这里为光速，称为介质的相折射指数，其幅度沿传播方向以同样的速率 = k0 p 衰减；3在空间上，磁场分量相对于电场分量出现与介质特性有关的时间相位移。令r = 1, 可得到式中括号内的分式等于导电电流密度与位移电流密度之比，即 此比值的大小直接反映半导电介质的特性，其有耗性质源于其导电性。 当导电电流密度远小于位
8、移电流密度，介质趋近于理想电介质的特性， 折射率导电电流密度远大于位移电流密度时，介质趋近于导体的特性，折射率对于具有同样电磁特性的介质，当运用频率较高时，介质表现为电介质的倾向；而当运用频率较低时，那么介质倾向于导电体的特性。 左手资料Left-Handed Metamaterials补充引见左手介质 简介左手资料简介单色平面波在各向同性无源介质中传播时满足麦克斯韦方程对于左手资料，磁导率 和介电常数 同时小于0，E、H与K构成“左手关系，k与坡映亭矢量 方向相反。由于k代表相速度的方向，所以，在左手资料中，相速度与能量速度方向相反，导致负折射率、反切伦柯夫辐射、逆多普勒效应等奇特的电磁学性
9、质。左手资料中，电场、磁场、波矢量、能流密度的方向EHSk左手资料开展历程1968 年，前苏联科学家Veselago VG 发现介电常数和磁导率都为负值的物质的电磁学性质与常规资料不同，还指出当平面电磁波照射在这样的媒介时，会发生反常的折射景象，不过其在自然界中并不存在，因此他的研讨只是停留在实际上。1996年Pendry 提出了金属线周期构造，这种构造可使介质的介电常数为负。1999 年，Pendry 等人又用电介质体设计了一种具有磁呼应的周期性构造实现了介质磁导率的负值，进而展现了负折射率资料存在的能够性。2002年 ， 美 国 加 州 大 学 Itoh教 授 和 加 拿 大 多 伦 多
10、大 学Eleftheriades教授指点的研讨组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现左手资料的新方法。2003 年美国 Parazzoli C G 等人及Houcl 等人同时分别进展了一系列胜利的实验任务，都明晰而显著地展现出负折射景象；且在不同入射角下丈量到的负折射率是一致的，完全符合 Snell 定律，证明了左手资料的存在。左手资料的电磁特性逆 Doppler 效应由动摇实际可知,当波源和察看者相互接近时察看到的振动频率添加; 两者相互远离时 ,察看到的振动频率减少。但 LHM内波的相速度和群速度方向相反，即能量传播的方向和相位传播的方向相反，所以假设二者相向而行，察看者接纳到的频率会
11、降低，反之那么会升高， 从而出现逆Doppler 效应。当反射界面相对于波源后退时，反射波频率在普通资料内降低，而在LHM 中却会升高。 当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，诱导电流激发次波，当粒子速度超越介质中光速时，这些次波与原来粒子的电磁场相互关涉，从而辐射出电磁场，称为切伦柯夫辐射。正常资料中，干涉后构成的波面，即等相面是一个锥面。电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射出去，是向前辐射的，构成一个向后的锥角，即能量辐射的方向与粒子运动方向夹角。由式子 确定，其中v 是粒子运动的速度。 而在负群速度介质中,能量的传播方向与相速相反，因此辐射将背向粒子的运动方向发出,辐射方向构成
12、一个向前的锥角。正常资料中切伦柯夫表示图负折射资料中切伦柯夫表示图 反常切伦柯夫辐射 当单色平面波入射到两介质界面时就会发生反射和折射景象如左图，其折射景象满足斯涅耳Snell 定律。对于正常资料,该景象称为“正折射；假设介质1 为正常资料，而介质2 为LHM 时，折射光线3 和入射光线1 位于界面法线同侧，相当于折射角为负值，且折射光线的能流密度S 方向与波矢k 方向相反，称为“负折射。折射角大小仍由Snell 定律确定，假设把折射率取为负值，那么Snell定律依然成立。Parazzoli 等人利用左手资料制成了负折射率凹透镜，并验证了凹透镜的聚焦行为。平面曲折射图 负折射效应左手资料的运用
13、左手资料运用于天线 运用于天线覆层的左手资料，将显著地改善贴片天线的方向性。 左手资料作为天线基板可以减少天线的边缘散射，提高天线的辐射效率。左手资料运用于谐振安装左手资料运用于超薄雷达吸波 二维的平面左手资料在某些频段内会表现出高阻抗外表的特性，Engheta 提出利用这一特性设计一种对电磁波有较强吸收的超薄资料。其原理是经过在高阻抗外表载入电阻，使整个外表呈现纯阻性的外表阻抗。经过调整载入的阻值可使外表阻抗接近空气中的波阻抗。这种构造对垂直入射的电磁波有很好的吸收效果，对于斜入射电磁波，虽然存在一定程度反射，但反射波并非原路前往，因此这种外表对电磁波的后向散射截面很小，可用于雷达吸波资料。
14、左手资料的研讨动态及展望左手资料的实现开辟了一个新的领域，人们在对左手资料特性继续进展实际分析研讨的同时也在讨论它的运用前景。 左手资料的反常Cerenkov 辐射能够有助于探测高能带电粒子，反多普勒频移能够研制出体积更小、价钱更低廉的无损探伤设备。 左手资料制造的透镜不会丧失信息，会将一切的光场，包括衰逝场在内，完全复制到像点，能量无损耗，这样可以突破光学分辨率极限，故也称之为理想透镜。目前左手资料的研讨主要集中在微波频带，以实验景象和丈量分析为主，因此目前最值得关注的一个主要问题是设计并制造出符合运用条件的实践资料。 左手资料还可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美透镜、用电磁
15、波隐身等等。 随着纳米技术的进展，采用纳米导线也有能够研制成光波波段的人工媒质，以制造新颖的光子器件。左手资料以它独特的性质必会在新型器件中有宏大的运用潜力。射线实际几何光学或射线实际动摇光学或物理光学电波射线传播的方式：电波射线传播的方式：在无线电波传播过程中，电波射线的传播与几何光学中光线的传播相类似。费尔马原理费尔马原理: 在任一介质中，光线沿光程为极值的路程传播。由光源A射出的光线，经平面镜MN反射后照到点B，求光走过的道路。 简单的情形：BAMNAPP普通的情形：普通的情形：当光线从T到R走过的时间是t，传播速度是光速c，光程为：由费尔马定理，假定衔接TR的射线以参数方程给出，于是利
16、用分部积分和变分原理(在射线公共的端点处变分为零)：那么其中得到介质中电波射线满足的微分方程：假设选取的参数u是弧长s，那么，弧长表示的射线微分方程为：例为什么电波在均匀各向同性介质中以直线传播？由射线微分方程还可得到射线实际中的斯涅尔定律射线实际是描画电波传播的一种方法。射线实际中，Maxwell方程同介质参数一同求解，得到折射率、偏振、场强之间的关系，并用于计算传播特性。只需介质特性是慢变的，介质中波包的传播途径可以由折射特性确定。当一个波长范围内折射率有明显变化时，射线实际不再适用，求解Maxwell方程时需求参与边境条件对每一点定点求解，即需求用全波解实际。全波实际能给出恣意介质中电磁波场的精细构造。
