读《微波工程(第三版)》笔记 (8:互易定理与镜像理论)

电磁学互易定理
本文介绍了电磁学中的互易定理,包括其普遍形式及在不同情况下的应用,并通过镜像理论解释了理想导体平面对电磁波的影响。

先搞两个定理,至于媒质分界面上电磁波的反射,先不想记了,之后再记


往期整理
笔记
0:介绍
1:麦克斯韦方程组
2:介质中的场
3:介质中的边界条件
4:波方程和基本平面波的解
5:平面波的通解;补充
6:电磁场能量(坡印廷定理)
7:分界面上电磁波的反射
8:互易定理与镜像理论(本期)
例题
第一次



互易定理

互异性是存在于物理学和工程很多领域的一个普遍概念。

电路中的互易定理

电路中的互易定理一般指:

只含一个电压源(或电流源),不含受控源的线性电阻电路中,电压源(或电流源)与电流表(电压表)互换位置,电流表(电压表)读数不变。

如果将电压电流源看作“输入”,电表看作“输出”,那么就是:

将网络的输入和特定输出互换位置后,输出不因这种换位而有所改变。

电磁学中的互易定理

事实上,还有“卡森互易定理”,但是这里不作分析。

普遍性式

考虑由封闭表面 S S S围成的体积 V V V内的两组分开的源 J 1 → , M 1 → \overrightarrow{J_1},\overrightarrow{M_1} J1 ,M1 J 2 → , M 2 → \overrightarrow{J_2},\overrightarrow{M_2} J2 ,M2 ,分别产生的场为 E 1 → , H 1 → \overrightarrow{E_1},\overrightarrow{H_1} E1 ,H1 E 2 → , H 2 → \overrightarrow{E_2},\overrightarrow{H_2} E2 ,H2 。两组源和场分别满足麦克斯韦方程组,写出他们的旋度方程:

∇ × E 1 → = − j ω μ H 1 → − M 1 → ∇ × H 1 → = j ω ϵ E 1 → + J 1 → ∇ × E 2 → = − j ω μ H 2 → − M 2 → ∇ × H 2 → = j ω ϵ E 2 → + J 2 → (8.1) \begin{aligned} & \nabla\times\overrightarrow{E_1}=-j\omega\mu\overrightarrow{H_1}-\overrightarrow{M_1} \\ & \nabla\times\overrightarrow{H_1}=j\omega\epsilon\overrightarrow{E_1}+\overrightarrow{J_1} \\ & \nabla\times\overrightarrow{E_2}=-j\omega\mu\overrightarrow{H_2}-\overrightarrow{M_2} \\ & \nabla\times\overrightarrow{H_2}=j\omega\epsilon\overrightarrow{E_2}+\overrightarrow{J_2}\tag{8.1} \end{aligned} ×E1 =μH1 M1 ×H1 =ϵE1 +J1 ×E2 =μH2 M2 ×H2 =ϵE2 +J2 (8.1)

考虑量 ∇ ⋅ ( E 1 → × H 2 → − E 2 → × H 1 → ) \nabla\cdot(\overrightarrow{E_1}\times\overrightarrow{H_2}-\overrightarrow{E_2}\times\overrightarrow{H_1}) (E1 ×H2 E2 ×H1 ),可以展开得到:

∇ ⋅ ( E 1 → × H 2 → − E 2 → × H 1 → ) = J 1 → ⋅ E 2 → − J 2 → ⋅ E 1 → + M 2 → ⋅ H 1 → − M 1 → ⋅ H 2 → (8.2) \nabla\cdot(\overrightarrow{E_1}\times\overrightarrow{H_2}-\overrightarrow{E_2}\times\overrightarrow{H_1})=\overrightarrow{J_1}\cdot\overrightarrow{E_2}-\overrightarrow{J_2}\cdot\overrightarrow{E_1}+\overrightarrow{M_2}\cdot\overrightarrow{H_1}-\overrightarrow{M_1}\cdot\overrightarrow{H_2}\tag{8.2} (E1 ×H2 E2 ×H1 )=J1 E2 J2 E1 +M2 H1 M1 H2 (8.2)

在整个体积 V V V内对式(8.2)积分,可得:

∫ V ∇ ⋅ ( E 1 → × H 2 → − E 2 → × H 1 → ) d v = ∮ S ( E 1 → × H 2 → − E 2 → × H 1 → ) d s = ∫ V ( J 1 → ⋅ E 2 → − J 2 → ⋅ E 1 → + M 2 → ⋅ H 1 → − M 1 → ⋅ H 2 → ) d v (8.3) \int_V{\nabla\cdot(\overrightarrow{E_1}\times\overrightarrow{H_2}-\overrightarrow{E_2}\times\overrightarrow{H_1})}dv=\oint_S(\overrightarrow{E_1}\times\overrightarrow{H_2}-\overrightarrow{E_2}\times\overrightarrow{H_1})ds\\=\int_V(\overrightarrow{J_1}\cdot\overrightarrow{E_2}-\overrightarrow{J_2}\cdot\overrightarrow{E_1}+\overrightarrow{M_2}\cdot\overrightarrow{H_1}-\overrightarrow{M_1}\cdot\overrightarrow{H_2})dv\tag{8.3} V(E1 ×H2 E2 ×H1 )dv=S(E1 ×H2 E2 ×H1 )ds=V(J1 E2 J2 E1 +M2 H1 M1 H2 )dv(8.3)

式(8.3)就是洛伦茨互易定理的普遍形式。

特殊情况

对几种特殊情况下的洛伦茨互易定理进行分析

S S S曲面封闭且无源

这时,有 J 1 → = J 2 → = M 1 → = M 2 → = 0 \overrightarrow{J_1}=\overrightarrow{J_2}=\overrightarrow{M_1}=\overrightarrow{M_2}=0 J1 =J2 =M1 =M2 =0,则场 E 1 → , E 2 → , H 1 → , H 2 → \overrightarrow{E_1},\overrightarrow{E_2},\overrightarrow{H_1},\overrightarrow{H_2} E1 ,E2 ,H1 ,H2 为无源场,且式(8.2)等号右侧为0,所以互易定理可以化简为:

∮ S E 1 → × H 2 → ⋅ d s = ∮ S E 2 → × H 1 → ⋅ d s (8.4) \oint_S{\overrightarrow{E_1}\times\overrightarrow{H_2}\cdot ds}=\oint_S{\overrightarrow{E_2}\times\overrightarrow{H_1}\cdot ds}\tag{8.4} SE1 ×H2 ds=SE2 ×H1 ds(8.4)

式(8.4)可以用来阐明互易微波网络的阻抗矩阵对称性。

S S S曲面为理想导体

例如曲面是理想导电封闭腔的内表面。那么式(8.3)的曲面积分为0,所以最后一个等号右边体积分为0,可以得到:

∫ V ( J 2 → ⋅ E 1 → − M 2 → ⋅ H 1 → ) d v = ∫ V ( J 1 → ⋅ E 2 → − M 1 → ⋅ H 2 → ) d v (8.5) \int_V{(\overrightarrow{J_2}\cdot\overrightarrow{E_1}-\overrightarrow{M_2}\cdot\overrightarrow{H_1})dv} = \int_V{(\overrightarrow{J_1}\cdot\overrightarrow{E_2}-\overrightarrow{M_1}\cdot\overrightarrow{H_2})dv}\tag{8.5} V(J2 E1 M2 H1 )dv=V(J1 E2 M1 H2 )dv(8.5)

式(8.5)则颇有电路中互易定理的意思。

换言之,系统的响应 E 1 → , E 2 → \overrightarrow{E_1},\overrightarrow{E_2} E1 E2 不会随着源点和场点的交换而改变;如:由 J 1 → \overrightarrow{J_1} J1 J 2 → \overrightarrow{J_2} J2 处产生的场 E 1 → \overrightarrow{E_1} E1 与由 J 2 → \overrightarrow{J_2} J2 J 1 → \overrightarrow{J_1} J1 处产生的场 E 2 → \overrightarrow{E_2} E2 是相等的。

S S S为无限远处的球面

表面极其远,可以局域地考虑成平面波,可以引入波阻抗来表征电磁场的关系: H → = n ^ × E → / η \overrightarrow{H}=\widehat{n}\times\overrightarrow{E}/\eta H =n ×E /η。因此可以得到:

( E 1 → × H 2 → − E 2 → × H 1 → ) ⋅ n ^ = ( n ^ × E 1 → ) ⋅ H 2 → − ( n ^ × E 2 → ) ⋅ H 1 →    = 1 η H 1 → ⋅ H 2 → − 1 η H 2 → ⋅ H 1 → = 0 (8.6) (\overrightarrow{E_1}\times\overrightarrow{H_2}-\overrightarrow{E_2}\times\overrightarrow{H_1})\cdot \widehat{n}=(\widehat{n}\times\overrightarrow{E_1})\cdot\overrightarrow{H_2}-(\widehat{n}\times\overrightarrow{E_2})\cdot\overrightarrow{H_1}\\ \;\\ =\frac{1}{\eta}\overrightarrow{H_1}\cdot\overrightarrow{H_2}-\frac{1}{\eta}\overrightarrow{H_2}\cdot\overrightarrow{H_1}=0\tag{8.6} (E1 ×H2 E2 ×H1 )n =(n ×E1 )H2 (n ×E2 )H1 =η1H1 H2 η1H2 H1 =0(8.6)


镜像理论

当源位于接地导电平面附近,则会存在反射的影响,使问题较难直接分析。而镜像理论允许把接地平面拿开,将其影响用平面另一端一个(或多个)虚拟的镜像源来替代。

有一个平行于地面的,无限大的,布有表面电流密度 J s → = J s 0 x ^ \overrightarrow{J_s}=J_{s0}\widehat{x} Js =Js0x 的平面,放置于 z = d z=d z=d处。由于它作为电流源是无限延伸且在 x , y x,y x,y方向都是均匀的,因此它会激励出平面波。

负向(向z<0)传播的波将在分界面(z=0)处反射,反射波会正向(向z>0)传播。因此,在 0 < z < d 0<z<d 0<z<d将形成驻波,在 z > d z>d z>d处则是正向传输波。用 s s s上标代表驻波(Standing wave), + + +上标代表正向传输波,可以写出下面的式子:

E x s = A ( e j k 0 z − e − j k 0 z ) ,          0 < z < d (8.7a) E^s_x=A(e^{jk_0z}-e^{-jk_0z}),\;\;\;\;0<z<d\tag{8.7a} Exs=A(ejk0zejk0z),0<z<d(8.7a) H y s = − A η 0 ( e j k 0 z + e − j k 0 z ) ,          0 < z < d (8.7b) H^s_y=-\frac{A}{\eta_0}(e^{jk_0z}+e^{-jk_0z}),\;\;\;\;0<z<d\tag{8.7b} Hys=η0A(ejk0z+ejk0z),0<z<d(8.7b) E x + = B e − j k 0 z ,          z > d (8.7c) E^+_x=Be^{-jk_0z},\;\;\;\;z>d\tag{8.7c} Ex+=Bejk0z,z>d(8.7c) H y + = B η 0 e − j k 0 z ,          z > d (8.7d) H^+_y=\frac{B}{\eta_0}e^{-jk_0z},\;\;\;\;z>d\tag{8.7d} Hy+=η0Bejk0z,z>d(8.7d)

考虑到边界条件。 z = 0 z=0 z=0处,表面电场切向连续已经由式(8.5a)满足。 z = d z=d z=d处也需要电场的连续性和磁场的不连续性(因为存在电流源)。

电场的连续性可得:

E x s = E x + ,          z = d (8.8) E_x^s=E^+_x,\;\;\;\;z=d\tag{8.8} Exs=Ex+,z=d(8.8)

因此

A ( e j k 0 d − e − j k 0 d ) = B e − j k 0 d      ⇒ A(e^{jk_0d}-e^{-jk_0d})=Be^{-jk_0d} \;\;\Overrightarrow{} A(ejk0dejk0d)=Bejk0d 2 j A sin ⁡ ( k 0 d ) = B e − j k 0 d (8.9) 2jA\sin{(k_0d)}=Be^{-jk_0d}\tag{8.9} 2jAsin(k0d)=Bejk0d(8.9)

再利用磁场切向边界条件:

J s → = z ^ × y ^ ( H y + − H y s ) ∣ z = 0 (8.10) \overrightarrow{J_s}=\widehat{z}\times\widehat{y}(H_y^+-H_y^s)|_{z=0}\tag{8.10} Js =z ×y (Hy+Hys)z=0(8.10)

结合题设 J s → = J s 0 x ^ \overrightarrow{J_s}=J_{s0}\widehat{x} Js =Js0x 可得:

J s 0 = − B η 0 e − j k 0 d − 2 A η 0 c o s ( k + 0 d ) (8.11) J_{s0}=-\frac{B}{\eta_0}e^{-jk_0d}-\frac{2A}{\eta_0}cos(k+0d)\tag{8.11} Js0=η0Bejk0dη02Acos(k+0d)(8.11)

联立式(8.9)和式(8.11)可解得:

A = − J s 0 η 0 2 e − j k 0 d B = − j J s 0 η 0 s i n ( k 0 d ) (8.12) \begin{aligned} & A=\frac{-J_{s0}\eta_0}{2}e^{-jk_0d} \\ & B=-jJ_{s0}\eta_0sin(k_0d) \end{aligned}\tag{8.12} A=2Js0η0ejk0dB=jJs0η0sin(k0d)(8.12)

因此总场为:

E x s = − j J s 0 η 0 e − j k 0 d s i n ( k 0 z ) ,          0 < z < d (8.13a) E^s_x= -jJ_{s0}\eta_0e^{-jk_0d}sin(k_0z),\;\;\;\;0<z<d \tag{8.13a} Exs=jJs0η0ejk0dsin(k0z),0<z<d(8.13a) H y s = J s 0 e − j k 0 d c o s ( k 0 z ) ,          0 < z < d (8.13b) H^s_y= J_{s0}e^{-jk_0d}cos(k_0z),\;\;\;\;0<z<d \tag{8.13b} Hys=Js0ejk0dcos(k0z),0<z<d(8.13b) E x + = − j J s 0 η 0 e − j k 0 z s i n ( k 0 z ) ,          z > d (8.13c) E^+_x= -jJ_{s0}\eta_0e^{-jk_0z}sin(k_0z),\;\;\;\;z>d \tag{8.13c} Ex+=jJs0η0ejk0zsin(k0z),z>d(8.13c) H y + = − j J s 0 e − j k 0 d s i n ( k 0 z ) ,          z > d (8.13d) H^+_y= -jJ_{s0}e^{-jk_0d}sin(k_0z),\;\;\;\;z>d \tag{8.13d} Hy+=jJs0ejk0dsin(k0z),z>d(8.13d)

此时,如果把导体平面去除,而在 z = − d z=-d z=d引入一块带 − J s → -\overrightarrow{J_s} Js 的镜像源平面,则会发现:
由源产生的场:

E x = { − J s 0 η 0 2 e − j k 0 ( z − d ) , z > d − J s 0 η 0 2 e j k 0 ( z − d ) , z < d E_x=\begin{cases} \frac{-J_{s0}\eta_0}{2}e^{-jk_0(z-d)},z>d \\ \frac{-J_{s0}\eta_0}{2}e^{jk_0(z-d)},z<d \end{cases} Ex={2Js0η0ejk0(zd),z>d2Js0η0ejk0(zd),z<d H y = { − J s 0 2 e − j k 0 ( z − d ) , z > d J s 0 2 e j k 0 ( z − d ) , z < d H_y=\begin{cases} \frac{-J_{s0}}{2}e^{-jk_0(z-d)},z>d \\ \frac{J_{s0}}{2}e^{jk_0(z-d)},z<d \end{cases} Hy={2Js0ejk0(zd),z>d2Js0ejk0(zd),z<d

而镜像源的场:

E x ′ = { J s 0 η 0 2 e − j k 0 ( z + d ) , z > d J s 0 η 0 2 e j k 0 ( z + d ) , z < d E_x^{'}=\begin{cases} \frac{J_{s0}\eta_0}{2}e^{-jk_0(z+d)},z>d \\ \frac{J_{s0}\eta_0}{2}e^{jk_0(z+d)},z<d \end{cases} Ex={2Js0η0ejk0(z+d),z>d2Js0η0ejk0(z+d),z<d H y ′ = { J s 0 2 e − j k 0 ( z + d ) , z > d − J s 0 2 e j k 0 ( z + d ) , z < d H_y^{'}=\begin{cases} \frac{J_{s0}}{2}e^{-jk_0(z+d)},z>d \\ \frac{-J_{s0}}{2}e^{jk_0(z+d)},z<d \end{cases} Hy={2Js0ejk0(z+d),z>d2Js0ejk0(z+d),z<d

如果将两者叠加,会发现在 0 < z < d 0<z<d 0<z<d z > d z>d z>d处的解和式(8.13)是相同的。

以上,就证明了镜像理论的正确性。而这也同样适用于电偶极子等源的情况。镜像理论具有普遍性,譬如在天线中,也有单振子通过导体平面构成天线阵元的情况。

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