平面电磁波极化场矢量的时空机理

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：均勻平面电磁波是无线通信、遥控遥测等无线信息工程中的传输媒介，是多种工程技术的核心环节。不同形式极化的电磁波场强矢量的时空关系，决定着平面电磁波的性质，在电磁波发射、接收、不同介质交界面处波的性质分析中，有着重要作用。对电磁波运动时，各种极化场量的时空机理这一根本关系，建立正确的概念，是充分发挥宏观电磁场（波）在工程技术中功能的前提。电磁波场矢量有其特定运动方式，线极化波场矢量并非随着时间上下起伏地运动，圆极化电磁波也不是随着时间滚动着前进。波动方程Emsin（ωt-βz）能够揭示电磁波运动的真实情况。通过对方程的数学分析，阐明了电磁波运动中极化场量的动、静分布，以及它们的时、空相互关系，为运动中极化场量的时空结构，在严格的数学基础上，展示了一个清晰的图像。
　　关键词：极化场矢量;相位角;时空关系;圆极化;线极化
　　中图分类号：O 441.4 文献标志码：A
　　Abstract：The uniform plane electromagnetic wave is the transmission medium in wireless communication systems， remote control systems and telemetry systems etc. It is the core of many engineering technologies. The spatio-temporal relations of the field intensity vectors of different polarized electromagnetic wave determine the characteristics of the plane electromagnetic wave. It plays an important role in the transmission and the reception of the electromagnetic wave and the analysis of the wave properties at interfaces of different medium. The right concepts on the basic relationship of the spatio-temporal mechanism for different polarized field are the premise for the full performance of macro-scopic electromagnetic field wave in engineering. The electromagnetic wave field vector has its specific motion mode. The linearly polarized wave field vector does not move up and down with time. The circularly polarized electromagnetic wave does not roll forward with time. The wave equation   can reveal the true state of electromagnetic wave motion. Based on the math analysis of the wave equation， this paper clarifies the dynamic and static distribution of the polarized field vectors， together with their spatio-temporal relation， which， on a basis of strict mathematics analysis， presents a clear vision on the spatio-temporal structures of the polarized field vectors in movement.
　　Key words：polarized field vector;phase angle;space-time relation;circular polarigation;linear polarigation
　　0 引 言
　　均匀平面电磁波是电磁波理论分析、工程实践中应用得最多的。无线通信、遥控、遥测等信息工程技术中，凭借平面电磁波传递信息，它是整个系统中的重要环节。电磁波不同的极化方式，其时空关系不同，决定了电磁波的不同性质，在电磁波发射、接收的过程中作用不同，这些重要的物理关系，在如天线工程技术中尤为重要。对极化作用的定义，电磁波场量的时空分布，运动方式，这些较复杂抽象的时空关系，建立正确清晰的概念，是诸多信息、通信、遥控遥测等工程实践中充分发挥电磁波功能的前提。笔者查阅了上世纪40年代至今，70多年数十种重要的国内外文献，多是在电磁波前进方向的一个垂直截面上，分析并定义了线极化、圆极化以及圆极化的旋向，而对于电磁波场量在时间上、空间上的分布相互关系，电磁波运动方式究竟如何，则未见到进一步深入分析讨论的相关论述。极化场矢量的时空关系，线极化和圆极化具有代表性，它们的场矢量在时间上在空间中分布如何，随着时间推移如何运动，圆极化旋向的时空关系，都是电磁波运动的基本性质，这些重要的概念，理应厘清，这是分析研究的一个重点。同样也着重指出，电磁场是一种物质，这种物质以不同的大小和方向，从发射装置中发射出来，形成电磁波的强度和极化方向。以均匀平面电磁波为例，波一经形成之后，就始终保持着原来的不变的形状、大小和方向，在无耗均匀媒质中运动。电磁波作为物质波，波的运动即形成这种波的物质的运动。声波、水波与电磁波，有着表面相似的方程，但声波、水波是介质粒子在各自平衡位置附近的纵向或横向振动形成的表象，介质是不随波一同前进的，在这点上电磁波与声波、水波有着本质上的完全不同。电磁波的波动方程E（r）=Emsin（ωt-βz）ax及其物质性的性质，体现了电磁波的本质特征，通过对方程及其参数的认真分析及计算，是建立正确的电磁波时空科学概念的重要且可靠的方法。 　　1 线极化电磁波
　　1.1 线极化正弦电磁波分析正弦电磁波的线极化分析。在各向同性、线性、均匀介质中，均匀平面电磁波是横向电磁波（TEM波）。由于电、磁场量有确定关系，这里仅就电场矢量来分析[1-3]。设电磁波中电场强度矢量为即电磁波沿z方向前进，矢量E（z，t）指向y轴方向，随时间按正弦变化的波幅值Em为定值。式（1）表明，在任意某z处，垂直z的波阵面上所有点上，在任意t时刻，场矢量E（z，t）均有相同大小和方向[4]。 任取t=t1时刻，场量仅是z的变量的正弦函数，矢量E（z，t）的矢端轨迹是一条处于yz平面上的正弦曲线。此时，任一点z的场量的大小，由该点相位 1如式（2）所示的决定因为t1，z1是在正弦电磁波上任意取的，式（7）表明了一个重要结论，就是线极化电磁波上，任何一点在整个运动过程中，相位始终不变[5-7]。由式（1）可见，上述结论保证了电磁波场矢量在电磁波运动时其值大小不变，而電场矢量E（z，t）的方向是不变的，这样，线极化电磁波的所有电场矢量，在电磁波直线运动的全过程中，始终保持着各自的大小、方向不变，沿着波前进方向的所有平行直线上，全部场矢量，自始至终一直保持着不变的正弦分布状态，在yz平面中以相速v前进[8-11]。正弦波形的所有部分，均没有随时间自身上下起伏波动的情况。
　　1.2 电磁场量、功率流、能量关系取在某个z处垂直于波前进方向的平面上，当电磁波经过时，观察到随时间推移形状不变的正弦分布着的所有场矢量，次第经过平面，在y方向上产生一个随时间变化的时变正弦场量，并在垂直平面（xoy平面）上划出一条长为2Em，y方向上的直线段轨迹，这正是线极化名称的由来[12-15]。平面电磁波推进的过程中，空间连续分布的正弦场量，进入介质时，随时间推移，介质各点，不断感受着时变正弦电磁场[16-17];若电磁波进入导体或天线，则在其中各点产生相应频率时变电磁场引起的电流等相关的电磁变化[18-21]。在某个z处出现的时频电磁场既不是某一个场矢量单独随时间作正弦变化形成的，也不是自身随时间上下起伏波动的系列场量所致。在真空中行进的平面电磁波，其所有场矢量都保持着自身的大小及方向前进;在介质或导体中则引起随时间变化如极化、衰减等情况，这才是事实的真相。以上讨论是就电磁场强度矢量而言，根据麦克斯韦方程
　　看到电场矢量幅度Em=常数，夹角随时间t以角速度ω旋转，矢量的矢端轨迹是一个圆，称为圆极化[29-31]。圆形成时有不同的旋向，当垂直线极化波Ey（z，t）导前水平极化波Ex（z，t）90°时，顺着波前进的方向看时，圆是逆时针旋转，称为左旋圆极化;当水平线极化波Ex（z，t）导前垂直线极化波相位90°时，圆是顺时针旋转的，称为右旋圆极化波[32-36]。
　　2.2 圆极化波电磁场量的时空关系为了厘清概念，下面从分析圆极化波的空间分布着手，分析圆极化电磁场波的时空分布运动关系。设在某个γ=ωt-βz没有变化，螺旋形分布的电场矢量作着沿z轴直线平动的运动[43-45]。
　　2.3 圆极化电场矢量时空旋向的关系以右旋螺旋空间分布的电场矢量为例，设t=t1，β>0，这时场矢量依z值由大处往z值小处看去，电场矢量与y轴夹角，γ=ωt1-βz按逆时针方向逐渐增加。因为z值大处的场矢量，较早通过某确定z0处的垂直平面，z值小处的场矢量较晚通过垂直平面，顺z轴正向看去，在以垂直平面上形成了逆时针旋转的圆形矢端轨迹，即左旋圆极化[46-48]。同样的道理右旋圆极化的空间矢端轨迹为左旋螺旋线[49-51]。磁场矢量时空旋向关系与电场相同。
　　3 结 论
　　1）线极化、圆极化电磁波都是保持一定的空间分布状态，平动前进。线极化波不是上下起伏地前进着，圆极化波也不是以z轴为中心旋转着前进。
　　2）所有矢量分析，都是以几何矢量为表示的，它实际代表的物理量依讨论对象不同而各不相同。这里代表的是电、磁量，几何矢量的长短代表着电磁量强度大小，几何矢量的方向代表电磁量作用的方向。电磁场（波）内不存在电、磁的真实几何矢量。电磁波内任一点均如此。
　　3）不论均匀平面电磁波在真空或是在介质中通过，或者进入导体，任何一点所感知的时变电磁场量，都是空间分布电磁波运动时，不同的场矢量在该点顺序作用的结果，这一点显示了电磁（场）波这种物质本身的特性。
　　参考文献（References）：
　　[1] 张洪欣，沈远茂，韩宇南.电磁场与电磁波[M].北京：清华大学出版社，2016.ZHANG Hong-xin，SHEN Yuan-mao，HAN Yu-nan.Electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Beijing：Tsinghua University Press，2016.
　　[2]钟顺时.电磁场与波[M].北京：清华大学出版社，2015.ZHONG Shun-shi.Electromagnetic field and wave[M].Beijing：Tsinghua University Press，2015.
　　[3]梁灿彬，秦光戎，梁竹健.普通物理学教程[M].北京：高等教育版社，2012.LIANG Can-bin，QIN Guang-rong，LIANG Zhu-jian.Course in general physics[M].Beijing：Higher Education Press，2012.
　　[4]林继成.电磁场与电磁波[M].北京：清华大学出版社，2015.LIN Ji-cheng.Electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Beijing：Tsinghua University Press，2015. 　　[5]严继慈.电磁学[M].合肥：中国科技大学出版社，2013.YAN Ji-ci.Electromagnetism[M].Hefei：China Science and Technology University Press，2013.
　　[6]杨国桢.电磁学与电动力学（下）[M].北京：科学出版社，2014.YANG Guo-zhen.Electromagnetism and electrodynamics[M].Beijing：Science Press，2014.
　　[7]邵小桃.电磁场与电磁波[M].北京：清华大学出版社，2014.SHAO Xiao-tao.Electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Beijing：Tsinghua University Press，2014.
　　[8]Л.Д.朗道，E.M粟弗席兹.场论[M].北京：人民教育出版社，1959.Л.Д.Langdao E.Mlifexici.Field theory[M].Beijing：Renmin Education Press，1959.
　　[9]馮慈璋，马西奎.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社，2000.FENG Ci-zhang，MA Xi-kui.Introduction to engineering electromagnetic field[M].Beijing：Higher Education Press，2000.
　　[10]黎滨洪.电磁场与波[M].上海：上海交通大学出版社，1996.LI Bin-hong.Electromagnetic field and wave[M].Shanghai： Shanghai Jiaotong University Press，1996.
　　[11]王先冲.电磁场理论及应用[M].北京：科学出版社，1986.WANG Xian-chong.Electromagnetic field theory and apply[M].Beijing：Science Press，1986.
　　[12]符果行.电磁场与电磁波基础教程[M].北京：电子工业出版社，2014.FU Guo-xing.Basic course to electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Beijing：Electronics Industry Press，2014.
　　[13]E.M.珀塞尔.电磁学[M].北京：机械工业出版社，2014.E.M.Pa sai er.Electromagnetism[M].Beijing：Engineering Industry Press，2014.
　　[14]张 厚，刘 刚，鞠智芹，等.电磁场与电磁波及其应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.ZHANG Hou，LIU Gang，JU Zhi-qin，et al.Electromagnetic wave and apply[M].Xi’an：Xidian University Press，2012.
　　[15]焦其祥.电磁场与电磁波[M].北京：科学出版社，2012.JIAO Qi-xiang.Electromagnetic field and waves[M].Beijing：Science Press，2012.
　　[16]邬春明.电磁场与电磁波（第2版）[M].北京：北京大学出版社，2012.WU Chun-ming.Electromagnetic field and Electromagnetic wave[M].Beijing：Beijing University Press，2012.
　　[17]曹建章，张正阶，李景镇.电磁场与电磁波理论基础[M].北京：科学出版社，2010.CAO Jian-zhang，ZHANG Zheng-jie，LI Jing-zhen.Theoretical basis of electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Beijing：Science Press，2010.
　　[18]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，1979.XIE Chu-fang，RAO Ke-jin.Electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Beijing：Higher Education Press，1979.
　　[19]毕德显.电磁场理论[M].北京：电子工业出版社，1985.BI De-xian.Theory of electromagnetic field[M].Beijing：Electronics Industry Press，1985.
　　[20]冯慈璋.电磁场[M].北京：高等教育出版社，1979.FENG Ci-zhang.Electromagnetic field[M].Beijing：Higher Press，1979.
　　[21]徐龙道.物理学词典[M].北京：科学出版社，2004.XU Long-dao.Physics dictionary[M].Beijing：Science Press，2004.
　　[22]蔡圣善，朱 耘.经典电动力学[M].上海：复旦大学出版社，1985.CAI Sheng-shan，ZHU Yun.Classical electrodynamics[M].Shanghai：Fudan University Press，1985.
　　[23]王一平.电磁场与波理论基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.WANG Yi-ping.Theoretical basis of electromagnetic field and wave[M].Xi’an：Xidian University Press，2002. 　　[24]吴大猷.理论物理-电磁学[M].北京：科学出版社，1983.WU Da-you.Theoretical physics-electromagnetics[M].Beijing：Science Press，1983.
　　[25]曹昌祺.电动力学[M].北京：人民教育出版社，1961.CAO Chang-qi.Electro dynamics[M].Beijing：Renmin Education Press，1961.
　　[26]塔 姆.电学原理[M].北京：人民教育出版社，1958.TA Mu.Principle of electricity[M].Beijing：Renmin Education Press，1958.
　　[27]Л.Д.朗道，E.M.粟弗席兹.连续媒质电动力学[M].北京：人民教育出版社，1963.Л.Д.Langdao，E.M.Li fo xi zi.Electrodynamics of cantinuous medium[M].Beijing：Renmin Education Press，1963.
　　[28]JackSon J D.Classical electrodynamics[M].New York：London Johan Wiley & Sons，1962.
　　[29]Б.Я.Брунов.Теорця Электрмачнцтночо[M].Поля：Москва Ленинчрад Госэнер издат，1962.B.IA.Brunof.Theory of electromagnetic feild[M].Поля：National Power Press，1962.
　　[30]陈国瑞.工程电磁场与电磁波[M].西安：西北工业大学出版社，1990.CHEN Guo-rui.Engineering electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Xi’an：Northwestern Polytechnicae University Press，1990.
　　[31]钟顺时.电磁场理论基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.ZHONG Shun-shi.Basic theory of electromagnetic field[M].Xi’an：Xidian University Press，1995.
　　[32]倪光正.工程电磁场原理[M].杭州：浙江大学出版社，2000.NI Guang-zheng.Principle of engineering electromagnetic field[M].Hangzhou：Zhejiang University Press，2000.
　　[33]马信山.电磁场基础[M].北京：清华大学出版社，1995.MA Xin-shan.Principle of electromagnetic field[M].Beijing：Tsinghua University Press，1995.
　　[34]杨显清，赵家升，王 园.电磁场与电磁波[M].北京：国防工业出版社，2003.YANG Xian-qing，ZHAO Jia-sheng，WANG Yuan.Electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Beijing：National Defence Industry Press，2003.
　　[35]劳兰 P，考森 D R.电磁场与电磁波（中文版）[M].北京：人民教育出版社，1980.Lao Lan P，Kao Sen D R.Electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Beijing：Renmin Education Press，1980.
　　[36]楼仁海.工程电磁场[M].北京：国防工业出版社，1983.LOU Ren-hai.Engineering electromagnetic field[M].Beijing：National Defence Industry Press，1983.
　　[37]郑钧 D.电磁场与波[M].上海：上海交通大学出版社，1984.Zheng jun D.Electromagnetic field and wave[M].Shanghai：Shanghai Jiaotong University Press，1984.
　　[38]Stiatton J A.Electromagnet theory[M].New York and London：McgrawHiu Book Company，1941.
　　[39]Daniel R.Frankl electromagnet theory[M].Englewood Cliffs.New Jersey：PrenticaHall Inc，1986.
　　[40]晁立東.工程电磁场基础[M].西安：西北大学出版社，2002.CHAO Li-dong.Basis of engineering electromagnetic field[M].Xi’an：Xibei Industral University Press，2002.
　　[41]Nanayana Rao N.Elements of engineering electromagnetics[M].Englewood Cliffs，New Jersey：PrenticeHall，Inc，1977.
　　[42]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，1999.XIE Chu-fang，YAO Ke-jin.Electromagnetic field and electromagnetic wave[M].Beijing：Higher Education Press，1999. 　　[43]Roald K.Wangsness electromagnetic fields John wiley & sons[M].New York：Chichester Brisbane Toronto Singapore，1979.
　　[44]William H，Hayt J R.Engineering electromagnetics[M].Mcgraw Hill：Intenational Book Company Auckland Tokyo，1981.
　　[45]田一涵.电磁场[M].北京：煤炭工业出版社，1991.TIAN Yi-han.Electromagnetic field[M].Beijing：Coal Industry Press，1991.
　　[46]卢万铮，汪文秉.电磁波理论[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.LU Wan-zheng，WANG Wen-bing.Theory of electromagnetic wave[M].Xi’an：Xi’an Electronics Science and Technology University Press，1991.
　　[47]杨儒贵.电磁理论[M].西安：西安交通大学出版社，1991.YANG Ru-gui.Electromagnetics theory[M].Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，1991.
　　[48]孔 J A.电磁波理论[M].北京：人民教育出版社，1980.Kong J A.Theory of electromagnetic wave[M].Beijing：Renmin Eduction Press，1980.
　　[49]玛奇德 L M.电磁场电磁能电磁波（下）[M].北京：人民教育出版社，1982.Mached L M.Electromagnetic field electromagnetic energy electromagneticwave[M].Beijing：Renmin Eduction Press，1982.
　　[50]К.Шцмони.ТеогетилескаЯ Электромехнцка[M].МоскВа：Иэяательстбо МИР，1964.Shimengning K.Theoretical electrical engineering[M].Moskewa：Peace Press，1964.
　　[51]闞仲元.电动力学教程[M].北京：人民教育出版社，1979.KAN Zhong-yuan.Electrodynamics[M].Beijing：Renmin Education Press，1979.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14863760.htm