第1章(新) 天线理论基础
时间：2025-07-15
第1章 天线与电波基础1.0 引言1.1 麦克斯韦方程 1.2 边界条件 1.3 媒质的本构关系 1.4 无线电波的辐射
1.5 均匀平面波1.6 天线极化
几个重要的人物：
麦克斯韦：1831年6月出生于英国爱丁堡。1831年，英国法拉第发现电流可以产生磁场。
麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大 科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、 萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果， 建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地 预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现 象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综 合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电 力工业、电子工业和无线电工业的基础。1865年，英国麦克斯韦从理论上预言了电的任何波动可以 在远处产生感应即电磁波的存在、并且电磁波能够从产生 的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验 验证。
赫兹：德国物理学家，生于汉堡。赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的 存在。
1888年1月，赫兹将他的研究成果总结在《论动电效 应的传播速度》一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世 界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论， 至此才取得决定性的胜利。 1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的 发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的 真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。 赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄 以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅 36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种 波动频率的单位，简称“赫”。
马可尼：人类无线电通信的创始人——意大利的马可尼(Marconi,G.W.,1874~1937)与俄国的波波夫(Π oπ oβ ,A.C. 1859~1906)成功地进行 了世界上最早的无线电通讯活动，开创了人类通讯的新纪元。 无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。
敏感的发明家们已经意识到电磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可 尼和俄国的波波夫为代表的科学家、发明家，在前人已掌握的电磁学和电 磁波知识的基础上，大胆探索、奋勇实践，开启了电磁波应用的大门并开 创了无线电通信这门新技术。 意大利人马可尼1901年向新来临的20世纪奉献上的珍贵礼品是一项科 技创新与发明——成功地进行了首次无线电通讯，无线电技术的大发展从 而成为20世纪的热门事情。1906年，美国物理学家费森登发明无线电广播， 使无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。
无 线 电 电 磁 频 谱 表3Hz 300THz 30Hz 300Hz 3k
Hz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz 30THz
音频
基低频
低 频
中 频
高 频
甚高频
特高频
超高频
极高频 12 13 14
(VF)) (VLF) (LF) (MF) (HF) (VHF ) 频段2 8 4 5 6 7 8音 频 视 频
(UHF) (SHF) (EHF)9 10 11
雷达频率 微波频率 红外
超长波
长波
中波
短波
超短波 分米波
厘米波
毫米波
(VLW) (LW) (MW) (SW) (VSW) (米波) 105km 104km 103km 102km 10km 1 1km (公里) 100m 10m 1m (米) 10cm 1cm 1mm 100 10 (微米)
(厘米)(毫米)
场源关系——Maxwell’s equations B D J dS; c E dl s t dS; c H dl s t
D dS s
V
dv Q;
B dS 0s
B D E ; H J ; D ; B 0 t tan2 E1 E 2 0 ;a n 2 H1 H 2 J s ; an2 D1 D2 s ; a n 2 B1 B 2 0 J t
F qE qu B
1.1 麦克斯韦方程组1. 积分形式
D H dl J dS C S t B E dl dS C S t
2. 微分形式 H J D t
E
B dS 0S
B t
B 0 D
D dS qS
法拉第电磁感应定律
变化的磁场产生涡旋电场, 改写了电场的环路定理:
表明:任何电场中,电场强度沿任意闭合曲线的线积 分等于通过以该曲线为边界的任意曲面的磁通量 的时间变化率.
B E dl dS C S t
电磁感应定律
B E t
时变磁场激发时变电场
安培定律 变化的电场产生磁场, 磁场的环路定理:
D H dl J dS C S t
表明:任何磁场中,磁感应强度沿任意闭合曲线的线 积分等于通过以该曲线为边界的任意曲面的全电流
(全电流定律)
D H J t
传导电流和时变电场均 激发时变磁场
高斯电场定律：电场通过闭合曲面S的净通量等于 S所包围体积V中的总电荷。
微分形式穿过封闭曲面的电通量等于该 封闭曲面包围的自由电荷量 高斯磁场定律：通过闭合曲面S的磁通量横为零。 高斯磁场定律说明磁单极子不存在。
D
微分形式
B 0
穿过封闭曲面的磁通量恒 等于0
麦克斯韦方程描述了空间电磁场与场源之间的关 系。麦克斯韦的四个方程分别表达了： 变化的磁场是如何产生电场(法拉第电磁感应定 律) ; 电流和变化的电场是怎样产生磁场的(麦克斯韦 修正的安培环路定律);
电荷是如何产生电场的(高斯定理);验证了磁单极子的不存在(高斯
磁场定律)。
而当
q 0;
J 0 D CH dl S t dS
D H t
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