电磁场理论基础

《电磁场理论基础》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、天线原理无线电物理原始文稿：P31～P45理论上对于一个给定的衰减，层的厚度可以任意的薄，甚至只占一个FDTD网格，只要导电率足够大。但是实际的计算表明，界面两侧间太大的导电率变化将引起反射。在实际的计算中，PML层必须包含几个FDTD网格厚度，导电率从界面上的零逐渐增加到最外层的。1.5高频近似方法前面介绍的矩量法和时域有限差分法都要求电磁场在子域或网格内具有较小的变化，即要求单元的尺寸与波长相比是一个小量。当物体的尺寸远大于波长时，单元数将大大增加，从而得到一个超大型的矩阵，而矩阵的大小受到计算机资源的限制，

2、因此这类方法只适合于处理最大尺寸为几个波长以下的电磁问题，从而将这类方法称为“低频近似”。当频率很高，物理尺寸远大于波长时，必须使用其他的高频近似方法。高频近似法有几何光学法、物理光学法、几何绕射法和物理绕射法。几何光学法是利用涉嫌描述源的直接入射场和在两个不同媒质分界面上反射和折射（或透射）场的一种方法。几何光学法用射线和射线管的概念解释散射和能量的传播机制，它具有物理概念清晰和计算简单的特点，能准确地计算直射场、反射场和折射场，但它不能分析和计算绕射问题。计算抛物面天线的辐射场时，可先用几何光学法确定其口径场

3、的分布，然后利用等效原理求辐射场。这种方法在抛物面天线方向图的主瓣和近轴幅瓣区域可以得到比较精确的结果，但在远轴幅瓣和后向辐射范围内误差很大。物理光学法假设散射体表面上的场是几何光学场，用散射体表面的感应电流取代散射体本身作为散射场的源，把散射场表示为散射体表面上感应面电流的积分。物理光学法合理地估计了散射体上的电流，把散射问题变成了一个单纯的辐射问题，从而使问题大为简化，在工程中是一种重要的方法。可用它计算抛物面的远轴幅瓣。在物理光学法中散射体表面的感应电流是用几何光学法确定的，入射场只对散射体的照明面起作用，

4、在阴影面上的入射场为零，散射体上的电流在照明面与阴影面交接处突然中断，这违背电流连续性原理，从而物理光学法近似也不能很好处理绕射问题。在几何光学近似和物理光学近似方法的基础上发展了几何绕射理论和物理绕射理论。几何绕射理论（GTD，GeometricalTheoryofDiffraction）是J.B.Keller在1958年前后提出来的。几何绕射理论把经典的几何光学概念加以推广，系统地引入了一种绕射射线，这种绕射射线产生于散射体表面上几何形状的不连续处以及光滑凸曲面上的掠入射点等。绕射射线的特点是：它不仅能进入几

5、何光学的照明区，也能进入几何光学的阴影区，从而绕射射线能计及几何光学不能存在的阴影区中的场。因此，几何绕射理论克服了几何光学近似在阴影区失效的缺点，同时也改善了照明区种的几何光学解。绕射射线场的初始幅度若能国国绕射系数确定，这和几何光学近似的反射和透射射线场的初始值分别由反射系数和透射系数确定相似。绕射系数可以从一些简单的几何形体的散射问题中求得，这些简单几何形状的散射问题称为典型问题。尽管几何绕射理论目前还不十分完善，但由于它具有物理概念清晰的优点，近年来已经广泛用于求解许多天线的辐射场和许多形状复杂物体的散射

6、场。因为几何绕射理论是一种射线光学理论，它把辐射和散射物体周围空间分成照明区和阴影区的几何光学阴影边界两侧的过渡区内失效。几何绕射理论的这一缺点已被20世纪70年代发展起来的一致性几何绕射理论（UTD）和一致性渐进理论（UAT）所克服。UTD和UAT在几何光学阴影边界过渡区内有效，而在阴影边界过渡区外则自动地转换为几何绕射理论算式，因此在工程实践中一般都采用UTD和UAT。几何绕射理论和几何光学理论一样都是射线光学理论，正如几何光学理论在其射线的焦散区失效一样，几何绕射理论及其一致性形式的UTD和UAT在绕射射线

7、的焦散区都失效。焦散区的场可以采用等效电磁流法（ECM）来计算。物理绕射（PTD，PhysicalTheoryofDiffraction）理论是由前苏联学者xxxxxxxxxx提出的，与Keller提出的几何绕射理论的时间几乎相同。物理绕射理论是物理光学理论的进一步发展，在计算物理光学场时，散射体上的感应电流是由几何光学入射场决定的，物理绕射理论在物理光学近似的基础上引入一个由典型问题导出的修正项来加以改善。xxxxxxxxxx把这一修正项称为“不均匀”电流分量。因为PTD不是一种射线的光学理论，所以它在几何光学

8、阴影边界过渡区和射线的焦散区都有效。PTD的主要困难是它的最终积分不容易计算，所以未能像GTD那样得到广泛的应用。尽管如此，PTD在GTD失效的焦散区还是很有用的。1.5.1几何绕射理论的基本概念几何光学理论只研究直射、反射和折射的问题，它不能解释绕射现象。按几何光学理论，阴影区的场应为零，但实际上阴影区的场并不为零，这是由绕射现象造成的。几何绕射理论把几何光学的概念加以