電磁場與波(第3版)（簡體書）

本書系統地闡述了宏觀電磁場和電磁波的基本規律、基本計算方法及其應用。全書共分8章：矢量分析電磁場，基本方程靜電場及其邊界問題的解法，恒定電場和恒定磁場，變電磁場和平面電磁波，平面電磁波的反射與折射，電磁波的輻射與散射及導型電磁波等。本書力求內容精煉，概念清晰，注重時間性和信息性。全書由淺入深，通俗易懂，圖文並茂，便於自學。本書可供大學本科生電子信息類專業作為電磁場理論基礎、電磁場與電磁波、電磁場與無線基礎等課程的教科書，也可供科技人員作為自學讀本或參考書。

鐘順時,1939年生，浙江瑞安人，現任上海大學通信與信息工程學院教授、博士生導師，中國電子學會會士，國際電氣電子工程師學會（IEEE）高級會員，美國紐約科學院院士。

全書由淺入深，通俗易懂，圖文並茂，便於自學。本書可供大學本科生電子信息類專業作為電磁場理論基礎、電磁場與電磁波、電磁場與無線基礎等課程的教科書，也可供科技人員自學或參考。

隨著信息時代的到來，電磁場理論的應用日益普遍，“電磁場”課程已成為電子信息類專業大學生必修的一門專業基礎課。本書是在獲得上海市優秀教材獎的“八五”規劃教材《電磁場理論基礎》［8］的基礎上，結合教學體會，為適應新世紀科技與教育的新發展而重新編寫的。適用於“電磁場理論基礎”“電磁場與電磁波”等課程60~80學時的教學。

本書主要特色是：

(1) 起點較低，由淺入深，化難為易。在第1章“矢量分析”中，比較系統地介紹了有關矢量分析的基本知識。為照顧這方面知識尚少的讀者，補充了一些推導與定理的證明，並對坐標變換和場論運算給出了更詳細的說明。對平面電磁波的運算引入了較方便的簡化算法，又引入了相位匹配條件，便於處理反、折射的相位關係等。為避免手寫時混淆，在矢量符號上加短橫線，而不再採用黑體印刷。並對有些
章節，或其他較廣、較深的內容，加注“*”號，便於讀者取舍。

(2) 由一般到特殊，加深理解，增大時變場篇幅。與傳統的由靜態場到時變場的“綜合法”敘述方式不同，本書採用“演繹法”處理。先介紹描述一般矢量場特性的亥姆霍茲定理，以此為基礎引出麥克斯韋方程組，然後依次討論它對靜電場、恒定電場和恒定磁場及時諧場的應用。通過反復運用，加深理解，並節省了靜態場學時，增大了時變場篇幅。

(3) 增加了緒論，增強舉例，聯繫實際。緒論中，通過兩幅圖闡述了本課程的意義。書中引用了亞洲通信衛星、國際通信衛星等實例，又有光纖通信介紹、隱形飛機進展、電離層傳播的簡化分析、電磁波對人體的熱效應、水下通信、微波爐、微帶天線實例、天線罩與架空輸電線分析等。每章都有大量例題與習題。
書末有內容豐富的附錄。

(4) 理論嚴謹，啟發創新，圖文並茂。書中不但深入討論了麥克斯韋方程組，強調其普遍指導意義，也指出它是相對真理；
給出了廣義麥克斯韋方程組和對偶原理及等效性原理、互易定理等。從麥氏方程的導出和對赫茲發明的補充說明，到介紹筆者親歷的科研進展等，不少內容都著意於啟發創新。增添了一些闡述原理的圖，又加了不少應用舉例圖。特別是，利用計算機技術改進了插圖的質量，添加了三維圖。光盤中還有動態的電磁波輻射過程、對稱振子方向圖隨其臂長的變化及平面波的反射的形象演示。

(5) 作為教學改革的一項嘗試，本書還增加了具有特色的第9章“天線基礎”，既可作為新課程“電磁場與天線基礎”的教材，又可供感興趣的讀者自學參考。

本書的編寫得到上海大學課程建設基金的贊助和通信與信息工程學院領導的熱情支持。編寫過程中又得到鈕茂德、楊雪霞
、謝亞楠和方捻教授等同事的支持和幫助，梁仙靈、姚鳳薇
和韓榮芲博士及劉靜等研究生
描繪了全部插圖，姚鳳薇打印了第1章原稿。本書配有電子教案及習題解答，相關內容是在解放軍電子工程學院張建華教授和中國海洋大學延曉榮教授的協助下完成的。在此一並向他們表示衷心的感謝！並向本書引用的參考文獻的作者們致以敬意。同時，深切緬懷敬愛的老師、中國科學院前院士畢德顯教授，深切緬懷敬愛的導師、
美國工程院前院士羅遠祉教授（見圖01）和中國天線學會首屆主任委員茅於寬教授（見圖02居中白發者），衷心感謝敬愛的導師、美國工程院院士Akira Ishimaru(石丸昭）教授（見圖03）。

圖01羅遠祉教授和夫人來華訪問（1989年）

圖02黃山迎客松旁合影（2007年）

作者簡介

圖03華盛頓大學Ishimaru教授辦公室留影（美國西雅圖，1981年）

鑒於筆者學識和水平有限，差錯和不當之處在所難免，敬請讀者不吝指正。

鐘順時2024年1月

緒論

第1章矢量分析

1.1矢量代數

1.1.1矢量表示法與和差運算

1.1.2矢量的乘法

1.1.3三重積

1.2矢量場的通量與散度及散度定理

1.2.1矢量場的通量

1.2.2散度的定義與運算

1.2.3散度定理

1.3矢量場的環量、旋度及斯托克斯
定理

1.3.1矢量場的環量

1.3.2旋度的定義與運算

1.3.3斯托克斯定理

1.3.4無散場與無旋場

1.4標量場的方向導數與梯度及格林
定理

1.4.1標量場的方向導數與梯度

1.4.2格林定理

1.5亥姆霍茲定理

1.5.1散度和旋度的比較

1.5.2亥姆霍茲定理

1.6曲面坐標系

1.6.1圓柱坐標系

1.6.2球面坐標系

1.6.3三種坐標系的變換

1.6.4場論運算公式

習題

第2章電磁場基本方程

2.1靜態電磁場的基本定律和基本場
矢量

2.1.1庫侖定律和電場強度

2.1.2電力線方程和等位面方程

2.1.3高斯定理與電通密度

2.1.4電流密度與電荷守恒定律

2.1.5焦耳定律

2.1.6畢奧薩伐定律與磁通密度

2.1.7磁通連續性原理與安培環路定律
及磁場強度

2.2法拉第電磁感應定律和全電流
定律

2.2.1法拉第電磁感應定律

2.2.2位移電流和全電流定律

2.2.3全電流連續性原理

2.3麥克斯韋方程組

2.3.1麥克斯韋方程組的微分形式與
積分形式

2.3.2本構關係和波動方程

2.3.3電磁場的位函數

2.4電磁場的邊界條件

2.4.1一般情形

2.4.2兩種常見情形

2.5坡印廷定理和坡印廷矢量

2.5.1坡印廷定理的推導和意義

2.5.2坡印廷矢量

2.5.3場與路的一些對應關係

2.6唯一性定理

習題

第3章靜電場及其邊值問題的解法

3.1靜電場基本方程與電位方程

3.1.1靜電場基本方程

3.1.2電位定義

3.1.3電位方程

*3.2靜電場中的介質

3.2.1介質的極化

3.2.2介質中的高斯定理與相對介
電常數

3.3靜電場中的導體與電容

3.3.1靜電場中的導體

3.3.2電容

*3.3.3導體系的部分電容

3.4靜電場的能量和電場力

3.4.1靜電場的能量

3.4.2用場量表示的電場能量

3.4.3電場力

3.4.4靜電場的應用

3.5靜電場的邊界條件

3.5.1和的邊界條件

3.5.2電位的邊界條件

3.6靜電場邊值問題與鏡像法

3.6.1靜電場邊值問題

3.6.2靜電場唯一性定理

3.6.3鏡像法

3.7分離變量法

3.7.1直角坐標系中的分離
變量法

*3.7.2圓柱坐標系中的分離
變量法

3.8有限差分法

3.8.1差分表示式

3.8.2差分方程的數值解法

習題

第4章恒定電場和恒定磁場

4.1恒定電場

4.1.1恒定電場的基本方程

4.1.2恒定電場的邊界條件

4.1.3靜電比擬法

4.2恒定磁場的基本方程和邊界
條件

4.2.1恒定磁場的基本方程

4.2.2恒定磁場的邊界條件

4.3恒定磁場的矢量磁位

4.3.1磁矢位的定義與方程

4.3.2的微分方程與積分表
示式

*4.3.3的邊界條件

4.4電感

4.4.1自感

4.4.2互感

*4.5恒定磁場的能量和磁場力

4.5.1恒定磁場的能量

4.5.2磁場力

習題

第5章時變電磁場和平面電磁波

5.1時諧電磁場的復數表示

5.1.1復數

5.1.2復矢量

5.2復數形式的麥克斯韋方程組

5.2.1復數形式的麥氏方程組

5.2.2復數形式的波動方程和邊界
條件

5.3復坡印廷矢量和復坡印廷定理

5.3.1復坡印廷矢量

5.3.2復坡印廷定理

5.4理想介質中的平面波

5.4.1平面波的電磁場

5.4.2平面波的傳播特性

5.4.3電磁波譜

5.5導電媒質中的平面波

5.5.1導電媒質的分類

5.5.2平面波在導電媒質中的傳播
特性，相速與群速

5.5.3平面波在良導體中的傳播特性
及集膚深度和表面電阻

*5.5.4電磁波對人體的熱效應

*5.6等離子體中的平面波

5.6.1等離子體的等效介電常數

5.6.2平面波在等離子體中的傳播
特性

5.7電磁波的極化

5.7.1線極化

5.7.2圓極化

5.7.3橢圓極化

5.7.4圓極化波的應用

習題

第6章平面電磁波的反射與折射

6.1平面波對平面邊界的垂直入射

6.1.1對理想導體的垂直入射

6.1.2對理想介質的垂直入射

*6.1.3對多層邊界的垂直入射

6.2平面波對理想導體的斜入射

6.2.1沿任意方向傳播的平面波

6.2.2垂直極化波對理想導體的斜
入射與快波

6.2.3平行極化波對理想導體的斜
入射

6.3平面波對理想介質的斜入射

6.3.1相位匹配條件和斯奈爾
定律

6.3.2菲涅耳公式

6.4全折射和全反射

6.4.1全折射

6.4.2全反射與慢波

6.4.3光纖通信

習題

第7章導行電磁波

7.1傳輸線中的導行電磁波

7.1.1縱向場法

7.1.2導行波的分類

7.2矩形波導及諧振腔

7.2.1TE波和TM波的電磁場
分量

7.2.2TE波和TM波的傳播特性

7.2.3TE10波

7.2.4諧振腔

7.3同軸線

7.3.1同軸線的傳輸特性

*7.3.2同軸線的高次模

7.4微帶線

7.4.1微帶線的傳輸模式

7.4.2微帶線的準靜態特性參量

7.5雙導線

7.5.1傳輸線方程及其解

7.5.2傳播常數和特性阻抗

7.6端接負載的無耗傳輸線

7.6.1端接任意負載阻抗的無耗
長線

7.6.2幾種典型情形

7.7史密斯圓圖與阻抗匹配

7.7.1史密斯圓圖

7.7.2傳輸線匹配的意義

7.7.3傳輸線的阻抗匹配

習題

第8章電磁波的輻射與散射

8.1時諧電磁場的位函數

8.1.1時諧場位函數的定義與
方程

8.1.2時諧場位函數的求解與格林
函數

8.2電流元的輻射

8.2.1定義與其電磁場

8.2.2近區場

8.2.3遠區場

8.2.4輻射方向圖

8.2.5輻射功率和輻射電阻

8.3對偶原理及磁流元的輻射

8.3.1廣義麥克斯韋方程組與對偶
原理

8.3.2磁流元和小電流環的輻射

8.4等效原理與惠更斯元的輻射

8.4.1等效原理

8.4.2惠更斯元的輻射

8.5電磁波的散射

8.5.1散射場定義與瑞利散利

8.5.2雷達散射截面

習題

第9章天線基礎

9.1天線的功能與分類

9.1.1天線的功能

9.1.2天線的分類

9.2天線電參數和傳輸方程

9.2.1方向系數

9.2.2輻射效率和增益

9.2.3輸入阻抗與帶寬

9.2.4有效面積與傳輸方程

9.3對稱振子

9.3.1對稱振子的電流分布和遠
區場

9.3.2對稱振子的方向圖、輻射電阻
和方向系數

9.3.3對稱振子的輸入阻抗

9.4天線陣

9.4.1二元邊射陣與方向圖乘積
定理

9.4.2端射陣

9.4.3N元邊射陣

9.5微帶天線

9.5.1引言

9.5.2微帶天線工作原理

*9.5.3微帶貼片天線分析

9.6拋物面天線

9.6.1拋物面的幾何關係和幾何光學
特性

*9.6.2口徑天線的輻射場和方向性

*9.6.3拋物面天線的方向圖和方向
系數

9.7互易定理與天線方向圖的測試

9.7.1互易定理的一般形式

9.7.2收發天線方向圖的互易性與
方向圖的測試

習題

附錄

參考文獻