1、第五章 电磁波的反射和折射,主要内容： 平面波反射、折射的基本规律 理想介质与理想介质交界的情况 理想介质与理想导体交界的情况 理想介质与有耗媒质交界的情况,5.1 研究反、折射时的基本知识,一、反射、折射现象的物理实质：,入射的电磁波使得媒质交界面上出现极化电荷、或磁化电流、或传导电流、或自由电荷，这些电荷、电流向交界面两边的媒质辐射电磁波，称为二次辐射。,辐射到媒质1中的就是反射波，辐射到媒质2中的就是折射波。,二、一些设定：,物质交界面是无限大平面（为了简化问题，因为曲面的局部可以近似为平面）； 入射波是已知的均匀平面波；,incident wave,reflected wave,可以证
2、明：对于无限大交界面，反射波、折射波（或称透射波）与入射波的频率相同，且都是均匀平面波。,refracted wave(transmitted wave),interface,入射、反射、折射角：,入射波、反射波、折射波传播矢量：,三、坐标系设置及一些参量,交界面,无限大交界面为xoy平面，z轴指向媒质2；,等于媒质2中的电场,入射、反射、折射共面,四、入射波的两种极化情况,入射的任何极化的均匀平面波均可以分解为此两种极化波的迭加，故讨论此两种情况即可。,五、平面波反射、折射的基本规律,1、基本规律的推导思路,媒质1中电磁场：,媒质2中电磁场：,交界面,在交界面处(z=0)的边界条件：,交界面
3、上的传导电流,交界面上的自由电荷,根据边界条件来导出两媒质中电磁场的相互关系，得到反射、折射的基本规律。,2、入射波、反射波、折射波传播方向与法线共面,共面,x,z,光的反射、折射定律=电磁波的反射、折射定律,反射定律：,媒质的折射率：,3、反射、折射定律,折射定律 (Snell定律)：,4、若入射波垂直极化，反射波、折射波也是垂直极化； 若入射波平行极化，反射波、折射波也是平行极化；,垂直极化情况：,电场均垂直于入射面,平行极化情况：,电场均平行于入射面,x,z,5、场的表示形式及相互关系,垂直极化情况：,反射系数：,为正实数,折射系数：,相互关系：,平行极化情况：,反射系数：,折射系数：,
4、注：反射、折射系数公式也适用于有耗媒质， 只是有耗媒质的波阻抗为复数。,相互关系：,6、功率反射系数、功率折射系数：,x,功率反射系数：,功率透射系数：,2、求出反射角和折射角：,一、 垂直极化斜入射情况：,1、写出入射场矢量表示式：,5.2 理想介质-理想介质交界面,3、求出三个传播矢量：,4、求出反射系数 、折射系数 ；,5、由反、折射系数求出反、折射波的振幅：,6、将 代入场矢量表示式；,7、求出相应的磁场；,8、求出媒质1中的合成场：,例：,x,z,解：,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),二、平行极化斜入射情况：,1、场矢量表示式较复杂：,2、其余步骤与垂
5、直极化情况相同,三、全透射：,Brewster角极化角偏振角,三、全透射：,垂直极化入射时总有反射。,仅当入射波为平行极化时才出现,三、全透射,全透射的工程用：极化滤波,从任意极化的平面波中分离出垂直极化的线极化波。,交界面,入射波为任意极化,四、全反射：,，发生全反射,当 时：,临界角,此时,仅当 时才可能出现全反射,入射波为平行极化或垂直极化时都可能出现全反射；,发生全内反射，媒质2中的电磁场并不一定等于0，但进入媒质2的平均能流密度等于0。,四、全反射：,当 时，,全内反射,1、介质波导,全反射的工程应用：,光导纤维光纤,光缆结构,五、垂直入射,垂直极化,平行极化,x,z,事实上，入射波
6、为TEM波， 总是垂直于 平行于交界面，不论其极化方向如何，对交界面来说都一样。,垂直入射时，入射波的 与交界面法线 在一条直线上，因此入射面不确定。,因此，设定电场位于xoz平面，且入射波、反射波、折射波方向相同。,理想介质-理想介质交界面电磁波反射折射规律小结,光疏,光密,光密,光疏,z,理想导体,1、理想介质中的合成场：,5.3 理想介质-理想导体交界面,一、垂直入射,2、合成场的特点：,合成场不是传播的行波，而是沿垂直于理想导体表面的方向（ z 方向）的驻波；,z,瞬时表示式：,电场振幅最大的点，,波腹点：,电场始终等于0的点，,波节点：,任意固定时刻，Ex的空间分布:,波节,波节,波
7、节,驻波随时间的变化规律：在原地上下振动,z,波腹,波腹,波腹,t0,驻波的平均能流密度：,结论： 驻波不传输电磁能量，电能、磁能不断相互转化。,可利用“垂直入射，波节点相距二分之一波长”的性质测量电磁波波长；,3、驻波的工程应用,可以使电磁波在导体面之间来回垂直反射，形成谐振腔，能量不损失。,理想导体,理想导体,由于导体表面是波节点，故两导体面间距为 的整数倍，只有频率满足此条件的电磁波才能形成谐振（即选频功能）。,A,可移动探针,电场0，探针电流0；波节点处：探针电流0,理想导体,1、反射系数和折射系数：,二、斜入射,电磁波在理想导体表面被全反射，理想导体中电磁场为0，无折射场。,理想导体
8、,理想介质,2、垂直极化斜入射(平行极化斜入射情况类似）,理想导体,在理想导体表面，入射场与反射场的合成场0，故切向电场0，满足理想导体表面的边界条件。,反射电场与入射电场反向，且振幅值相同；,边界条件,理想导体,z,x,电场表示式：,媒质1中的合成电场：,振幅：随 z 坐标正弦变化,相位：沿 方向连续滞后即：沿 方向传播,合成场沿理想导体表面传播，等相位面垂直于导体表面；,x,z,理想导体,z方向上场矢量值的正弦分布不是由传播带来的，而是一种空间分布，将这种波状分布称为驻波（意即：停驻的波）。,等相位面,合成场,某时刻，均匀平面波的电场空间分布。,等相位面上场均匀分布,等相位面,某时刻，非均
9、匀平面波的电场空间分布,驻波方向,行波方向,等相位面,3、理想导体表面全反射的工程应用,可以采用两个平行的理想导体面，引导电磁波在其间、沿平行于导体面的方向传播。,能量,理想导体,理想导体,有耗媒质中有折射波；,折射波在有耗媒质中边传播边衰减，可传播的距离有限，衰减常数为 ；,5.4 理想介质有耗媒质交界面,有耗媒质,理想介质,可以证明，若有耗媒质的介电常数或磁导率的虚部远远大于其实部，则折射波近似垂直于有耗媒质表面。,垂直于有耗媒质表面的折射波的振幅衰减到表面处的 (即0.368倍)时所传播的距离；,穿透深度：,入射波,反射波,z,有耗媒质,理想介质,若导电媒质层的厚度大于若干个穿透深度，则
10、折射波的能量在导电媒质层内部就几乎全部损耗，不能透过该导电媒质层。这一性质可用于电磁屏蔽。一般可利用金属板或金属网来屏蔽电磁波。,几种导电媒质的穿透深度,更高频率时的穿透深度更小。,屏蔽的意义： 防止内部电子设备的信息通过电磁波泄漏出去； 信息泄漏防护技术（TEMPEST） 避免外部电磁干扰，防御电磁武器对电子设备的破坏。,电子设备,电磁武器,电磁干扰,电磁泄漏,屏蔽层,金属材料的屏蔽机理,常见屏蔽设备和配件,5.5 电磁波反射折射规律的应用,电磁波的反射、折射与隐身（Stealth）技术,隐身技术：,1、外形隐身： 通过合理设计目标外形，使得它反射的电磁波尽可能偏离雷达的方向，不被雷达探测到
11、。,尽量减少目标的反射回波或使回波方向不稳定，推迟敌方雷达发现并锁定我方目标的时机，或减少我方目标暴露于敌方雷达之下的时间。,雷达隐身原理：,2、材料隐身： 在目标外表面涂覆能吸收电磁波的材料，尽可能减少电磁波的反射。,F-117战斗机,普通飞机的机头（原方向回波大，各方向均有回波）,F-117A机头侧视（无原方向回波，回波方向单一）,F-117A机头俯视（无原方向回波，回波方向单一）,普通飞机尾翼直角二面角（原方向回波大）,F-22战斗机,F-15战斗机,B-2轰炸机,前向反射强,材料隐身：,要求： 1、表面反射小； 2、内部电磁损耗大；,关键： 选材、结构,吸波材料：,极化损耗型磁化损耗型干涉型,各种飞机的雷达散射截面,B-52(未隐身),型号,雷达散射截面（m2）,雷达散射截面(Radar cross section, RCS),100,0.3,B-1B (隐身),1,F-117A (隐身),10,B-2 (隐身),0.010.1,F-15 (未隐身),反雷达隐身技术,1、采用双（多）基、天基、空基雷达系统；2、扩展雷达工作的频率范围；3、加大雷达功率，提高灵敏度；4、无载波超宽带雷达5、.,微波暗室原理,微波暗室,
