储庆昕高等电磁场讲义第十章

====================高等电磁场讲义第10讲============================褚庆昕=======10-1第10讲等效原理与感应定理10.1等效原理电磁场问题的解是由方程和边界条件决定的。也就是说，如果保持区域中的源分布、媒质分布以及区域边界上的边界条件不变，则场分布不变。这些便是电磁场等效原理的基础。唯一性定理告诉我们，只要知道了所规定区域v中的源、媒质及包围该区域的闭合曲面s上的切向电场或切向磁场则该区域中的场唯一确定。这里并未提及区域v外的源和媒质的分布情况。事实上，区域v外的源对区域v内的场的贡献已包含在曲面s上的切向电场或切向磁场中。区域v外不同分布的源只要在闭合曲面s上产生相同的切向场，在区域v内产生的场也相同。等效的概念是这样表述的：在区域v外具有不同源分布和媒质分布，而在区域v内源分布和媒质分布相同的一些电磁场问题如果在区域v内具有相同的场分布，则对区域v内而言这些电磁场问题是等效的。考虑如图10-1(a)所示的场问题。(a)(b)图10-1等效原理(a)原问题(b)等效问题曲面s将区域分成两部分v1和v2。原问题在s上满足()()nHHnEEaaaa00（10-1）即在s上不存在源。将（10-1）写为nHnHnEnEaaaa（10-2）虽然在数学上（10-2）只是（10-1）变化而来的恒等式，似乎很无聊，但反映的物理内含是不同的。（10-1）表示的是区域v1和v2的交界面边界条件，而（10-2）表示的是包围区域v1或v2的闭合曲面的切向场边界条件。sMsJ1JaaHE,2v1M2Jnˆ2Ms1vaaHE,bbHE,2vsJsJnˆ2Ms1vaaHE,2J====================高等电磁场讲义第10讲============================褚庆昕=======10-2如果人为地令区域v1中场为Eb、Hb，而v2中源、媒质和场分布保持不变，如图10-1(b)所示。设在曲面s上()()nHHJnEEMabsabs（10-3）式中，Js和Ms分别表示在曲面s上区域v1和v2中的切向磁场和电场的差值。根据两区域交界面的边界条件可知，Js和Ms就是在曲面s上的面电流源和面磁流源。所以，为了支持如图10-1(b)所示的场分布，在s面上应人为地加上面电流源Js和面磁流源Ms:JnHHMnEEsabsab()()（10-4）实际上，Js和Ms的作用是，它们在v2中产生的场恰好抵消了v1中的变化对v2中场的影响，使v2中的场保持不变。如果把s面看成包围v2的闭合曲面，则由（10-3）和（10-4）得s面上的切向场满足nHJnHnHasba（10-5）nEMnEnEasba（10-6）与（10-2）相同。所以对于区域v2来说，图10-1(b)与图10-1(a)的问题等效。注意，在上述讨论中并未涉及v1中源和媒质分布，即它们可以随意设定，这对分析是很有好处的。下面讨论几种常用的特殊情况下的等效原理。Love场等效原理令图10-1(b)中区域v1中的场为零场，则s面上的等效面流为JnHMnEsasa（10-7）情况1：设v1中媒质分布与v2中相同，即2、2,则等效问题就是自由空间中均匀填充2、2的源辐射问题。情况2：设v1中填充理想导体。注意s面即不属于v1也不属于v2，而是无限靠近两区域。所以这时Js和Ms是无限靠近理想导体。根据互易定理，这时Js是不产生电磁场的。所以这时s面上起作用的只有面磁流Ms。情况3：设v1中填充理想磁体。这时面磁流Ms不产生场，起作用的只有面电流Js。====================高等电磁场讲义第10讲============================褚庆昕=======10-3情况2和3也印证了电磁场唯一性定理，只需切向电场或切向磁场之一就可以唯一确定场。多区域等效原理下面介绍更一般的等效原理，多个区域等效于多个原有问题。为方便起见，不失一般性，这里只考虑双区域等效原理。(a)(b)如图（10-2a）、（10-2b）分别表示两个电磁场原问题a和b。现在建立一个等效问题，在s面之内等效于原问题a，在s面之外等效于原问题b。建立方法如下：在s面之外规定场、媒质和源分布与a问题相同，在s面之内规定场、媒质和源分布与b问题相同。(c)(d)图10-2双区域等效原理(a)原问题a(b)原问题b(c)等效于s面外的a和s面内的b(d)等效于s面外的b和s面内的a为了支持这样的场，在s面上必须有面电流Js和面磁流Ms。根据边界条件，这些表面流是JnHHMnEEsabsab()()（10-8）图（10-2c）显示了这一等效问题。对于问题a而言，等效表面流恰好抵消了s面以内区域的变化对s面外区域的影响。而对于原问题b而言，等效表面流恰好抵消了s面以外区域内的变化对s面以内区域的影响。用类似的方式可建立另一个问题，等效于s面之外的b问题和s面之内的a问题，如图（10-2d）所示。注意，在每一种情况中，对于等效场的区域内，必须保证原有的源和媒质。sM2vnˆs1vaaHE,2vnˆs1vbbHE,aaHE,bbHE,sJsJsMaaHE,2vnˆs1vaaHE,bbHE,2vnˆs1vbbHE,====================高等电磁场讲义第10讲============================褚庆昕=======10-4现在，我们已清楚了等效原理的一般过程。确定等效表面流的依据是：当唯一性条件满足时，场与源之间是一一对应的。如果规定了空间内每一处的场和媒质，就能确定产生这一场的源。各种等效性就是用此方式导出的。上述场的等效原理可以类比于电路中的等效原理。考虑图10-3(a)所示的两个网络。就网络a而言，建立其等效问题方法如下：设从网络连接口向网络b看去的无源输入阻抗（网络b中的电压源短路，电流源开路）为Zb。把网络b用输入阻抗Zb替代，在Zb与网络a之间串接等于原问题中连接口两端电压的电压源，连接点之间并接等于原问题中流过连接口的电流的电流源，如图10-4(b)所示，这类似于图10-1(b)。由于源阻抗并未受激励，所以可以用任意阻抗代替而不影响到网格a的激励。(a)(b)这类似于在图10-1(b)的等效场中在s内任意填充媒质。特别在源阻抗改为短路时，将电流源开路，只留下电压源激励网格a，如图10-3(c)所示，这类似于Love场等效原理中的情况2。如果源阻抗改为开路，只留下电流源来激励无源网络，如图10-3(d)所示，这类似于Love场等效原理中的情况3。(c)(d)图10-3电路等效原理(a)原问题(b)一般等效源(c)输入阻抗短路(d)输入阻抗开路等效原理对于分析电磁孔隙问题特别有用。网络a网络aIV+网络aIVbZ+网络b网络aVI+====================高等电磁场讲义第10讲============================褚庆昕=======10-5[例10-1]如图10-4所示，一同轴线通向无限大接地导电平面。求此同轴线在z0半空间的辐射场。图10-4同轴线通向无限大接地导电平面解：首先利用等效原理将原问题分成两个等效问题如图10-5(a)和(b)所示。孔隙面用导体封闭，所以在封闭的孔隙面上只有面磁流起作用。在孔隙面同轴线一侧，等效磁流为MMnEa，而在孔隙面半空间一侧，等效磁流为MnEb()，即MMba。这里E为原孔隙处的电场。等效磁流的设置已保证了在孔隙面上切向电场连续。还应保证在孔隙面上切向磁场连续，即在孔隙面上满足HMHHMaib()()（10-9）其中Hi是同轴线中的传输场。Ha,Hb分别是Ma和Mb在同轴线和半空间中产生的磁场。由于Hb为线性场HMHMbb()()所以有HMHMHabi()()（10-10）上式正是确定M的方程。一般为积分方程。一旦确定了M，则同轴线和半空间中的场也就可以确定了。（a）(b)(c)图10-5等效原理应用(a)区域a等效（同轴线）(b)区域b等效（半空间）(c)自由空间中的圆环磁流xzyba导体板同轴线xzyba同轴线sMzxy导体板sMzxysM2====================高等电磁场讲义第10讲============================褚庆昕=======10-6如何确定M构成了求解孔隙问题的各种方法，如Bathe小孔耦合理论，矩量法等。一种更近似的方法是用同轴线中的传输场（TEM模）近似口面上的场，从而避免了求解（10-10）。于是EEVbalg式中，V为同轴线内外导体间电位差。等效磁流为MnEzEE这是一个圆环磁流，如果b（波长），则是一个小圆环磁流。我们知道，小圆环电流可以等效为磁流元。应用对偶原理，可知小圆环磁流可以等效为电流元Il，且IljKS,总电矩KSdKMdVbadVbabaab22222lg()lg故等效电流元为IljKSjVbaba()lg222应用镜像法，把图10-5(b)的问题等效为面磁流在无限大自由空间的辐射问题，如图10-5(c)所示。于是所要求解的辐射场为EjIlrekVbarbaejkrjkr244222sin()lgsinHE0000120,=利用等效原理研究孔隙问题虽然并未直接产生解，但把一个复杂问题分离成只个相对简单的问题，使分析和计算简化。10.2感应定理感应定理的原理与等效原理是一致的。实质上感应定理也是等效原理的一种特殊应用。考虑如图10-6(a)所示的障碍物散射问题。isEnMˆSsisiHHHEEEnˆ障碍物SssHE，ssHE，nˆ感应电流SssHE，nˆHE，isHnJˆisEnMˆ====================高等电磁场讲义第10讲============================褚庆昕=======10-7(a)(b)(c)图10-6感应定理(a)原问题(b)散射场(c)等效感应设入射场（无障碍物时源产生的场）为Ei,Hi，障碍物的散射场为Es,Hs，则有障碍物时源辐射的总场为sisiHHHEEE（10-11）在障碍物之外，E,H和Ei,Hi都有相同的源，Es,Hs是障碍物的散射场，可以想象为障碍物上的感应电流产生的。在障碍物之外Es,Hs是无源场。如图10-6(b)所示。根据等效原理，可建立如下的等效问题；在障碍物内保留原有场E,H及媒质分布。在障碍物之外为散射场Es和Hs。这样两个区域均无源。为了支持这样的场，s面上就必须有等效表面流)(ˆ)(ˆEEnMHHnJssss（10-12）将（10-11）代入得JnHMnEsisi（10-13）表面流Js,Ms在障碍物之外产生散射场Es，Hs，在障碍物之内则产生总场E和H。感应定理与等效原理的不同处在于：前者的表面流是已知的，而后者的待求（利用切向磁场连续条件）。前者的障碍物必须保留，既不能改变原问题的媒质分布而后者非等效区域的媒质可任意设定。如果障碍物是理想导体时，障碍物内E和H为零，所以在s面上等效