本書以問題為中心, 而非知識。主要講了4個問題,分別對應(yīng)4章: ①電磁波是如何發(fā)現(xiàn)的; ②電磁波是怎樣傳播和傳輸?shù)? ③電磁波是如何輻射的; ④電磁波又是怎樣散射的。為了講通、講透這4個問題, 本書橫穿了現(xiàn)有電磁波理論、天線、計算電磁學(xué)、雷達(dá)等多門課程知識, 縱貫了傳統(tǒng)本、碩、博三個階段的電磁波理論課程知識。本書不求知識點的完備, 但求把核心要點講得通透, 以及準(zhǔn)確反映核心要點隨時代的變化趨勢。
本書的特色和價值有二：一是將電磁理論、微波技術(shù)、天線、電磁計算知識貫通，從構(gòu)建電磁理論開始、講到電磁理論如何演化出各種技術(shù)、以及如何用計算機(jī)求解；二是總結(jié)了最新的重要電磁進(jìn)展。
電磁知識浩瀚，裁剪電磁知識以滿足新形勢、新需要、新定位，是重新編寫這本教材的一個最初動力。對這個問題的思考和實踐催生了本教材的第1版。教材以電磁波理論的構(gòu)建以及解決現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)所涉及的三個電磁波基本問題為主干組織材料。這三個基本問題分別是： 電磁波的傳播與傳輸，電磁波的輻射，電磁波的散射。教材力求能清晰、簡要地展示科學(xué)家是如何從碎片、散落的實驗結(jié)論中構(gòu)建出理論，工程師們又如何從宏觀博大的理論演化出具體精湛的技術(shù)。
內(nèi)容是教材之王，如何使教材內(nèi)容與時俱進(jìn)，是此次第2版著重考慮的。近幾十年來，電磁理論又有很多發(fā)展，其中有三個重要的方面： 一是超材料的電磁特性及應(yīng)用； 二是麥克斯韋方程在變換空間和復(fù)空間中的推廣； 三是電磁散射機(jī)理的新闡釋。第一方面內(nèi)容在此版新增的1.8節(jié)及2.1.3節(jié)中闡述； 第二方面內(nèi)容反映在新版第2章閱讀和思考2.A以及章后的思考題中； 第三方面內(nèi)容將在此版新增的4.1.1節(jié)5.中闡釋。另外，作者近年的一些研究成果也整理補充在此版各章的思考題中。
電磁場這門課程理論性較強(qiáng)，接受不易，如何講好這門課程，一直是大家熱衷討論的問題。力求少講甚至不講公式，盡量用圖表、演示、文字來講這門課，是一種讓更多學(xué)子易于接受的方式，但這似乎是一種把專業(yè)課講成科普講座的授課方式。作為專業(yè)課程，尤其是“211”高校，這種教學(xué)方式值得商榷。本教材堅持掌握矢量分析是學(xué)好電磁場的基礎(chǔ)這一理念，所有概念的建立、闡釋和應(yīng)用都盡量用這門語言來表達(dá)。這是電磁知識的準(zhǔn)確專業(yè)表達(dá)的有力方式，也是讓學(xué)生建立真正創(chuàng)新能力的最佳方式。打個比方，用圖表、演示、文字表達(dá)的概念或許只是沙子，建不了高樓，只有用公式表達(dá)的概念才是鋼筋和磚瓦，才能立起高樓。這一版尤其關(guān)注公式的準(zhǔn)確與形式，修訂了第1版中不少錯誤，力求公式更準(zhǔn)確、更統(tǒng)一、形式更一致。除此之外，在新版中也盡量使公式形式更易于理解，讓其顏值更高一點，看上去更舒服一點，對其闡釋也更細(xì)致一點。
盛新慶
2023年2月
盛新慶,北京理工大學(xué)講席教授。2001年度中國科學(xué)院“百人計劃”入選者。2004年度長江學(xué)者特聘教授。2009年度北京科學(xué)技術(shù)獎一等獎第1完成人。
第1章電磁波的發(fā)現(xiàn)
1.1物理背景
1.1.1庫侖定律發(fā)現(xiàn)以前
1.1.2庫侖定律發(fā)現(xiàn)以后
1.2數(shù)學(xué)背景
1.2.1矢量定義
1.2.2矢量運算
1.2.3坐標(biāo)系
1.2.4矢量算子
1.2.5張量
1.2.6矢量恒等式
1.2.7算子基本積分定理
1.3學(xué)術(shù)傳統(tǒng)
1.4麥克斯韋方程的建立
1.4.1場概念的提煉
1.4.2物理規(guī)律的系統(tǒng)化數(shù)學(xué)表述
1.4.3本構(gòu)關(guān)系
閱讀與思考
1.A等離子體的本構(gòu)關(guān)系
1.5電磁波發(fā)現(xiàn)及驗證
1.6電磁波問題的確定性表述
1.6.1兩種介質(zhì)交界面的邊界條件
1.6.2導(dǎo)體分界面上的邊界條件
1.6.3無窮遠(yuǎn)處的邊界條件
1.7靜電場再認(rèn)識
1.7.1靜電邊值問題
1.7.2電容和電感
1.8超材料本構(gòu)關(guān)系
1.8.1金屬線介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系
1.8.2金屬開口諧振環(huán)介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系
1.9麥克斯韋方程時域形式與頻域形式
1.10電磁波的性質(zhì)
1.10.1唯一性定理
1.10.2等效原理
1.10.3對偶原理
1.10.4互易定理
1.11電磁波的仿真
1.11.1電磁波方程
1.11.2Yee格式及蛙跳機(jī)制
1.11.3電磁波方程的離散
1.11.4穩(wěn)定性條件
1.11.5激勵源
1.11.6邊界條件
1.12電磁波的應(yīng)用
本章小結(jié)
練習(xí)題
思考題
課程設(shè)計(一)
第2章電磁波的傳播和傳輸
2.1電磁波傳播
2.1.1無限大均勻介質(zhì)中的傳播
2.1.2層狀介質(zhì)中電磁波的傳播
2.1.3左手介質(zhì)中電磁波的傳播
閱讀與思考
2.A坐標(biāo)變換空間中的麥克斯韋方程
2.2波導(dǎo)中的傳輸
2.2.1波導(dǎo)傳輸問題的求解途徑
2.2.2矩形波導(dǎo)中電磁波的傳輸特性
2.2.3波導(dǎo)正規(guī)模的特性
2.2.4任意截面空波導(dǎo)電磁波傳輸模式的有限元分析
2.2.5波導(dǎo)激勵分析
2.3微波傳輸線的分析模型
2.3.1傳輸線分析模型及其解
2.3.2傳輸線特征量及其變換式
2.3.3均勻無耗傳輸線的工作狀態(tài)
2.3.4圓圖
2.3.5阻抗匹配
2.4微波網(wǎng)絡(luò)的分析模型
2.4.1微波網(wǎng)絡(luò)
2.4.2微波網(wǎng)絡(luò)參量
本章小結(jié)
練習(xí)題
思考題
課程設(shè)計(二)
第3章電磁波的輻射
3.1激勵源在自由空間中的輻射
3.1.1自由空間中麥克斯韋方程的解
3.1.2電流與磁流輻射場的其他數(shù)學(xué)表達(dá)形式
閱讀與思考
3.A電流與磁流輻射表達(dá)式的另類推導(dǎo)
3.1.3激勵源輻射場的遠(yuǎn)場近似
3.1.4輻射條件
3.2天線
3.2.1赫茲電偶極子
3.2.2線天線
3.2.3微帶天線
閱讀與思考
3.B微帶天線的全波分析法
3.2.4天線陣
3.2.5天線饋電
3.2.6天線測量
本章小結(jié)
練習(xí)題
思考題
課程設(shè)計(三)
第4章電磁波的散射
4.1確定性目標(biāo)的散射
4.1.1規(guī)則目標(biāo)的散射
閱讀與思考
4.A半平面導(dǎo)體散射的解析解
4.1.2不規(guī)則形狀目標(biāo)的散射
4.1.3典型結(jié)構(gòu)散射機(jī)理
4.2隨機(jī)目標(biāo)的散射
4.2.1隨機(jī)面的幾何模型
4.2.2光滑型隨機(jī)面的散射
4.2.3微粗糙型隨機(jī)面的散射
4.2.4蒙特卡羅方法
4.2.5隨機(jī)面散射和輻射的關(guān)系
4.3雷達(dá)
4.3.1目標(biāo)特性
4.3.2雷達(dá)原理
4.3.3單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)
閱讀與思考
4.B擴(kuò)展目標(biāo)角閃爍的計算公式推導(dǎo)
4.C目標(biāo)散射中心參數(shù)的估計方法
本章小結(jié)
練習(xí)題
思考題
課程設(shè)計(四)
附錄A不同坐標(biāo)系之間的變換
附錄B矢量恒等式
附錄C積分定理
附錄D各種坐標(biāo)系下梯度、散度、旋度、拉普拉斯算子表達(dá)式
附錄E貝塞爾函數(shù)
附錄F勒讓德函數(shù)
附錄G鞍點法
附錄H常見材料的介質(zhì)參數(shù)
索引
參考文獻(xiàn)
書單推薦
