电磁场与电磁波

目录 第一部分-电工基本概念 .2 1.1 相对介电常数磁导率电导率2 1.2 电阻电导电感电容2 1.3 复阻抗复导纳3 1.4 品质因数3 1.5 铁磁性铁氧体锰锌镍锌3 第二部分-场与波基本概念 .4 2.1 自由空间的场定律4 2.2 静电场的标量位静磁场的标量位磁矢位5 2.3 有物质存在时的宏观场定律6 2.4 电磁场的能量坡印廷矢量6 2.5 电路理论与电磁场理论的关系7 2.6 电磁波7 第三部分-电磁兼容基本概念 .9 3.1 EMC 三要素 9 第四部分-天线与微波基本概念9 3.1 微波技术9 3.2 天线基础11 3.3 振子天线与宽带天线12 3.4 计算电磁学13 第五部分-信号完整性基本概念13 5.1 信号完整性13 Appendix . 13 第一部分第一部分- -电工基本概念电工基本概念 1.11.1 相对介电常数磁导率电导率相对介电常数磁导率电导率 相对介电常数相对介电常数Relative permittivity/Dielectric constantRelative permittivity/Dielectric constant 表征介质极化或电容率的能力，为无介质填充电容C 1 与有介质填充的电容C 2 的比值， 其中电容C  S r / 4kd，表征介质存储电能的能力和削弱外场的能力，单位是F / m。 空气相对介电常数为 1， 其他介质介电常数均大于1， 导体在外场作用下达到静电平衡， 但是理想相对介电常数为1。 对于时变电磁场，相对介电常数与频率有关， 称为相对介电系数。如果相对介电常数较 大的话，介质内的场强将会可观的削弱。 电磁波穿过该介质波速变慢，波长变短，但频率不 会变化。 自由空间的介电常数 0 1/ 36109F / m 磁导率磁导率 Magnetic permeabilityMagnetic permeability 计算公式为 B/ H，其中B为磁感应强度，H为磁场强度。表征介质对磁场的 导通能力，顺磁质相对磁导率大于1，抗磁质相对磁导率小于1，相对磁导率等于 1 称为铁 磁质。磁通密度B与磁导率相关，进而影响磁通量。 真空中的磁导率 0  4107H / m。 电导率电导率 Specific conductanceSpecific conductance 计算公式为J E，其中为电导率，单位S / m。表征电荷在导体中流动的难易 程度，即导体的导电能力。 1.21.2 电阻电导电感电容电阻电导电感电容 电阻电阻 ResistanceResistance R L / S，一般电阻器的电压与电流是相位一致的，对于绕线电阻在高频情况下则 要考虑相关特性，单位为。 电导电导 ConductanceConductance G 1/ R纯电阻特性，交流电路则定义为复导纳的实部，单位为S。 电感电感 InductorInductor 存储磁能的元件，扼制电流的变化，电压相位超前电流相位90，单位为H。 电容电容 CapacitorCapacitor 存储电能的原件，电流相位超前电压相位90，单位为F。 1.31.3 复阻抗复导纳复阻抗复导纳 复阻抗复阻抗 一段无源支路两端的电压与其中的电流的比值称为该支路的复阻抗， 它是反映一段无源 电路或无源二端网络性质的物理量。Z  R jX，其中R为电阻，X为电抗。其中感抗为 L，复感抗为jL。其中容抗为1/C，复容抗为1/ jC。 复导纳复导纳 Y G jB，其中G 为电导，B为电纳。 1.41.4 品质因数品质因数 品质因数品质因数 Quality factorQuality factor 表征储能与耗能的性质， 谐振回路中存储能量与消耗能量之比， 对于选频特性，品质因 数越大时选频性能越好。为了避免选频特性突出，增加电阻以减弱Q 值。 1.51.5 铁磁性铁氧体锰锌镍锌铁磁性铁氧体锰锌镍锌 铁磁性铁磁性 过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性 叫做铁磁性。在铁磁性物质内部，如同顺磁性物质，有很多未 配对电子。由于交换作用，这些电子的自旋趋于与相邻未配对 电子的自旋呈相同方向。 由于铁磁性物质内部又分为很多磁畴， 虽然磁畴内部所有电子的自旋会单向排列， 造成 “饱合磁矩” ， 磁畴与磁畴之间，磁矩的方向与大小都不相同。未被磁化的铁 磁性物质，其净磁矩与磁化矢量都等于零。 假设施加外磁场， 这些磁畴的磁矩还趋于与外磁场呈相同 方向，从而形成有可能相当强烈的磁化矢量与其感应磁场。 随 着外磁场的增高，磁化强度也会增高，直到“饱和点” ，净磁矩等于饱合磁矩。这时，再增 高外磁场也不会改变磁化强度。假设，减弱外磁场， 磁化强度也会跟着减弱。但是不会与先 前对于同一外磁场的磁化强度相同。 磁化强度与外磁场的关系不是一一对应关系。 磁化强度 比外磁场的曲线形成了磁滞回线磁滞回线。假设再到达饱和点后， 撤除外磁场，则铁磁性物质仍能保 存一些磁化的状态，净磁矩与磁化矢量不等于零。 所以，经过磁化处理后的铁磁性物质具有 “自发磁矩” 。 铁氧体铁氧体 铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。 铁氧体的电阻率比金属、 合金磁性材料大得多， 而且还有较高的介电性能。 铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率。 因而，铁氧 体已成为高频弱电领域用途广泛的非金属磁性材料。 由于铁氧体单位体积中储存的磁能较低， 饱合磁化强度也较低（通常只有纯铁的1/3～1/5） ，因而限制了它在要求较高磁能密度的低 频强电和大功率领域的应用。 软磁材料，易磁化易退磁。永磁材料，易磁化难退磁。 镍锌铁氧体镍锌铁氧体 镍锌铁氧体由于具有高频、宽频、高阻抗、低损耗的特点，在近几年越来越受到重视， 成为在高频范围1-100MHz内应用最广、性能优异的软磁铁氧体材料。 镍锌铁氧体材料的磁导率目前从15-2000 不等均有应用， 常用的材料磁导率在 100-1000 之间。按磁导率分类，可分为高磁导率材料、常规材料和低磁导率材料。磁导率在1000 以 上的习惯上称为高磁导率材料，磁导率在 200-1000 的称为常规材料，磁导率在 200 以下的 称为低磁导率材料。通常情况下，材料磁导率越低，适用的频率范围越宽；相反，材料磁导 率越高，适用的频率范围越窄。 锰锌铁氧体锰锌铁氧体 低频段优于镍锌 第二部分第二部分- -场与波基本概念场与波基本概念 2.12.1 自由空间的场定律自由空间的场定律 积分形式积分形式 法拉第电磁感应定律     d   c Edl   dt  s  0 Hda -------磁通量的变 化率的减少是产生感应电动势的原因， 动磁 生电。 修正的安培环路定理      d   Hdl Jd a 0 Eda ---电通量的   c  s  s dt 增加和电流是产生磁场的源。动电生磁。 电场高斯定理   d    s  0 Eda  dt  v dv Q net ---静电荷是产 生电场的源。 磁场高斯定理       0 Hd a  0