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

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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

2 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。

3 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）；
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； reflected wave refracted wave (transmitted wave) 可以证明：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。 interface incident wave

4 x z 三、坐标系设置及一些参量 无限大交界面为xoy平面，z轴指向媒质2； 入射波、反射波、折射波传播矢量： 入射面： 所确定的平面
入射、反射、折射角： 电磁场： 入射波： 反射波： 折射波： 迭加形成媒质1中的电场 交界面 等于媒质2中的电场

5 入射、反射、折射共面

6 四、入射波的两种极化情况

7 ：垂直于入射面 称为垂直极化波 ：平行于入射面 称为平行极化波 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。

8 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： 在交界面处(z=0)的边界条件：
交界面上的传导电流 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。 交界面上的自由电荷

9 2、入射波、反射波、折射波传播方向与法线共面
x 共面 z

10 光的反射、折射定律=电磁波的反射、折射定律
3、反射、折射定律 光的反射、折射定律=电磁波的反射、折射定律 反射定律： 折射定律 (Snell定律)： 媒质的折射率：

11 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；
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： 平行极化情况： 电场均垂直于入射面 电场均平行于入射面

12 5、场的表示形式及相互关系 垂直极化情况： 为正实数 x z 反射系数： 折射系数： 相互关系：

13 平行极化情况：

14 反射系数： 折射系数： 相互关系： 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。

15 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： x方向上能量连续 对垂直极化、平行极化入射均成立 z方向上能量守恒：

16 5.2 理想介质-理想介质交界面 一、 垂直极化斜入射情况： 1、写出入射场矢量表示式： 2、求出反射角和折射角：

17 3、求出三个传播矢量： 4、求出反射系数 、折射系数 ；

18 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：

19 例： x 解： (1) (2) z (3)

20 (4) (5) (6)

21 (7) (8)

22 二、平行极化 斜入射情况： 1、场矢量表示式较复杂： 2、其余步骤与垂直极化情况相同

23 三、全透射： Brewster角 极化角 偏振角

24 三、全透射： 垂直极化入射时总有反射。

25 三、全透射 仅当入射波为平行极化时才出现

26 从任意极化的平面波中分离出垂直极化的线极化波。
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

27 四、全反射： ，发生全反射 当 时： 此时 临界角 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；

28 四、全反射： 当 时， 全内反射 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。

29 全反射的工程应用： 1、介质波导 纤芯 2、光纤 包层

30 光导纤维－光纤

31 光缆结构

32 五、垂直入射 垂直极化

33 平行极化

34 x z 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。
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。 事实上，入射波为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。 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。

35 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

36 5.3 理想介质-理想导体交界面 一、垂直入射 z 理想导体 1、理想介质中的合成场：

37 2、合成场的特点： 瞬时表示式： z 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； 电场始终等于0的点，
波节点： 电场始终等于0的点， 波腹点： 电场振幅最大的点， 任意固定时刻， Ex的空间分布: z 波 节 波 腹

38 驻波随时间的变化规律：在原地上下振动 t6 t5 t4 t3 t2 z t1 t0 驻波的平均能流密度： 波腹 波腹 波 波 节 节 波 节
结论： 驻波不传输电磁能量，电能、磁能不断相互转化。

39 3、驻波的工程应用 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；
可移动探针 理想导体 A 电场≠0，探针电流≠0； 波节点处：探针电流＝0 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。 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）。 理想导体 理想导体

40 二、斜入射 1、反射系数和折射系数： 理想介质 理想导体 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。

41 2、垂直极化斜入射(平行极化斜入射情况类似）
边界条件 理想导体 反射电场与入射电场反向，且振幅值相同； 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。

42 电场表示式： x z 理想导体

43 媒质1中的合成电场： 相位： 沿 方向连续滞后 即：沿 方向传播 振幅： 随 z 坐标正弦变化

44 x z 合成场沿理想导体表面传播，等相位面垂直于导体表面； 振幅
等相位面上，场矢量的振幅呈正弦分布。因此在某个时刻，在一个等相位面上，场矢量不再处处相等，为非均匀平面波。 z 等相位面 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）。 理想导体 合成场

45 等相位面 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

46 等相位面 驻波 方向 行波 方向 某时刻，非均匀平面波的电场空间分布

47 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。 理想导体 能量 理想导体

48 5.4 理想介质－有耗媒质交界面 有耗媒质中有折射波； 理想介质 有耗媒质
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。 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 ；

49 穿透深度： 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； 反射波 z 理想介质 有耗媒质 入射波

50 几种导电媒质的穿透深度 50 1M 材料 更高频率时的穿透深度更小。
若导电媒质层的厚度大于若干个穿透深度，则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。

51 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； 避免外部电磁干扰，防御电磁武器对电子设备的破坏。 电磁干扰 电磁 泄漏 电子 设备
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。 电磁干扰 电磁 泄漏 电子 设备 电磁武器 屏蔽层

52 金属材料的屏蔽机理

53 常见屏蔽设备和配件

54 5.5 电磁波反射折射规律的应用

55 电磁波的反射、折射与隐身（Stealth）技术
隐身技术： 辐射电磁波，靠稳定、持续的目标回波来探测、锁定目标。(被动雷达不辐射) 雷达工作原理： 雷达辐射波 目标回波 单基雷达 双（多）基雷达

56 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。
雷达隐身原理： 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。 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。 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。

57 F-117战斗机

58 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）

59 普通飞机尾翼直角二面角 （原方向回波大） F-117A尾翼 （无原方向回波） 锐角二面角 钝角二面角 F-117A机身 （无原方向回波）

60 F-15战斗机 F-22战斗机

61 B-2轰炸机

62

63 前向反射强

64 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 极化损耗型 磁化损耗型 干涉型 吸波材料：

65 (Radar cross section, RCS)
各种飞机的雷达散射截面 雷达散射截面 (Radar cross section, RCS) 雷达散射截面（m2） 型号 100 B-52(未隐身) 1 B-1B (隐身) B-2 (隐身) 0.3 F-15 (未隐身) 10 F-117A (隐身) 0.01~0.1

66 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、…….

67 微波暗室原理

68 微波暗室

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