具体描述
电磁场与微波工程基础 作者： 张宏，李明 出版社： 科技文献出版社 出版年份： 2023年 ISBN： 978-7-5045-XXXX-X --- 内容概述 《电磁场与微波工程基础》旨在为工程技术人员和高年级本科生提供一套全面、深入且注重实际应用的电磁场理论与微波工程技术基础知识。本书严格遵循物理学基本原理，系统阐述了静电场、静磁场、时变电磁场的基本规律，并在此基础上，深入探讨了电磁波的传播、导引结构以及微波电路的基本概念与设计方法。本书的特色在于平衡了理论的严谨性与工程实践的需求，力求在清晰阐述麦克斯韦方程组的物理意义及其数学形式的同时，提供大量与现代通信、雷达和射频识别（RFID）等领域紧密相关的案例分析。 全书共分为十二个章节，结构严谨，逻辑清晰，由浅入深，层层递进。 第一部分：电磁场理论基础 (Chapters 1-6) 第一章：矢量分析与坐标系回顾 本章是全书的数学基础。首先回顾了多元微积分中的关键概念，如梯度（Gradient）、散度（Divergence）和旋度（Curl），并详细阐述了这些矢量算子在不同正交曲线性坐标系（直角坐标系、柱坐标系和球坐标系）中的具体表达形式。重点讲解了高斯散度定理和斯托克斯旋度定理的物理内涵，强调了它们在电磁场边界条件分析中的应用潜力。本章确保读者对描述电磁现象所需的数学工具具备扎实的理解。 第二章：静电场：库仑定律与高斯定律 本章从最基础的电荷概念出发，详细介绍了点电荷产生的电场强度，并引出库仑定律。随后，本书系统推导并应用高斯定律来求解具有高度对称性的电荷分布（如平面、圆柱和球对称）所产生的电场分布，这对于理解介质中的电荷屏蔽效应至关重要。电势的概念被引入，讨论了等势面与电场的正交关系。边界条件，特别是导体与介质分界面上的电场关系，在本章末尾得到了详细的推导和阐述。 第三章：静电场的能量、电容与介质特性 本章探讨了静电场中储存的能量密度和总能量，并利用能量方法导出了电容的定义及其计算方法。深入分析了电介质材料的极化现象，引入了电位移矢量 $mathbf{D}$ 的概念，并解释了电容率（介电常数）的微观物理基础。详细讨论了导体内外的静电平衡态，以及电荷在导体表面的重新分布规律。 第四章：静磁场：毕奥-萨伐尔定律与安培环路定律 本章将焦点转移到稳恒电流产生的磁场。从毕奥-萨伐尔定律出发，计算了常见电流结构（如有限长导线、圆线圈、螺线管）产生的磁场分布。随后，介绍并应用安培环路定律来简化求解具有高对称性的电流分布所产生的磁场。磁感应强度 $mathbf{B}$ 与磁场强度 $mathbf{H}$ 的区别与联系被明确界定，重点分析了磁性材料（铁磁体、抗磁体、顺磁体）的磁化特性。 第五章：磁标势与磁介质中的边界条件 本章引入磁标势（Magnetic Scalar Potential） $phi_m$ 的概念，用于求解无源区（无自由电流）的磁场分布，简化了复杂问题的求解过程。系统讨论了磁场中的能量（磁能），并推导出电感（Inductance）的计算方法，包括自感和互感。与静电场类似，本章详细分析了磁介质分界面上的磁场边界条件。 第六章：时变电磁场：法拉第定律与麦克斯韦方程组的完整形式 本章是连接静态场论与动态场的关键。首先，深入阐述了法拉第电磁感应定律，强调了动生电动势和生电动势的区别。随后，引入了变化的磁场如何产生电场（涡旋电场）的概念。基于上述分析，本章正式推导并给出了描述所有宏观电磁现象的麦克斯韦方程组的完整微分形式和积分形式。位移电流的概念被强调为电磁波存在的先决条件。 第二部分：电磁波与传播 (Chapters 7-8) 第七章：平面电磁波的传播 本章将麦克斯韦方程组应用于无源、均匀、各向同性的介质中，推导了电磁场的波动方程。详细分析了平面电磁波的特性，包括波的传播方向、相速、波长、波数和相位。重点讨论了波的本征阻抗，并分析了电场、磁场与传播方向之间的相互关系（横电磁波 TEM）。 第八章：平面波在不同介质中的传播与反射/透射 本章将理论应用于实际工程问题。详细分析了平面波在无限大均匀电介质（如自由空间、损耗性介质、良好导体）中的传播特性。重点推导并应用菲涅耳公式，分析了平面波在理想介质界面上的垂直入射和斜入射时的反射系数和透射系数。斯涅尔定律的电磁学推导被给出，同时讨论了全内反射现象。 第三部分：导引结构与微波工程基础 (Chapters 9-12) 第九章：导电管与传输线理论 本章将电磁波理论与实际的导引结构相结合。首先分析了平行板波导（Parallel Plate Waveguide）中的电磁场模式，包括TE模和TM模的特性，以及截止频率的概念。随后，系统地引入了同轴电缆和矩形波导的基本模式（如$TE_{10}$模），并讨论了波导的色散特性和有效波长。 第十章：传输线理论与史密斯圆图 本章以集总元件电路理论为基础，过渡到分布元件系统。详细推导了电压和电流在传输线上的电压和电流分布，引入了反射系数 $Gamma$ 和电压驻波比（VSWR）等关键参数。本章的核心是史密斯圆图（Smith Chart）的应用，详细演示了如何利用圆图进行阻抗匹配、阻抗变换以及分析无源器件的性能。 第十一章：微波网络分析：S参数 在微波和高频领域，由于元件尺寸接近波长，S参数（散射参数）成为描述网络特性的主要工具。本章解释了S参数的物理意义，并详细推导了集总元件（如电阻、电容、电感）和常见无源器件（如分支线耦合器、环形耦合器）的S参数矩阵表示。讲解了如何利用S参数进行功率传输和损耗的分析。 第十二章：微波匹配网络设计 基于前一章的S参数和第十章的史密斯圆图，本章专注于实际的阻抗匹配设计。详细介绍了L型、$pi$ 型匹配网络的设计步骤，并着重讲解了单节和双节匹配电路的设计，以实现最大功率传输。书中包含了多个设计实例，涵盖了从低频到高频的典型匹配问题。 --- 本书特点 1. 理论与实践紧密结合： 每章均配备精心设计的工程实例，如天线馈电线缆中的损耗分析、介质贴片中的场分布计算等，加深读者对抽象理论的理解。 2. 数学工具的工程化应用： 强调麦克斯韦方程组在具体工程边界条件下的求解过程，而非纯粹的数学推导。 3. 现代微波技术导向： 引入了S参数等现代射频/微波电路分析工具，使读者能直接衔接后续的微波器件和系统课程。 适用对象 本书适合作为高等院校电子信息工程、通信工程、微电子学等专业本科高年级或研究生的教材，也可作为从事射频电路、电磁兼容（EMC）、天线设计等领域工程师的参考用书。具备基础电路理论和微积分知识的读者即可开始学习。
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