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出版者:McGraw-Hill Education

作者:John D. Kraus

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1984-05

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9780070663800

丛书系列:

图书标签:

• Electromagnetics
• 电磁学
• 电磁场与电磁波
• 工程电磁学
• 麦克斯韦方程
• 电磁理论
• 高等教育
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• 物理学
• 通信工程

波动光学与散射理论基础 本书旨在深入探讨波动光学与电磁散射理论的核心概念、数学框架及其在现代工程和物理学中的应用。 本书的叙述结构清晰，内容涵盖了从基础的麦克斯韦方程组到复杂的三维散射问题的完整理论体系。我们摒弃了对特定教科书内容的直接引用或模仿，而是专注于构建一个独立、严谨且具有前瞻性的理论框架。 --- 第一部分：电磁场基础与波动方程的建立 本部分为后续的高级主题奠定坚实的数学和物理基础。我们将从微观层面审视电磁现象的本源。 第一章：麦克斯韦方程组的微分与积分形式 详细阐述了在不同介质（线性、各向同性、均匀）中，描述电磁场行为的四个基本方程。重点分析了电流密度和电荷密度的性质，以及这些方程在静电场和恒定电流场下的简化形式。引入了场的张量表示法，为理解相对论性效应做准备。 第二章：场在源存在下的求解——亥姆霍兹方程 推导了在无源区域（或源项被视为特定函数时）均匀介质中，电场 $mathbf{E}$ 和磁场 $mathbf{H}$ 所满足的矢量波动方程。通过电磁势（标量势 $phi$ 和矢量势 $mathbf{A}$）的引入，将矢量方程转化为标量形式，最终聚焦于亥姆霍兹方程（Helmholtz Equation）及其在频域分析中的核心地位。讨论了洛伦兹规范和库仑规范的选择对求解过程的影响。 第三章：平面波、相速与色散关系 系统分析了在理想均匀介质中传播的单色平面波的数学表达。深入研究了波矢量、波数、角频率之间的关系，并精确定义了相速、群速和相干性。本章引入了本征阻抗（Intrinsic Impedance）的概念，这是理解波在不同材料界面反射与透射行为的关键量。对非磁性或非铁电介质的色散特性进行了初步讨论。 --- 第二部分：界面问题与边界条件 电磁波在不同介质交界面上的行为是理解天线、光纤和光学元件设计的基石。本部分侧重于在满足边界条件的约束下，求解反射和折射问题。 第四章：电磁波的平面边界反射与透射 详细推导了电磁波垂直入射和斜入射时，在理想电导体（PEC）、理想磁导体（PMC）以及介质-介质界面上的反射系数和透射系数。重点讨论了菲涅耳方程（Fresnel Equations）的完整形式，分析了P偏振（TM）和S偏振（TE）波的特性差异。对布儒斯特角（Brewster Angle）和临界角（Critical Angle，全内反射）的物理意义及其应用进行了深入的几何光学解析。 第五章：功率流与坡印廷矢量分析 引入坡印廷矢量 $mathbf{S} = frac{1}{mu} (mathbf{E} imes mathbf{B})$ 来描述电磁能量的瞬时流动方向和密度。通过对坡印廷矢量在界面两侧的法向分量进行时间平均，精确计算了反射功率、透射功率与入射功率之间的能量平衡关系，严格验证了能量守恒定律在界面问题中的体现。 第六章：导波结构基础 探讨了约束电磁波在特定路径上传播的结构，主要集中于平板波导和圆波导。分析了截止频率（Cutoff Frequency）的产生机制。在平板波导中，细致区分了 $ ext{TE}_m$ 模式和 $ ext{TM}_m$ 模式的场分布、波导内传播常数，以及模态之间的正交性。 --- 第三部分：散射理论与格林函数方法 本部分进入更复杂的辐射与散射问题，引入了强大的积分方程方法和基于势场的理论工具。 第七章：格林函数与积分方程 阐述了格林函数在求解亥姆霍兹方程中具有任意源项 $mathbf{J}(mathbf{r}')$ 的非齐次问题的核心作用。推导了适用于三维自由空间的标量和矢量格林函数。基于格林函数，将电磁场问题转化为表面积分方程（如米氏方程的初始形式）。这为后续的数值方法奠定了理论基础。 第八章：散射体理论的数学表述 定义了远场散射场的概念，引入了远场散射远方场近似。重点讨论了远场散射强度 $U( heta, phi)$ 和雷达散射截面（RCS） $sigma$ 的定义及其与散射场的定量关系。分析了散射场与入射场之间的相位和幅度关系，理解散射的各向异性。 第九章：米氏理论（Mie Theory）的严格解 详细阐述了针对理想电导球体的严格散射解。通过分离变量法在球坐标系下求解矢量亥姆霍兹方程，引入了球贝塞尔函数和球汉克尔函数。系统推导了散射场的各个系数（$a_n, b_n$）的表达式，并分析了低频（Rayleigh散射）和高频（几何光学近似）极限下的物理意义。讨论了散射截面（吸收截面、消光截面）与系数的关系。 --- 第四部分：辐射场与天线基础 本部分关注于电磁能量的有效辐射，从最简单的偶极子辐射开始，过渡到更实用的天线类型。 第十章：基本辐射元——偶极子 深入分析了理想点源的辐射特性。详细推导了短程偶极子（如 $lambda/10$ 或更短）的远场辐射方向图、输入阻抗的虚部（辐射电阻）以及总辐射功率。对比了电流源方向（轴向）与辐射场强度的空间分布关系。 第十一章：磁偶极子与环形天线 研究了由小面积回路电流产生的磁偶极子的辐射特性，并将其与电偶极子进行比较，强调了它们在远场方向图上的九十度相位差异。重点分析了小环天线的辐射特性，并探讨了有效面积的概念。 第十二章：傅里叶变换与阵列因子 引入傅里叶变换作为分析辐射问题和阵列问题的强大工具。阐述了阵列因子（Array Factor）的构建，并分析了多个辐射单元按照特定相位和间隔排列时，如何通过相控加权（Phasing）来控制合成波束的方向、波束宽度和旁瓣水平。讨论了均匀线性阵列的基本特性。 --- 总结： 本书提供了一个从麦克斯韦方程组出发，通过波动方程的严格求解，最终聚焦于波的界面相互作用和复杂结构散射的完整路径。理论严谨，注重推导的完整性，旨在培养读者对电磁波现象的深刻物理直觉和强大的数学建模能力。

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从排版的角度来看，这本书的风格是典型的传统学术著作，简洁、功能至上。没有太多花哨的色彩和现代感的图表，所有的插图都是清晰的黑白线条图，精确地描绘了电场线、磁场线或者波的传播路径。这种风格可能在视觉上不如一些面向大众读物的书籍那样吸引眼球，但对于需要进行精确科学计算和理论分析的读者而言，这种纯粹的视觉表达反而是最高效的。它的装帧质量非常出色，内页纸张厚实，即使经常翻阅和做笔记，也不会轻易出现磨损或褪色的问题，这对于一本需要长期作为参考书使用的书籍来说至关重要。我特别喜欢书中对一些历史背景和理论起源的简短注释，虽然不是核心内容，但这些点缀让冰冷的物理定律有了一丝人文关怀，提醒我们这些知识是如何一步步被构建起来的。总的来说，它散发着一种历经时间考验的经典气息。

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这本书的封面设计着实让人眼前一亮，那种深沉的蓝色调，配上简洁有力的字体，立刻就给人一种专业而又不失现代感的印象。我是在寻找一本能够系统梳理电磁场与波理论的教材时偶然发现它的。初次翻开，感觉作者的叙述方式非常“老派”但又极其严谨，每一个公式的推导都像是带着历史的厚重感，让人不得不放慢速度去咀觎每一个符号背后的物理意义。它不像某些新出版的教材那样，为了追求内容的“易读性”而牺牲了理论的深度，这本书完全是反其道而行之，它要求读者付出专注和思考。特别是关于麦克斯韦方程组的解析部分，简直是教科书级别的典范，从微分形式到积分形式的转换，再到在不同介质边界条件下的应用，逻辑链条异常清晰，几乎没有让人感到困惑的跳跃。我尤其欣赏作者在引入新概念时，总是先从宏观的物理现象入手，然后再逐步深入到微观的数学描述，这种循序渐进的方式，对于我这种需要通过直观理解来建立知识体系的学习者来说，简直是福音。它不仅仅是知识的堆砌，更像是一场精心组织的思维导览，引导读者一步步穿过电磁学的迷宫。

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让我印象深刻的是，这本书在处理边界条件和各种应用场景时的详尽程度。例如，在讨论平面波在不同电介质界面传播的问题时，作者花费了大量的篇幅来详细推导反射系数和透射系数的表达式，并且通过引入多种图示，展示了不同入射角度对结果的影响。这种对细节的偏执，使得这本书在查阅特定应用问题时显得尤为可靠。我经常发现，当我需要快速回顾一个久未使用的特定公式时，翻开这本书，它总能准确地将我带回那个情境，而不是提供一个孤立的公式。而且，书中提供的例题设计得非常巧妙，它们往往不是简单地套用公式，而是设计成需要多步推理的小型综合题，这极大地锻炼了分析问题的能力。虽然有些读者可能会抱怨习题后面的答案不够详尽，但我个人认为这种“留白”是必要的，它鼓励读者去真正思考解题的每一步，而不是简单地对答案。这本书的价值在于它所提供的分析框架，而非仅仅是最终数值。

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这本书的阅读体验，坦率地说，需要一定的毅力和沉下心来的耐心。它不是那种可以在通勤路上随便翻阅的“轻松读物”。我记得第一次尝试阅读关于坡印廷矢量和能量流动的章节时，我不得不在书桌前坐了整整一个下午，反复对照图示和推导过程。作者的笔触非常细腻，但同时也意味着信息密度极高。每一页都塞满了需要消化和理解的内容，几乎没有空洞的赘述。这对于希望深入研究射频、微波或者光通信领域的人来说，无疑是一座宝库，因为它构建的理论基础极其扎实。然而，对于初次接触电磁学的本科生来说，可能会感到压力山大。我注意到，书中对许多基础概念的引入方式是基于一个已经相对成熟的物理图像，而不是从最原始的实验观测开始构建，这在一定程度上要求读者已经对基础电学和微积分有相当的把握。不过，一旦你攻克了那些最硬的章节，你会发现自己对电磁场的理解达到了一个新的高度，那种豁然开朗的感觉是其他轻松教材无法给予的。它更像是一位严厉但绝对公平的导师，逼迫你成长。

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这本书的整体逻辑结构给人一种“筑基”的感觉，它似乎刻意将高阶的、依赖于复杂数学技巧的内容安排在后期，确保读者在进入这些难点之前，对核心的场论概念已经有了不可动摇的理解。它在电磁场的静态问题（静电场、静磁场）的处理上非常扎实，为后续的动态问题（电磁波）做了完美的铺垫。我发现，许多其他教材在处理波动方程的求解时可能会仓促跳过一些关键的傅里叶变换或拉普拉斯变换的应用细节，但这本书会花时间去解释这些数学工具如何直接映射到物理现象的演化上。这使得读者在处理如波导、天线等更复杂的应用时，能够从底层原理出发进行建模，而不是仅仅停留在公式的应用层面。它培养的不是“解题机器”，而是一个具备扎实物理直觉和数学工具的“问题解决者”。这本书绝对是我书架上最常被引用的参考书之一，每次重读都能发现新的理解层次。

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