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好的，以下是一本名为《高级电磁学原理与应用》的图书简介，该书内容专注于电磁场理论的深入探讨、先进材料中的电磁现象，以及在现代工程中的前沿应用，完全不涉及您提到的《Applied Electromagnetics》的具体内容。 --- 《高级电磁学原理与应用》 内容概述 本书旨在为读者提供一个超越基础电磁学范畴的、深入且全面的现代电磁场理论及其在尖端技术领域应用的教程。我们将聚焦于电磁波在复杂介质中的传播、散射、吸收机制，以及如何利用这些原理来设计和优化下一代通信系统、传感器、能源转换装置和电磁兼容（EMC）解决方案。全书结构严谨，理论推导详尽，同时辅以大量的工程实例和数值模拟方法介绍，确保读者不仅掌握深奥的理论，更能将其高效地应用于实际问题解决中。 本书的深度和广度使其非常适合高年级本科生、研究生，以及从事射频/微波工程、光电子学、电磁兼容性设计、超材料研究等领域的专业人士作为核心参考资料。 第一部分：麦克斯韦方程的深化与广义场论 本部分奠定全书的理论基础，但重点在于对麦克斯韦方程组在更广阔的物理场景下的拓展和应用。 第一章：时变电磁场的复数形式与频域分析 我们将从麦克斯韦方程组出发，详细推导和论证频域（或相量形式）分析的合理性与优势。重点讨论复数介电常数和磁导率的物理意义，特别是损耗（Loss）和色散（Dispersion）在频域表示中的体现。分析在不同边界条件下的平面波解，包括电场、磁场和坡印廷矢量（Poynting Vector）的相位关系和能量流密度。引入本征模（Eigenmode）的概念，为后续的波导和谐振腔分析做铺垫。 第二章：矢量位、标量位与规范选择的自由度 超越传统的电磁势概念，本章深入探讨电磁场的矢量位 ($mathbf{A}$) 和标量位 ($phi$) 在解析复杂结构中的应用。重点讨论洛伦兹规范（Lorenz Gauge）和库仑规范（Coulomb Gauge）的选择对求解过程的影响，特别是在静电场和静磁场问题向瞬态场的过渡中，规范选择如何影响计算的简便性和物理诠释。引入横向电磁场（TEM）的严格定义及其在传输线理论中的重要性。 第三章：积分方程与边界值问题的数学框架 本章侧重于将偏微分方程转化为积分方程的方法，这对于处理不规则几何形状和复合材料结构至关重要。详细讲解格林函数（Green’s Function）在电磁场问题中的构建和应用，包括在无限空间、半空间以及特定边界条件下的推导。深入探讨等效原理（如电磁场等效源原理），这是建立矩量法（Method of Moments, MoM）和边界积分方程法的理论基石。 第二部分：电磁波在复杂介质中的传播与操控 本部分聚焦于电磁场与具有非均匀、各向异性或时变特性的材料的相互作用。 第四章：各向异性与非均匀介质中的传播 详细分析电导率、介电常数和磁导率张量（Tensor）对电磁波传播的影响。重点讲解双折射（Birefringence）现象，尤其是在晶体材料（如铁电体、磁控等离子体）中，电场和磁场不再平行于传播方向的现象。引入本构关系在张量形式下的描述，并讨论如何利用这些各向异性来设计偏振旋转器或法拉第隔离器。 第五章：导波结构与模式分析 本章深入探讨波导的精确模式理论。除了传统的矩形和圆波导，将详细分析介质波导（Dielectric Waveguides）的本征模式（如 $ ext{TE}_{01}$、$ ext{TM}_{01}$ 等）及其场分布。引入截止频率（Cutoff Frequency）的严格推导，并分析模式的衰减与色散特性。重点讨论光纤中的模式限制机制和有效折射率的概念。 第六章：散射理论与逆散射问题 本章专注于电磁波与散射体（如导体、介质球体、不规则物体）的相互作用。详细推导瑞利散射（Rayleigh Scattering）、米氏散射（Mie Scattering）的解析解，并讨论其适用范围。引入远场散射场的定义，并介绍雷达散射截面（RCS）的计算方法。最后，对逆散射问题的数学病态性进行讨论，并介绍诸如迭代法等初步的成像算法概念。 第三部分：前沿材料与器件中的电磁学 本部分将理论知识直接应用于当前热门的研究领域，特别是对超材料和非线性现象的探讨。 第七章：超材料与负折射率介质 本章详细介绍了超材料（Metamaterials）的基本概念，即其宏观电磁特性由亚波长结构而非化学成分决定。深入探讨负介电常数 ($epsilon < 0$) 和负磁导率 ($mu < 0$) 的实现机制，特别是Split-Ring Resonators (SRRs) 和平行导线阵列的设计原理。详细分析在负折射率介质中光线的反常折射现象，并简要介绍其在完美成像（Perfect Lensing）中的潜力。 第八章：非线性电磁学基础与电磁兼容性（EMC） 讨论当材料的响应不再是电场或磁场的线性函数时（即 $mathbf{D} = epsilon(mathbf{E})mathbf{E}$ 或 $mathbf{B} = mu(mathbf{H})mathbf{H}$），麦克斯韦方程组如何变化。重点关注谐波产生（Harmonic Generation）和饱和效应。在EMC领域，本章将电磁波的传播、耦合与吸收理论应用于实际的屏蔽设计、接地技术和瞬态电磁干扰（EMI）的分析，强调如何利用非线性效应来设计电磁吸收材料。 第四部分：数值方法与工程实现 本部分强调现代工程计算工具的应用，是理论指导实践的关键桥梁。 第九章：有限元法（FEM）与频域分析 详细介绍有限元法在求解二维和三维电磁场问题的基础步骤：场离散化、插值函数选择、单元刚度矩阵的构建。重点分析如何处理无限边界的模拟（例如使用吸收边界条件 ABC 或 PML），以及如何将张量材料（如各向异性介质）纳入FEM框架。探讨如何求解特征值问题以确定波导的本征模式和谐振腔的固有频率。 第十章：时域有限差分法（FDTD）及其在宽带分析中的应用 深入讲解时域有限差分法（FDTD）的Yee胞元（Yee Cell）离散化方案，以及其在处理瞬态问题上的优势。详细推导电场和磁场更新方程，并分析稳定性条件（CFL条件）。特别强调完美匹配层（Perfectly Matched Layer, PML）的设计与实现，这是FDTD模拟散射和辐射问题的核心技术。通过实例展示如何利用FDTD对宽带响应（如脉冲信号在复杂结构中的传播）进行高效计算。 --- 本书特色： 理论与应用紧密结合： 每一章的理论推导都直接服务于一个或多个具体的工程案例。 强调数学严谨性： 对边界条件、规范选择和格林函数的使用进行了深入的数学剖析。 覆盖新兴领域： 包含超材料和高级波导模式分析，面向未来研究方向。 注重计算工具的原理： 不仅介绍数值结果，更深入讲解FEM和FDTD的底层矩阵构建和离散化过程。
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