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本书主要讲述宏观电磁场的基本理论、分析方法和电磁波的基本传播特性。全书共8 章，包含矢量分析与场论、宏观电磁场的基本方程、似稳电磁场与静态电磁场、传输线理论基础、电磁波的辐射、平面电磁波、二维边值问题的解法、TE 波与TM 波传输线。本书在理论构架上遵循由浅入深、循序渐进的学习规律，方便读者自学；在知识体系上采用由一般到特殊的演绎推理方法，便于读者掌握电磁场理论框架；在应用层面上密切结合电磁场与微波技术、无线通信技术等领域的工程案例，具有很强的实用性和趣味性。本书可作为全日制电子信息类和自动化类本科专业“电磁场与电磁波”“工程电磁场”“电磁场与微波技术”等课程的教材，也可作为相关技术人员的自学参考书。

绪论 （1）
第1章 矢量分析与场论（4）
1.1 矢量代数（4）
1.1.1 矢量的表示与和差运算（4）
1.1.2 标量积与矢量积（5）
1.1.3 矢量的三重积（7）
1.2 正交曲面坐标系（7）
1.2.1 广义正交曲面坐标系（7）
1.2.2 直角坐标系（9）
1.2.3 圆柱坐标系（10）
1.2.4 球坐标系（11）
1.2.5 三种坐标系间的变换（12）
1.3 标量场的梯度（14）
1.3.1 标量场的等值面（14）
1.3.2 方向导数与梯度（14）
1.4 矢量场的通量与散度（17）
1.4.1 矢量场的通量（18）
1.4.2 散度的定义与运算（18）
1.4.3 散度定理（20）
1.5 矢量场的环量与旋度（21）
1.5.1 矢量场的环量（21）
1.5.2 旋度的定义与运算（21）
1.5.3 斯托克斯定理（23）
1.6 无散场与无旋场（24）
1.6.1 无散场（24）
1.6.2 无旋场（25）
1.6.3 调和场（25）
1.7 格林定理与亥姆霍兹定理（26）
1.7.1 格林定理（26）
1.7.2 亥姆霍兹定理（27）
本章小结（27）
自测题（28）
习题一（30）

第2章 宏观电磁场的基本方程（33）
2.1 电磁场的基本源（33）
2.1.1 电荷与电荷密度（33）
2.1.2 点电荷及其表示（34）
2.1.3 电流与电流密度矢量（34）
2.1.4 电荷守恒定律（35）
2.2 静电场（36）
2.2.1 真空中电场的基本原理（36）
2.2.2 介质的极化（41）
2.2.3 电通密度与介质中的高斯定理 （43）
2.3 恒定磁场（45）
2.3.1 真空中磁场的基本原理（45）
2.3.2 介质的磁化（49）
2.3.3 磁场强度与介质中的安培环路定理 （50）
2.4 时变电磁场（52）
2.4.1 法拉第-楞次定律（52）
2.4.2 位移电流与全电流定律（53）
2.5 电磁场的普遍方程（54）
2.5.1 麦克斯韦方程组（54）
2.5.2 波动方程（55）
2.5.3 达朗贝尔方程（56）
2.5.4 坡印廷定理（57）
2.6 电磁场的边界条件（60）
2.6.1 一般情形（60）
2.6.2 两种特殊的边界条件（61）
2.7 时谐场（62）
2.7.1 时谐场的复数表示（62）
2.7.2 麦克斯韦方程组和边界条件的复数表示 （63）
2.7.3 复数形式的波动方程（64）
2.7.4 时谐场中的媒质特性（64）
2.8 时谐场的坡印廷定理（66）
2.8.1 复坡印廷矢量（66）
2.8.2 复坡印廷定理（67）
2.9 时变电磁场的唯一性定理（68）
本章小结（69）
自测题（71）
习题二（74）

第3章 似稳电磁场与静态电磁场（81）
3.1 似稳电磁场（81）
3.1.1 似稳电磁场的基本方程（81）
3.1.2 低频电路的似稳电磁场本质（82）
3.1.3 良导体中的电磁场（84）
3.1.4 场源近区的电磁场（85）
3.2 静态电磁场（87）
3.2.1 静态电磁场方程（87）
3.2.2 静态电磁场的边界条件（88）
3.2.3 静态电磁场位函数的边界条件 （88）
3.3 电容（92）
3.3.1 电容的定义（92）
3.3.2 部分电容（93）
3.3.3 电容的计算方法（94）
3.4 电阻（97）
3.4.1 静电场中的导体（97）
3.4.2 恒定电场中的导体（97）
3.4.3 欧姆定律与焦耳定律（99）
3.4.4 静电比拟法（100）
3.5 电感（103）
3.5.1 自感（104）
3.5.2 互感（107）
3.6 电磁场的能量*（108）
3.6.1 静电场的能量（108）
3.6.2 电场力（110）
3.6.3 恒定磁场的能量（111）
3.6.4 磁场力（114）
本章小结（115）
自测题（116）
习题三（118）

第4章 传输线理论基础（123）
4.1 长线与短线（123）
4.2 平行板传输线（124）
4.2.1 平行板传输线的电报方程（125）
4.2.2 平行板传输线中的电磁场（126）
4.3 双导线（128）
4.3.1 传输线的集总电路模型（128）
4.3.2 特性阻抗（129）
4.4 端接负载的无耗传输线（133）
4.4.1 长线上的信号与输入阻抗（133）
4.4.2 几种典型情形（134）
4.5 史密斯圆图与阻抗匹配（140）
4.5.1 史密斯圆图（140）
4.5.2 传输线匹配的意义（145）
4.5.3 传输线的阻抗匹配（147）
4.6 同轴线（151）
4.7 微带线（153）
本章小结（156）
自测题（157）
习题四（160）

第5章 电磁波的辐射（162）
5.1 滞后位（163）
5.1.1 电磁场的矢量磁位描述（163）
5.1.2 时谐场位函数的解（163）
5.2 电流元（164）
5.2.1 电流元的辐射场（164）
5.2.2 近区场（166）
5.2.3 远区场（166）
5.3 对偶原理与磁流元（168）
5.3.1 对偶原理（168）
5.3.2 磁流元和小电流环的辐射（169）
5.4 等效原理与惠更斯元（170）
5.4.1 等效原理（170）
5.4.2 惠更斯元的辐射（171）
5.5 天线的电气参数（174）
5.5.1 归一化方向图（174）
5.5.2 辐射功率和辐射电阻（176）
5.5.3 方向性系数（177）
5.5.4 辐射效率和增益（178）
5.5.5 输入阻抗与带宽（179）
5.6 线天线与天线阵（180）
5.6.1 对称振子的辐射场（180）
5.6.2 半波振子天线（182）
5.6.3 天线阵原理*（185）
本章小结（190）
自测题（191）
习题五（193）

第6章 平面电磁波（197）
6.1 理想介质中的平面电磁波（197）
6.1.1 亥姆霍兹方程的平面电磁波解 （197）
6.1.2 TEM 波的特性（199）
6.1.3 电磁波谱（201）
6.2 导电媒质中的平面波（202）
6.2.1 复传播常数（202）
6.2.2 良导体中的电磁波（207）
6.2.3 集肤深度与表面阻抗（208）
6.2.4 电磁波对人体的热效应（212）
6.3 色散与群速（213）
6.4 电磁波的极化（216）
6.4.1 线极化（216）
6.4.2 圆极化（217）
6.4.3 椭圆极化（217）
6.4.4 圆极化波的应用（219）
6.5 均匀平面波对两层边界的垂直入射 （220）
6.5.1 对平面介质边界的垂直入射 （220）
6.5.2 对平面导体边界的垂直入射 （225）
6.6 均匀平面波对多层边界的垂直入射 （227）
6.6.1 等效波阻抗（227）
6.6.2 多层介质界面上的阻抗匹配 （229）
6.7 均匀平面波对介质边界的斜入射 （230）
6.7.1 沿任意方向传播的平面波（230）
6.7.2 斯涅耳定律（233）
6.7.3 菲涅耳公式（234）
6.7.4 全透射与全反射（237）
6.8 均匀平面波对导体边界的斜入射 （238）
6.8.1 垂直极化波情形（238）
6.8.2 平行极化波情形（241）
6.9 电磁散射（243）
6.9.1 瑞利散射（243）
6.9.2 雷达散射截面（244）
本章小结（247）
自测题（248）
习题六（251）

第7章 二维边值问题的解法（256）
7.1 边值问题（256）
7.1.1 边值问题的类型（256）
7.1.2 唯一性定理（257）
7.2 镜像法（257）
7.2.1 导体平面附近的点电荷（258）
7.2.2 导体劈间的点电荷（259）
7.2.3 导体平面附近的线电荷（260）
7.2.4 接地导体球附近的点电荷（262）
7.2.5 导体圆柱附近的线电荷（263）
7.3 分离变量法（264）
7.3.1 直角坐标系中的分离变量法（265）
7.3.2 圆柱坐标系中的分离变量法（269）
7.3.3 球坐标系中的分离变量法（275）
7.4 有限差分法（278）
7.4.1 有限差分法的基本概念（278）
7.4.2 二维拉普拉斯方程的差分格式（279）
7.4.3 差分方程的求解（280）
本章小结（284）
自测题（284）
习题七（286）

第8章 TE 波与TM 波传输线（289）
8.1 导波系统的基本问题（289）
8.1.1 纵向场法（289）
8.1.2 导行波的分类（291）
8.1.3 传输线的类型（294）
8.2 矩形波导（294）
8.2.1 TE 波和TM 波的电磁场分量（295）
8.2.2 TE 波和TM 波的传播特性（298）
8.3 矩形波导的TE10 模（300）
8.3.1 TE10 模的场分布及传播特性（300）
8.3.2 波导壁上的电流分布（301）
8.3.3 TE10 模的能量传输（303）
8.3.4 波导中的衰减（303）
8.4 谐振腔（306）
8.4.1 波导谐振腔的谐振频率（306）
8.4.2 TE10l 模（307）
8.4.3 谐振腔的品质因数（308）
本章小结（310）
自测题（311）
习题八（313）

附录A 常用矢量计算公式（316）
附录B 符号和单位与部分国际单位制词头（318）
附录C 雷达与卫星广播频段划分（320）
附录D 国产矩形波导标准尺寸（321）
附录E 主要人名编年表（323）
参考文献（324）

电磁场与电磁波是隶属于电子科学与技术一级学科的核心知识模块和研究领域，也是学习电子学、电气工程学和通信技术的关键课程。它深刻揭示了电磁现象的基本规律，理论体系严密、物理概念抽象，工程应用内涵也极为丰富。作为能量的一种存在形式，电磁场、电磁波是不可或缺的重要资源。作为信息传输的载体，电磁场、电磁波是人类社会获取信息、探测未知世界的重要手段。例如，从电机设计到电力系统、从无线通信到射电天文、从电子元件到集成电路，以及各种复杂电子系统中的电磁兼容问题，都离不开电磁场理论的支撑。当今社会信息技术迅速发展，电磁场的应用已远远超出这些学科范畴。因此，电磁场与电磁波成为世界各国大学电类及相关专业学生必修的一门关键基础课程。
本书共8章，在知识体系上涵盖矢量分析与场论、宏观电磁场的基本方程、似稳电磁场与静态电磁场、传输线理论基础、电磁波的辐射、平面电磁波、二维边值问题的解法，以及TE 波与TM 波传输线方面的内容，适用于“电磁场与电磁波”或“电磁场与微波技术”等课程56～80学时的教学安排。本书在编写上具有以下特点。
（1）知识体系由一般到特殊，便于读者构建清晰的电磁场理论框架。本书采用“演绎法”，首先介绍描述电磁场的理论基础——矢量场论与电磁场基本方程，然后依次讨论稳态与似稳态电磁场、时谐场、电磁波的辐射与传播。本书强化了第2章“宏观电磁场的基本方程”的作用，旨在让读者快速掌握电磁场的基本理论体系。在教学内容上，本书压缩了静态电磁场，增加了“辐射与传播”的分量。这也是为了满足一些大学“电磁场与微波技术”课程的教学需要。
（2）知识讲解由浅入深，对数学的要求由一维向二维循序渐进。第1章“矢量分析与场论”中的二维计算可暂时不做要求，教学内容的选择以不影响后续知识的学习为依据。二维的数学方程求解可放在第7章“二维边值问题的解法”部分详细学习。这一章也是为了紧密衔接第8章“TE 波与TM 波传输线”。在教学顺序上，遵循先“路”后“场”、由浅入深的原则，首先学习电路的电磁场理论，涉及似稳电磁场与静态电磁场；然后学习传输线上的电磁波；最后学习电磁波的辐射、平面电磁波、TE 波与TM 波传输线。第3章至第6章的数学计算与方程求解都以一维问题为研究对象，充分降低了学习门槛，更便于广大读者自学。
（3）注重理论联系实际，融入丰富的电磁场与微波技术学科案例。在绪论中，通过卫星通信系统示意图阐述了本课程的意义。另外，书中还引用了卫星通信天线、隐身飞机、电磁波对人体的热效应、水下通信、微波炉、天线罩与架空输电线分析案例。每章都设有自测题和大量习题及答案，有助于读者提高分析问题与解决问题的能力。

本书的编写得到了临沂大学教材出版基金的资助和物理与电子工程学院王永龙院长、王常春副院长、教务处李道勇副处长的大力支持，以及石绍华、张鹏、孙如英等电子工程系老师的支持和帮助。在此一并向他们表示衷心的感谢。同时，向本书引用的参考文献的作者致以崇高的敬意。
由于编者水平有限，加之时间比较紧迫，书中的疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

韩荣苍
2022年8月于临沂大学

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