电磁波理论

电磁波理论基础为电磁场理论。须熟练掌握麦克斯韦方程组后推导出的波动方程，此内容将贯穿整个电磁波理论。以下将对电磁波的传播规律和特点进行讨论。

时变电磁场

均匀平面波在无界空间中的传播

均匀平面波是指电磁场的场矢量只延着其传播方向变化，在与波传播方向垂直的无限大平面内，电场强度E和磁场强度H的方向、振幅和相位都保持不变。均匀平面波是电磁波的一种理想情况，其特性及讨论方法简单，但又能表征电磁波的性质。虽然这种平面波并不真实存在，但在距离波源足够远的地方，呈球面的波阵面上的一小部分就可以近似看作一个均匀平面波。以下会先讨论在无界理想介质中均匀平面波的传播特点和各项参数的物理意义，然后讨论有耗介质中均匀平面波的传播特点，最后讨论各向异性中均匀平面波的传播特点。

理想介质中的均匀平面波

理想介质中的均匀平面波函数

理想情况下，所讨论的场区域为无源区，即ρ＝0，J＝0，且充满线性、各向同性的均匀介质。
假设现有且仅有一列均匀平面波沿直角坐标系的z轴正方向传播，则电场强度E和磁场强度H均不是关于x、y的函数，即电场强度E和磁场强度H分别关于x和y的偏导数均为零。
又因场域为无源场，故电场强度E的散度为零(无电荷源，电荷密度ρ为零)，磁场强度H的散度为零(无电流源，电流密度J为零)。
综合以上两点可以得出推论：电场强度E和磁场强度H在z方向的偏导数为零。这表明沿z方向传播的均匀平面波的电场强度和磁场强度都没有沿传播方向的分量，即电场强度E和磁场强度H都与波的传播方向垂直，这种波又称为横电磁波(TEM波，Transverse electromagnetic modes)。
对于沿z方向传播的均匀平面波，电场强度E和磁场强度H的分量E_x、E_y、H_x、H_y满足标量亥姆霍兹方程(即波动方程的复数表达式)。

理想介质中均匀平面波的传播特点

将理想介质中均匀平面波的传播特点归纳如下：

1. 电场E、磁场H与波的传播方向e_z之间相互垂直，是横电磁波(TEM)；
2. 电场与磁场的振幅不变
3. 波阻抗为实数，电场与磁场同相位；
4. 电磁波的相速与频率无关；
5. 电场能量密度等于磁场能量密度。

电磁波的极化

电磁波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特征，并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述。若该轨迹是直线，则称为直线极化；若轨迹是圆，则称为圆极化；若轨迹是椭圆，则称为椭圆极化。合成波的极化形式取决与电场在x、y方向上分量的振幅之间和相位之间的关系。以下将讨论两个正交的线极化波的合成波的极化情况，它可以是线极化波、或圆极化波、或椭圆极化波。反之，任一线极化波、圆极化波、椭圆极化波也可以分解为两个正交的线极化波。而且，一个线极化波还可以分解为两个振幅相同但旋向相反的圆极化波。

直线极化波

x、y分量的相位相同或相差π，则合成波为直线极化波。
任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的线极化波，当他们的相位相同或者相差π时，其合成波为线极化波。
在工程中，常将垂直于大地的直线极化波称为垂直极化波，而将与大地平行的直线极化波称为水平极化波。

圆极化波

电场x、y分量的振幅相同，相位相差π/2合成波为圆极化波。
任何两个同频率，同传播方向且极化方向互相垂直的线极化波，当他们的振幅相同且相位相差π/2时，其合成波为圆极化波。
工程中，移动设备的天线方向不固定，因此需要圆极化天线。

椭圆极化波

最一般的情况是电场的两个分量的振幅和相位都不相等，这样就构成了椭圆极化波。

均匀平面波在导电媒质中的传播

在导电媒质中，由于电导率σ≠0，当电磁波在导体中传播时，其中必然有传导电流J＝σE，这将导致电磁能量的损耗。因此，均匀平面波在导电媒质中的传播特性与无损耗媒质的情况不同。

导电媒质中的均匀平面波

均匀导电媒质中均匀平面波的传播特点：

1. 电场、磁场与传播方向之间相互垂直，仍然是横电磁波(TEM波)；
2. 电场与磁场的振幅呈指数衰减；
3. 波阻抗为复数，电场与磁场不同相位；
4. 电磁波的相速与频率有关；
5. 平均磁场能量密度大于平均电场能量密度。

弱导电媒质中的均匀平面波

若导电媒质是指σ/ωε<<1的导电媒质。在这种媒质中，位移电流起主要作用，而传导电流的影响很小，可忽略不计。因此，若导电媒质是一种良好的但电导率σ≠0的非理想绝缘材料。
在弱导电媒质中，除了有一定损耗所引起的衰减外，与理想介质中平面波的传播特性基本相同。

色散与群速

色散是不同频率电磁波在有耗媒质中传播时以不同相速传播时的现象。

良导体是指σ/ωε>>1的媒质。在良导体中，传到电流起主要作用，而位移电流的影响很小，可忽略不计。在两导体中，磁场的相位滞后电场45°。

均匀平面波的反射与透射

导行电磁波

电磁辐射