電磁波理論

電磁波理論基礎為電磁場理論。須熟練掌握麥克斯韋方程組後推導出的波動方程，此內容將貫穿整個電磁波理論。以下將對電磁波的傳播規律和特點進行討論。

時變電磁場

均勻平面波在無界空間中的傳播

均勻平面波是指電磁場的場向量只延着其傳播方向變化，在與波傳播方向垂直的無限大平面內，電場強度E和磁場強度H的方向、振幅和相位都保持不變。均勻平面波是電磁波的一種理想情況，其特性及討論方法簡單，但又能表徵電磁波的性質。雖然這種平面波並不真實存在，但在距離波源足夠遠的地方，呈球面的波陣面上的一小部分就可以近似看作一個均勻平面波。以下會先討論在無界理想介質中均勻平面波的傳播特點和各項參數的物理意義，然後討論有耗介質中均勻平面波的傳播特點，最後討論各向異性中均勻平面波的傳播特點。

理想介質中的均勻平面波

理想介質中的均勻平面波函數

理想情況下，所討論的場區域為無源區，即ρ＝0，J＝0，且充滿線性、各向同性的均勻介質。
假設現有且僅有一列均勻平面波沿直角坐標系的z軸正方向傳播，則電場強度E和磁場強度H均不是關於x、y的函數，即電場強度E和磁場強度H分別關於x和y的偏導數均為零。
又因場域為無源場，故電場強度E的散度為零(無電荷源，電荷密度ρ為零)，磁場強度H的散度為零(無電流源，電流密度J為零)。
綜合以上兩點可以得出推論：電場強度E和磁場強度H在z方向的偏導數為零。這表明沿z方向傳播的均勻平面波的電場強度和磁場強度都沒有沿傳播方向的分量，即電場強度E和磁場強度H都與波的傳播方向垂直，這種波又稱為橫電磁波(TEM波，Transverse electromagnetic modes)。
對於沿z方向傳播的均勻平面波，電場強度E和磁場強度H的分量E_x、E_y、H_x、H_y滿足純量亥姆霍茲方程(即波動方程的複數表達式)。

理想介質中均勻平面波的傳播特點

將理想介質中均勻平面波的傳播特點歸納如下：

1. 電場E、磁場H與波的傳播方向e_z之間相互垂直，是橫電磁波(TEM)；
2. 電場與磁場的振幅不變
3. 波阻抗為實數，電場與磁場同相位；
4. 電磁波的相速與頻率無關；
5. 電場能量密度等於磁場能量密度。

電磁波的極化

電磁波的極化表徵在空間給定點上電場強度向量的取向隨時間變化的特徵，並用電場強度向量的端點隨時間變化的軌跡來描述。若該軌跡是直線，則稱為直線極化；若軌跡是圓，則稱為圓極化；若軌跡是橢圓，則稱為橢圓極化。合成波的極化形式取決與電場在x、y方向上分量的振幅之間和相位之間的關係。以下將討論兩個正交的線極化波的合成波的極化情況，它可以是線極化波、或圓極化波、或橢圓極化波。反之，任一線極化波、圓極化波、橢圓極化波也可以分解為兩個正交的線極化波。而且，一個線極化波還可以分解為兩個振幅相同但旋向相反的圓極化波。

直線極化波

x、y分量的相位相同或相差π，則合成波為直線極化波。
任何兩個同頻率、同傳播方向且極化方向互相垂直的線極化波，當他們的相位相同或者相差π時，其合成波為線極化波。
在工程中，常將垂直於大地的直線極化波稱為垂直極化波，而將與大地平行的直線極化波稱為水平極化波。

圓極化波

電場x、y分量的振幅相同，相位相差π/2合成波為圓極化波。
任何兩個同頻率，同傳播方向且極化方向互相垂直的線極化波，當他們的振幅相同且相位相差π/2時，其合成波為圓極化波。
工程中，流動裝置的天線方向不固定，因此需要圓極化天線。

橢圓極化波

最一般的情況是電場的兩個分量的振幅和相位都不相等，這樣就構成了橢圓極化波。

均勻平面波在導電媒質中的傳播

在導電媒質中，由於電導率σ≠0，當電磁波在導體中傳播時，其中必然有傳導電流J＝σE，這將導致電磁能量的損耗。因此，均勻平面波在導電媒質中的傳播特性與無損耗媒質的情況不同。

導電媒質中的均勻平面波

均勻導電媒質中均勻平面波的傳播特點：

1. 電場、磁場與傳播方向之間相互垂直，仍然是橫電磁波(TEM波)；
2. 電場與磁場的振幅呈指數衰減；
3. 波阻抗為複數，電場與磁場不同相位；
4. 電磁波的相速與頻率有關；
5. 平均磁場能量密度大於平均電場能量密度。

弱導電媒質中的均勻平面波

若導電媒質是指σ/ωε<<1的導電媒質。在這種媒質中，位移電流起主要作用，而傳導電流的影響很小，可忽略不計。因此，若導電媒質是一種良好的但電導率σ≠0的非理想絕緣材料。
在弱導電媒質中，除了有一定損耗所引起的衰減外，與理想介質中平面波的傳播特性基本相同。

色散與群速

色散是不同頻率電磁波在有耗媒質中傳播時以不同相速傳播時的現象。

良導體是指σ/ωε>>1的媒質。在良導體中，傳到電流起主要作用，而位移電流的影響很小，可忽略不計。在兩導體中，磁場的相位滯後電場45°。

均勻平面波的反射與透射

導行電磁波

電磁輻射