1207026004《高等电磁场理论》教学大纲 课程 课程中 编号 1207026004 高等电磁场理论 学时 60 文名称 ■学位课 课程 口非学位课 课程英 Advanced Electromagnetic Field Theory 学分 3 性质 口其他 文名称 开课 口春 适用学科 时间■秋 物理学 适用 ■硕士 (类别) 学生 ■博士 先修课程 电磁场与电磁波/电动力学、微波技术基础、天线基础、 数学物理方法 开课单位 物理学院 大纲撰写人 熊江梁锋 大纲审稿人 王秉中 制（修）定时间 2022年6月9日 一、 教学目标 本课程为电磁场微波技术及无线电物理专业及相关硕士研究生的学位课，也可以由跨专 业的博士生选修。课程选用哈林顿的经典著作《时谐电磁场》作为教材，既保证了对本科生 电磁场与电磁波课程的良好衔接，又在此基础上涵盖了高等电磁理论的大部分内容。通过本 课程教学，使学生能够熟练掌握以Maxw方程为中心的现代电磁场的主要理论，为学生 构建无线电物理理论与工程方面的坚实理论基础，初步具备使用电磁场基本理论解决相关研 究和工程问题的能力。本课程也是电子类专业研究生专业素质的培养中的重要内容。 二、教学内容与要求 本课程共60学时。教学内容及学时分配如下。 第一章基本电磁理论（共5学时） 1本章教学内容 (1)1-1矢量分析，1-2正弦电磁场及其表示(1学时)： (2)1-3 Maxwel1方程组、本构关系、边界条件，1-4 Helmholtz方程(1学时)： (3)1-5电磁场方程基本求解方法（包括辅助位函数法、分离变量法、格林函数法、本征 函数展开法)(2学时) (4)1-6电磁场与电路的关系、电路元件的交流行为（博士生）(1学时) 2本章教学要求 通过本章内容的学习，要求学生理解正弦电磁场的概念、瞬时量和复数量的表示方法， 理解Maxwel1方程组、本构关系及边界条件，掌握Helmholtz方程的导出过程，了解电磁场 方程的几类基本求解方法，了解电磁场与电路的类比及对应关系。对于博士生还要求学生掌 握电路元件的交流特性和行为。 3本章教学重点 正弦电磁场、瞬时量和复数量的概念及表示方法，电磁场方程的基本求解方法
1207026004《高等电磁场理论》教学大纲 课程 编号 1207026004 课程中 文名称 高等电磁场理论 学时 60 课程 性质 ■学位课 □非学位课 □其他 课程英 文名称 Advanced Electromagnetic Field Theory 学分 3 开课 时间 □春 ■秋 适用学科 (类别) 物理学 适用 学生 ■硕士 ■博士 先修课程 电磁场与电磁波/电动力学、微波技术基础、天线基础、数学物理方法 开课单位 物理学院 大纲撰写人 熊江 梁锋 大纲审稿人 王秉中 制(修)定时间 2022 年 6 月 9 日 一、教学目标 本课程为电磁场微波技术及无线电物理专业及相关硕士研究生的学位课,也可以由跨专 业的博士生选修。课程选用哈林顿的经典著作《时谐电磁场》作为教材，既保证了对本科生 电磁场与电磁波课程的良好衔接，又在此基础上涵盖了高等电磁理论的大部分内容。通过本 课程教学，使学生能够熟练掌握以 Maxwell 方程为中心的现代电磁场的主要理论，为学生 构建无线电物理理论与工程方面的坚实理论基础，初步具备使用电磁场基本理论解决相关研 究和工程问题的能力。本课程也是电子类专业研究生专业素质的培养中的重要内容。 二、教学内容与要求 本课程共 60 学时。教学内容及学时分配如下。 第一章 基本电磁理论（共 5 学时） 1 本章教学内容 （1）1-1 矢量分析，1-2 正弦电磁场及其表示（1 学时）； （2）1-3 Maxwell 方程组、本构关系、边界条件，1-4 Helmholtz 方程（1 学时）； （3）1-5 电磁场方程基本求解方法（包括辅助位函数法、分离变量法、格林函数法、本征 函数展开法）（2 学时） （4）1-6 电磁场与电路的关系、电路元件的交流行为（博士生）（1 学时） 2 本章教学要求 通过本章内容的学习，要求学生理解正弦电磁场的概念、瞬时量和复数量的表示方法， 理解 Maxwell 方程组、本构关系及边界条件，掌握 Helmholtz 方程的导出过程，了解电磁场 方程的几类基本求解方法，了解电磁场与电路的类比及对应关系。对于博士生还要求学生掌 握电路元件的交流特性和行为。 3 本章教学重点 正弦电磁场、瞬时量和复数量的概念及表示方法，电磁场方程的基本求解方法
4本章教学难点 麦克斯韦方程中电流的分类和物理意义以及如何与各类功率对应。 课后作业：教材习题1-3、1-6、1-10、1-13 第二章平面波简述（共5学时） 1本章教学内容 （1)2-1波动方程及平面波概念，2-2平面波的极化(1学时)： (2)2-3波的本征常数，2-4损耗介质中的平面波，2-5平面波的反射，2-6传输线概念（博 士生)(2学时)： (3)2-7矩形波导概述，2-8矩形谐振腔概述(1学时)： (4)2-9自由空间辐射问题概述(1学时) 2本章教学要求 通过本章内容的学习，要求学生理解平面波、复介电常数、矢量势、传输线等概念及波 在完纯和损耗介质中传播的差异，掌握时谐电磁波的传播、反射、透射、导行以及辐射等行 为的数学表达形式和物理意义。对于硕士生，不要求学生掌握传输线和路的形式：对于博士 生则要求学生掌握传输线的概念以及从路的形式理解波的传播行为。 3本章教学重点 (1)时谐电磁波的传播、反射、透射、导行以及辐射等行为的数学形式和物理意义： (2)波在完纯和损耗介质中传播的差异、复介电常数的概念和理解： (3)两类波(TM与TE波)的全反射或全透射条件。 4本章教学难点 矢量势的概念和理解。 课后作业：教材习题2-5、2-6、2-8、2-14、2-24、2-18、2-34、2-41、2-45 第三章电磁定理和原理（共10学时） 1本章教学内容 (1)3-1叠加原理，3-2对偶原理(2学时)： (2)3-3唯一性定理(2学时)： (3)3-4镜像原理，3-5等效原理(2学时)： (4)3-6感应原理，3-7互易原理(2学时)： (5)3-8惠更斯定理，3-9巴比涅互补原理(2学时)： 2本章教学要求 通过本章内容的学习，要求学生理解电磁理论中的常用定理和原理的概念及具体内容， 掌握各原理的物理含义，掌握各定理和原理的典型应用案例，学会应用基本电磁定理和原理 求解电磁学问题。对于博士生，要求掌握各原理的数学导出方法。 3本章教学重点 （1)各定理和原理的内容和物理含义： (2)各定理和原理的典型应用案例。 4本章教学难点
4 本章教学难点 麦克斯韦方程中电流的分类和物理意义以及如何与各类功率对应。 课后作业：教材习题 1-3、1-6、1-10、1-13 第二章 平面波简述（共 5 学时） 1 本章教学内容 （1）2-1 波动方程及平面波概念，2-2 平面波的极化（1 学时）； （2）2-3 波的本征常数，2-4 损耗介质中的平面波，2-5 平面波的反射，2-6 传输线概念（博 士生）（2 学时）； （3）2-7 矩形波导概述，2-8 矩形谐振腔概述（1 学时）； （4）2-9 自由空间辐射问题概述（1 学时） 2 本章教学要求 通过本章内容的学习，要求学生理解平面波、复介电常数、矢量势、传输线等概念及波 在完纯和损耗介质中传播的差异，掌握时谐电磁波的传播、反射、透射、导行以及辐射等行 为的数学表达形式和物理意义。对于硕士生，不要求学生掌握传输线和路的形式；对于博士 生则要求学生掌握传输线的概念以及从路的形式理解波的传播行为。 3 本章教学重点 (1) 时谐电磁波的传播、反射、透射、导行以及辐射等行为的数学形式和物理意义; (2) 波在完纯和损耗介质中传播的差异、复介电常数的概念和理解; (3) 两类波（TM 与 TE 波）的全反射或全透射条件。 4 本章教学难点 矢量势的概念和理解。 课后作业：教材习题 2-5、2-6、2-8、2-14、2-24、2-18、2-34、2-41、2-45 第三章 电磁定理和原理（共 10 学时） 1 本章教学内容 （1）3-1 叠加原理，3-2 对偶原理（2 学时）； （2）3-3 唯一性定理（2 学时）； （3）3-4 镜像原理，3-5 等效原理（2 学时）； （4）3-6 感应原理，3-7 互易原理（2 学时）； （5）3-8 惠更斯定理，3-9 巴比涅互补原理（2 学时）； 2 本章教学要求 通过本章内容的学习，要求学生理解电磁理论中的常用定理和原理的概念及具体内容， 掌握各原理的物理含义，掌握各定理和原理的典型应用案例，学会应用基本电磁定理和原理 求解电磁学问题。对于博士生，要求掌握各原理的数学导出方法。 3 本章教学重点 （1） 各定理和原理的内容和物理含义； （2） 各定理和原理的典型应用案例。 4 本章教学难点
(1)无耗介质中唯一性定理的推导： (2)对感应原理、互易原理的物理意义的理解。 课后作业：教材习题3-2、3-4、3-9、3-12、3-17、3-19、3-29、3-36 第四章平面波函数(14学时) 章节内容及学时分配： 4-1波函数，4-2平面波表示(2学时) 4-3矩形波导，4-4备用模式组(2学时) 4-5矩形谐振腔，4-6部分填充波导，(2学时) 4-7介质波导，4-8表面波(4学时) 4-9场的模式展开，4-10波导中的电流(2学时) 4-11地平面上的口径，4-12平面电流薄片(2学时) 本章主要介绍平面直角坐标系下的时谐电磁波。需要重点掌握的内容包括平面直角坐标 系下的波函数、平面波的概念和数学描写、矩形波导和谐振腔、场的模式展开、波导激励、 平面电流薄片等：在本科电磁场课程中未介绍过的模式展开、波导激励、地平面上口径以及 平面电流薄片是本章的难点。 矩形波导备用模式组、部分填充的矩形波导以及介质波导等作为博士生必须了解的内 容。 课后作业：教材习题4-1、4-3、4-6、4-7、4-11、4-31、4-34、4-42 第五章柱面波函数（共14学时） 章节内容及学时分配： 5-1波函数，5-2圆柱波导(2学时) 5-3径向波导，5-4圆柱谐振腔，5-5其它圆柱型波导(2学时) 5-6柱面波的源，5-7二维辐射，5-8波的变换(2学时) 5-9圆柱的散射，5-10劈的散射(4学时) 5-12圆柱上的口径，5-13劈上的口径(4学时) 本章主要介绍柱坐标系下的时谐电磁波。需要重点掌握的内容包括柱坐标系下的波函 数、圆波导和谐振腔、径向波导、场的模式展开、柱面波源、二维和三维情形下的辐射、圆 柱和劈的散射和口径辐射等：在本科电磁场课程中未介绍过的径向波导、波的变换、圆柱和 劈的散射和辐射等是本章的难点。 其它形式的圆柱形径向波导例如部分填充的柱形波导、柱形介质波导、柱形金属表面介 质波导、柱形梳状波导以及半平面上的细槽辐射等作为博士生必须了解的内容。 课后作业：教材习题5-1、5-2、5-4、5-12、5-17 第六章球面波函数（共12学时） 章节内容及学时分配：
（1） 无耗介质中唯一性定理的推导； （2） 对感应原理、互易原理的物理意义的理解。 课后作业：教材习题 3-2、3-4、3-9、3-12、3-17、3-19、3-29、3-36 第四章 平面波函数（14 学时） 章节内容及学时分配： 4-1 波函数，4-2 平面波表示（2 学时） 4-3 矩形波导，4-4 备用模式组（2 学时） 4-5 矩形谐振腔，4-6 部分填充波导，（2 学时） 4-7 介质波导, 4-8 表面波（4 学时） 4-9 场的模式展开，4-10 波导中的电流（2 学时） 4-11 地平面上的口径,4-12 平面电流薄片（2 学时） 本章主要介绍平面直角坐标系下的时谐电磁波。需要重点掌握的内容包括平面直角坐标 系下的波函数、平面波的概念和数学描写、矩形波导和谐振腔、场的模式展开、波导激励、 平面电流薄片等；在本科电磁场课程中未介绍过的模式展开、波导激励、地平面上口径以及 平面电流薄片是本章的难点。 矩形波导备用模式组、部分填充的矩形波导以及介质波导等作为博士生必须了解的内 容。 课后作业：教材习题 4-1、4-3、4-6、4-7、4-11、4-31、4-34、4-42 第五章 柱面波函数（共 14 学时） 章节内容及学时分配： 5-1 波函数，5-2 圆柱波导（2 学时） 5-3 径向波导，5-4 圆柱谐振腔，5-5 其它圆柱型波导（2 学时） 5-6 柱面波的源，5-7 二维辐射，5-8 波的变换（2 学时） 5-9 圆柱的散射，5-10 劈的散射（4 学时） 5-12 圆柱上的口径，5-13 劈上的口径（4 学时） 本章主要介绍柱坐标系下的时谐电磁波。需要重点掌握的内容包括柱坐标系下的波函 数、圆波导和谐振腔、径向波导、场的模式展开、柱面波源、二维和三维情形下的辐射、圆 柱和劈的散射和口径辐射等；在本科电磁场课程中未介绍过的径向波导、波的变换、圆柱和 劈的散射和辐射等是本章的难点。 其它形式的圆柱形径向波导例如部分填充的柱形波导、柱形介质波导、柱形金属表面介 质波导、柱形梳状波导以及半平面上的细槽辐射等作为博士生必须了解的内容。 课后作业：教材习题 5-1、5-2、5-4、5-12、5-17 第六章 球面波函数（共 12 学时） 章节内容及学时分配：
6-1波函数，6-2球形谐振腔(2学时) 6-3正交关系，6-4空间作为波导，6-5其它径向波导，6-6其它谐振腔(2学时) 6-7球面波的源，6-8波的变换(2学时) 6-9球的散射，6-10偶极子和导电球，6-11球上的▣径(4学时) 6-12锥面上的场，6-13最大天线增益(2学时) 本章主要介绍球坐标系下的时谐电磁波。需要重点掌握的内容包括球坐标系下的波函 数、球形谐振腔、正交关系、空间作为波导、球面波源、二维和三维情形下的辐射、球的散 射和口径辐射等：在本科电磁场课程中未介绍过的球形谐振腔、正交关系、空间作为波导、 波的变换、球的散射和辐射等是本章的难点。 其它形式例如单锥、双锥、同轴锥形、喇叭等球形径向波导和谐振腔作为哈林顿电小天 线性能上限理论等作为博士生必须了解的内容。 课后作业：教材习题6-1、6-2、6-3、6-5、6-19 三、教学方式 课堂教学，以讲授教材内容为主，适当增补经典专著或经典论文的内容，教学形式以板 书为主辅以幻灯片帮助学生直观了解场分布、方向图、散射图等。 四、考核方式与成绩评定 考核方式：考试，堂上开卷笔试 成绩评定：最终考核成绩=平时考核成绩占60%（其中课堂讨论、考勤、课后作业20%， 课堂测验20%，课程设计20%)+期末考试成绩占40%。 五、教材及主要参考书目 教材： []《Time-Harmonic Electromagnetic Fields R.F.Harrington》,Roger F.Harrington编著， John Wiley&Sons出版社，2001年 参考资料： [1)《高等电磁场理论》（第二版），Jian-Ming Jin著，尹家贤译，电子工业出版社，2017 [2]《高等电磁理论》，杨儒贵等编著，高等教育出版社，2008 [3]《Electromagnetic Wave Theory》,J.A.Kong编著，EMW出版社，2005 [4](Fields and Waves in Communication Electronics)Simon Ramo John R.Whinnery 著，John Wiley&Sons出版社，1994年 [5)]《微波与光电子学中的电磁理论》，张克潜等编著，电子工业出版社，2001年 [6]《近代天线理论》，谢处方编著，成都电讯工程学院出版社，1987年 [7)《高等电磁理论》，傅君眉、冯恩信编著，西安交通大学出版社，2000年 (大纲撰写人：熊江、梁锋) (大纲审稿人：王秉中)
6-1 波函数，6-2 球形谐振腔（2 学时） 6-3 正交关系，6-4 空间作为波导，6-5 其它径向波导，6-6 其它谐振腔（2 学时） 6-7 球面波的源，6-8 波的变换（2 学时） 6-9 球的散射，6-10 偶极子和导电球，6-11 球上的口径（4 学时） 6-12 锥面上的场，6-13 最大天线增益（2 学时） 本章主要介绍球坐标系下的时谐电磁波。需要重点掌握的内容包括球坐标系下的波函 数、球形谐振腔、正交关系、空间作为波导、球面波源、二维和三维情形下的辐射、球的散 射和口径辐射等；在本科电磁场课程中未介绍过的球形谐振腔、正交关系、空间作为波导、 波的变换、球的散射和辐射等是本章的难点。 其它形式例如单锥、双锥、同轴锥形、喇叭等球形径向波导和谐振腔作为哈林顿电小天 线性能上限理论等作为博士生必须了解的内容。 课后作业：教材习题 6-1、6-2、6-3、6-5、6-19 三、教学方式 课堂教学，以讲授教材内容为主，适当增补经典专著或经典论文的内容，教学形式以板 书为主辅以幻灯片帮助学生直观了解场分布、方向图、散射图等。 四、考核方式与成绩评定 考核方式：考试，堂上开卷笔试 成绩评定：最终考核成绩＝平时考核成绩占 60%（其中课堂讨论、考勤、课后作业 20%， 课堂测验 20%，课程设计 20%）+期末考试成绩占 40%。 五、教材及主要参考书目 教材： [1] 《Time-Harmonic Electromagnetic Fields R.F. Harrington》， Roger F. Harrington 编著， John Wiley&Sons 出版社，2001 年 参考资料： [1] 《高等电磁场理论》（第二版），Jian-Ming Jin 著，尹家贤译，电子工业出版社，2017 [2] 《高等电磁理论》，杨儒贵等编著，高等教育出版社，2008 [3] 《Electromagnetic Wave Theory》，J. A. Kong 编著， EMW 出版社，2005 [4] 《Fields and Waves in Communication Electronics》Simon Ramo John R. Whinnery 编 著, John Wiley& Sons 出版社,1994 年 [5] 《微波与光电子学中的电磁理论》，张克潜等编著，电子工业出版社，2001 年 [6] 《近代天线理论》，谢处方编著，成都电讯工程学院出版社，1987 年 [7] 《高等电磁理论》，傅君眉、冯恩信编著，西安交通大学出版社，2000 年 （大纲撰写人：熊江、梁锋） （大纲审稿人：王秉中）