高等电磁场理论（第二版） [Theory and Computation of Electromagnetic Fields, ] 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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本书的逻辑严密，概念清晰，内容选取合理，难易程度适中

内容简介

本书内容包含二部分：第一部分为电磁场理论，作为刚入学研究生电磁场理论课程的教材；第二部分为电磁场的计算，作为高年级研究生计算电磁学的教材。通常的研究生电磁场课程的教材基本理论部分较为简练，内容较深，但由于在过去二十年中本科生的课程体系有了较大的改变，研究生的电磁场课程要求与新入学研究生在本科获得的电磁场基础之间有较大的差距。因此，作者在本书中比较注重基础理论部分，并且在内容选取上比较注重工程应用，同时和电磁场的前沿研究有比较密切的结合。本书第一部分的内容包含基础理论（如：矢量分析、麦克斯韦方程、边界条件和传输线理论）高级问题（如：波变换、叠加原理和分层介质球散射）。

作者简介

　　金建铭博士 美国伊利诺伊大学香槟校区（UIUC）电子与计算机工程的罗远祉讲座教授，电磁学实验室和计算电磁中心主任。IEEE会士。著有The Finite Element Method in Electromagnetics, Third Edition和Electromagnetic Analysis and Design in Magnetic Resonance Imaging。与他人合著了Computation of Special Functions，Finite Element Analysis of Antennas and Arrays和Fast and Efficient Algorithms in Computational Electromagnetics。被ISI列入论文引用率*高的作者名单。金建铭博士在国际上被十二所大学和研究机构授予客座、访问或讲座教授，与国内多所重点大学也有学术交流。在电磁场理论与数值计算方法研究领域有重大的影响力，曾获国际领域的计算电磁学奖和IEEE的戴振铎杰出教育家奖。

精彩书评

目录

第1章基本电磁理论
1．1矢量分析
1．1．1矢量算子和积分定理
1．1．2符号矢量法
1．1．3亥姆霍兹定理
1．1．4格林定理
1．2总电荷和总电流表示的麦克斯韦
方程组
1．2．1积分形式的麦克斯韦方程组
1．2．2微分形式的麦克斯韦方程组
1．2．3电流连续性方程
1．2．4洛伦兹力定律
1．3本构关系
1．3．1电极化
1．3．2磁化
1．3．3电传导
1．3．4媒质的分类
1．4自由电荷和自由电流表示的
麦克斯韦方程组
1．5边界条件
1．6能量、功率和坡印亭定理
1．7时谐场
1．7．1时谐场
1．7．2傅里叶变换
1．7．3复功率
1．7．4复介电常数和复磁导率
参考文献
习题
第2章自由空间中的电磁辐射
2．1标量位和矢量位
2．1．1静态场
2．1．2时谐场和洛伦兹规范
2．2自由空间中矢量位的解
2．2．1δ函数和格林函数
2．2．2自由空间格林函数
2．2．3自由空间中的场－源关系
2．2．4辅助位函数的意义
2．2．5自由空间并矢格林函数
2．3自由空间中的电磁辐射
2．3．1无限小电偶极子
2．3．2有限长电偶极子
2．3．3远场近似和索末菲辐射条件
2．3．4圆电流环和磁偶极子
2．4面电流和平面阵列的辐射
2．4．1面电流的辐射
2．4．2平面阵的辐射
参考文献
习题
第3章电磁定理和原理
3．1唯一性定理
3．2镜像原理
3．2．1镜像原理
3．2．2无限大半空间中的场－源
关系
3．3互易定理
3．3．1一般形式的互易定理
3．3．2洛伦兹互易定理
3．3．3瑞利－卡森互易定理
3．4等效原理
3．4．1面等效原理
3．4．2等效原理在导体散射问题
中的应用
3．4．3等效原理在介质体散射中的
应用
3．4．4体等效原理
3．5对偶原理
3．6口径辐射和散射
3．6．1等效问题
3．6．2巴比涅原理
3．6．3互补天线
参考文献
习题
第4章传输线和平面波
4．1传输线理论
4．1．1传输线方程及其解
4．1．2反射和透射
4．1．3格林函数和特征函数展开
4．2波动方程及其通解
4．2．1波动方程和分离变量法
4．2．2平面波特性
4．2．3波的速度与衰减
4．2．4线极化、圆极化和椭圆
极化
4．2．5电磁波在超材料中的传播
4．3面电流产生的平面波
4．4反射和透射
4．4．1垂直入射波的反射和透射
4．4．2斜入射时的反射和透射
4．4．3全透射和全反射
4．4．4电磁波入射到左手媒质
时的透射
4．4．5平面波和传输线的相似性
4．5各向异性媒质和双各向同性
媒质中的平面波
4．5．1单轴媒质中的平面波
4．5．2回旋媒质中的平面波
4．5．3手征媒质中的平面波
参考文献
习题
第5章笛卡儿坐标系中的场与波
5．1均匀波导
5．1．1均匀波导的分析方法
5．1．2波导的一般特性
5．1．3均匀矩形波导
5．1．4波导中的损耗和衰减常数
5．2均匀谐振腔
5．2．1均匀谐振腔的一般特性
5．2．2矩形谐振腔
5．2．3材料和几何形状的微扰
5．3部分填充波导和介质板波导
5．3．1一般理论
5．3．2部分填充的矩形波导
5．3．3介质覆盖导电平板波导
5．4波导中的场的激励
5．4．1面电流源激励
5．4．2体电流源激励
5．5平面分层媒质中的场
5．5．1谱域格林函数和索末菲
恒等式
5．5．2分层媒质上方的垂直电
偶极子
5．5．3分层媒质上方的水平电
偶极子
5．5．4接地介质板上的电偶极子
参考文献
习题
第6章柱坐标系中的场与波
6．1波动方程的解
6．1．1分离变量法的解
6．1．2柱面波函数
6．2圆波导、同轴线和圆柱
谐振腔
6．2．1圆波导
6．2．2同轴线
6．2．3圆柱谐振腔
6．3圆柱介质波导
6．3．1混合模的分析
6．3．2混合模的特性
6．4波变换和散射分析
6．4．1波变换
6．4．2导体圆柱的散射
6．4．3介质圆柱的散射
6．4．4多层介质圆柱的散射
6．5无限长电流源的辐射
6．5．1线电流在自由空间中的
辐射
6．5．2圆柱面电流的辐射
6．5．3导体圆柱存在时的辐射
6．5．4导体劈存在时的辐射
6．5．5有限长电流源的辐射
参考文献
习题
第7章球坐标系中的场与波
7．1波动方程的解
7．1．1分离变量法的解
7．1．2球面波函数
7．1．3TEr和TMr模式
7．2球形谐振腔
7．3双锥天线
7．3．1无限长双锥天线
7．3．2有限长双锥天线
7．4波变换和散射分析
7．4．1波变换
7．4．2平面波的展开
7．4．3导体球的散射
7．4．4介质球的散射
7．4．5多层介质球的散射
7．5加法定理和辐射分析
7．5．1球面波函数的加法定理
7．5．2球面电流的辐射
7．5．3球体存在时的辐射
7．5．4导体锥存在时的辐射
参考文献
习题
附录A矢量恒等式、积分定理、
坐标变换
附录B贝塞尔函数
附录C修正贝塞尔函数
附录D球面贝塞尔函数
附录E连带勒让德多项式

前言/序言

译者序

电磁场理论课程是国内外各大学的学生普遍感到畏惧的课程。本科学生如此，到了研究生阶段，仍然如此。其原因如下：电磁场理论公式多、推导复杂、内容抽象。有了基本的电磁场理论基础以后，在研究生阶段如何使电磁场理论知识系统化，使其运用麦克斯韦方程分析电磁问题的水平进一步提高，这是研究生电磁场理论课程需要解决的问题。

要在研究生阶段学好电磁场理论课程，首先要有一本好的教材。计算电磁学的发展使得电磁理论与计算数学产生了越来越紧密的关系，以至于有必要将这部分内容纳入电磁理论教材中，让研究生阶段的学生比较系统地掌握这部分知识，目前国内还没有这样的中文教材，值得推介的3种著名的研究生电磁场理论课程的教材分别是：

1. 哈林顿（R. F. Harrington）的Time Harmonic Electromagnetic Fields；

2. 孔金瓯（J. A. Kong）的Electromagnetic Wave Theory；

3. 巴拉尼斯（C. A. Balanis）的Advanced Engineering Electromagnetics, Second Edition。

但是，这些教材各有不适合作为教材的特点。或因所撰写年代太早，比如第1种于1961年出版；或因过于偏重理论，比如第2种；或因涵盖的内容太多，比如第3种，全书超过1000页。在计算电磁学高度发展的当今，很多需要非常复杂的公式才能解决的电磁问题，都可以交给计算机完成。因此，研究生电磁场理论课程的内容需要非常精心地选择，主要考虑3方面的问题：

1. 由于本科阶段基础电磁场理论课程学时数的减少，因此教材中要有相当的篇幅加强基础内容；

2. 教材内容中要体现电磁场领域中的新理论、新技术、新成果；

3. 教材内容要体现完整的电磁场理论结构体系，但理论不宜太深奥，篇幅不宜太长，其主要内容适合安排一个学期的课程。

美国伊利诺伊大学香槟校区Jian�睲ing Jin（金建铭）教授所著的Theory and Computation of Electromagnetic Fields, Second Edition满足了研究生阶段电磁场理论课程对教材的所有要求。本书有下面几个特点：

1. 为不同层次的研究生学习和了解更高等的问题提供了必须的基础知识；

2. 分析了电磁辐射、传播、透射及反射现象；

3. 阐述了重要的电磁定理和原理；

4. 对笛卡儿坐标、柱坐标、球坐标中的波的传播、散射、辐射问题的电磁分析进行了讨论；

5. 涵盖了频域和时域中基本及高级电磁计算方法及其工程应用；

6. 为检验和巩固学生对课程内容的理解，每一章都包含了一定数量的习题。为便于读者学会如何使用这些知识分析和解决相关的电磁问题，很多章节都附有例题。

考虑到国内各大学研究生课程的安排情况，我们将英文原著分成两部分出版。《高等电磁场理论（第二版）》，即本书，其内容对应原著第一部分（即前7章）及附录，适合作为研究生的“电磁场理论”课程的教材。《计算电磁学（第二版）》，其内容对应原著第二部分，可作为研究生的“计算电磁学”课程的教材。

本书由国防科技大学电子科学与工程学院尹家贤翻译。金建铭教授对全部译稿进行了认真的修改和审阅，在此表示感谢。电子工业出版社的马岚编辑在本书的出版过程中付出了辛勤的劳动，也在此表示感谢。

虽然笔者非常认真地进行了本书的翻译，但由于水平有限，书中译词不当、疏误之处难免，恳请读者批评指正。前言为便于读者了解原著的写作思路和整体架构，这里保留了原著前言的全部内容。其中，只有前7章和附录是本书的内容，其余译文包括在《计算电磁学（第二版）》一书中，将稍迟于本书，由电子工业出版社出版。——编者注

正如书名所示，本书包括两部分内容。第一部分为电磁场理论，其可以作为研究生阶段基础电磁理论课程的教材。第二部分为计算电磁学，其可以作为研究生阶段计算电磁学课程的教材。研究生阶段的基础电磁理论课程已有若干教材可用，但计算电磁学课程却没有合适的教材，本书意在填补这一空缺。本书的两部分内容是一脉相承的，以便学生可以较为容易地从第一阶段课程过渡到第二阶段课程。

虽然本书的第一部分介绍的是经典的基础电磁理论，但其涵盖的内容与现有教材有所不同，这主要是因为本科生的课程体系在过去二十年中有了较大的改变。许多大学减少了必修课的数量，以便学生在自我规划时更为自由。这就导致在美国大多数的电子工程系中，本科生只有一门电磁场的必修课程。因而研究生在入学时对基础电磁理论的掌握情况差异很大。为了应对这一挑战，使不同层次的学生均能从中受益，作者的授课课程内容既涵盖基础理论（如矢量分析、麦克斯韦方程组、边界条件和传输线理论）也包括高等问题（如波变换、叠加原理和分层介质球散射）。

在撰写本书的第一部分时，作者始终遵循下列原则：第一，本书并不是要作为一本包罗万象的电磁理论参考书。其只应包含足够的基础知识，使电子工程专业的研究生在未来研究高级课题时有足够的知识准备。并且所有内容应该能在一学期内讲授完。因此，对该部分涵盖的内容进行了非常仔细的筛选。第二，书的形式应该适合课堂教学和自学，而不是作为参考书使用。举例说明这其中的区别：对于参考书，所有有关格林函数的内容应该独立列为一章以便查阅；而对于课堂教学，循序渐进地介绍新思想和新概念通常更为合适。第三，写作和教学应始终紧扣一个中心——完整的电磁理论是从麦克斯韦方程出发，以数学为工具推导发展而来的。因而在介绍每一个主题时，都应该从麦克斯韦方程，或者基于麦克斯韦方程的定理开始。

本书的第二部分介绍了几种重要的计算电磁学方法，它们在工程应用中得到了广泛使用。这些方法包括有限差分法（特别是时域有限差分法），有限元法和基于积分方程的矩量法，它们是电磁场数值分析中的三种最基本方法。学生在熟练掌握这三种方法后，可以很容易地学习其他数值方法。第二部分还介绍了求解积分方程的快速算法以及结合不同数值方法的混合方法，掌握这些技术，就能更有效地处理复杂电磁问题。随着计算电磁学这一电磁分析和仿真工具得到越来越广泛地应用，基于上述内容的计算电磁学课程也越来越受欢迎。在伊利诺伊大学，这门课程被许多非电磁方向甚至非电子工程专业的学生选修。

下面是本书所涵盖内容的摘要书中部分插图所对应的彩色图片, 可通过华信教育资源网(www.hxedu.com.cn)注册下载。——编者注。第1章介绍基本电磁理论，包括矢量分析的简要回顾，积分和微分形式的麦克斯韦方程，不同介质分界面和理想导体表面的边界条件，描述媒质中电磁特性的本构关系，电磁能量和功率的概念，以及时谐场的麦克斯韦方程。本章还介绍可以简化矢量分析的符号矢量法。在本章中，将积分形式的麦克斯韦方程作为基本假定，由此推出微分形式的麦克斯韦方程以及各种边界条件。

第2章研究自由空间辐射场。利用本构关系并求解微分形式的麦克斯韦方程，就可以得到辐射场。本章中介绍作为辅助函数的标量位函数和矢量位函数，并讨论使用辅助位函数求解麦克斯韦方程的优势。另外, 还介绍将场－源联系起来的格林函数和并矢格林函数。最后，研究辐射场的远场近似，并由此得到索末菲辐射条件。

第3章介绍从麦克斯韦方程导出的一些重要定理和原理。首先是唯一性定理，以及以此为基础得到的镜像原理和面等效原理。作为面等效原理的应用，推导了感应定理、物理等效原理以及口径辐射问题的求解。由麦克斯韦方程的对称性得到对偶原理，并将其应用到互补结构中，得到巴比涅原理。

第4章的研究对象是均匀平面波。分析它在无界均匀媒质中的传播，以便更好地理解波的传播特性。文中首先回顾基本的传输线理论，介绍与波传播相关的一些基本概念，例如传播常数、衰减常数和各种速度。然后，用分离变量法求得波动方程在笛卡儿坐标系中的解，并由此讨论平面波的一些基本特性，例如波阻抗、极化。接下来，求解几个简单的边值问题，包括面电流的辐射场和平面波在两种不同媒质分界面的反射和透射。本章还讨论平面波在单轴媒质、回旋媒质、手征媒质、超材料中的传播以及入射到左手媒质中的情况。

第5章讨论电磁波在均匀和非均匀填充波导和介质波导中的传播，以及谐振腔问题。首先推导一般形式的波导和谐振腔中的电磁场解，并分析其基本特性。然后分析矩形波导和矩形谐振腔。接下来介绍微扰法，并用其计算非理想波导的衰减常数和谐振腔的品质因数，以及谐振腔中因填充材料或形状发生微小改变时谐振频率的变化。此外，还详细分析了部分填充波导和介质板波导中的混合模式。最后，讨论波导和分层媒质中的电流源激励问题，因为这个问题在实际应用中非常重要。

第6章讨论柱坐标系中的电磁问题。首先用分离变量法求解柱坐标系中的亥姆霍兹方程，并推导出柱面波函数。然后用柱面波函数分析圆波导、同轴线及圆柱谐振腔。接下来，分析圆柱介质波导中的波传播。此后，推导将平面波展开成柱面波的波变换，并应用波变换求解导体柱和介质柱的散射问题。最后，分析线电流和圆柱面电流在导体柱或导体劈存在时的辐射问题。由得到的结果，推导出了二维场的索末菲辐射条件，并解释导体劈横向场的奇异性。

第7章讨论球坐标系中的电磁问题。首先用分离变量法求解球坐标系中的亥姆霍兹方程，并推导出球面波函数。然后用球面波函数分析球谐振腔和双锥天线。接下来，推导将平面波展开成球面波的波变换，并应用波变换求解导体球和介质球的散射问题。此外，还研究点电荷的辐射问题，并由此推导出球面波的加法定理。最后，分析球面电流在导体球或导体锥存在时的辐射问题，以此说明球坐标系中辐射问题的分析方法并解释导体尖端场的奇异性。

从第8章开始，讨论计算电磁学的内容。第8章通过推导基本的有限差分公式并将其应用于波动方程和扩散方程中，展示有限差分法的基本原理。紧接着，讨论有限差分法中的两个重要问题：稳定性分析和色散分析。之后，介绍二维和三维情况下用于求解麦克斯韦方程的时域有限差分法。最后，讨论如何用吸收边界条件（ABC）和理想匹配层（PML）来截断开放区域中的电磁问题，在时

理论较多！

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金教授的水平毋庸置疑。书名翻译有点坑，内容看叫《高等电磁场理论》不合适，基本没有超出本科教学的范围。

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理论较多！

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