超低频和极低频电磁波的传播及噪声PDF电子书下载

第1章 基础理论 1

1.1 电磁场及其位函数 1

1.1.1 电磁场的麦克斯韦方程组 1

1.1.2 电场和磁场满足的微分方程 2

1.1.3 电磁场的各种位函数以及它们的表达式 3

1.2 用洛伦兹规范推导矢量位的亥姆霍兹方程 4

1.3 洛伦兹规范不适合应用于圆球坐标系内的径向源 6

1.3.1 在洛伦兹规范下直角坐标系中矢量位的直角分量满足标量亥姆霍兹方程 7

1.3.2 在洛伦兹规范下圆柱坐标系中矢量位的轴向分量满足标量亥姆霍兹方程 7

1.3.3 应用洛伦兹规范不能使圆球坐标系的径向矢量位满足标量亥姆霍兹方程 8

1.4 标量亥姆霍兹方程的解 10

1.4.1 非齐次标量亥姆霍兹方程的积分解法 11

1.4.2 齐次标量亥姆霍兹方程的分离变量解法 13

1.5 电磁场的边界条件 17

1.5.1 电场和磁场的切线边界条件 18

1.5.2 电场和磁场的法线边界条件 19

1.5.3 电磁场的独立边界条件 20

1.5.4 矢量位的边界条件 21

1.6 电磁场的唯一性定理及其证明 26

1.7 关于电磁场的对偶性问题 28

1.7.1 无限大介质中电偶极子和磁偶极子的各种公式满足对偶性原理 29

1.7.2 存在内边界的电磁场问题中对偶性原理不成立 30

1.8 磁偶极子与小电流环的等效 30

第2章 传播介质的电磁性能及其对电磁波传播的影响 34

2.1 地面的电磁特性 34

2.1.1 土壤、岩石和水等的电磁参数 34

2.1.2 地面对均匀平面波的反射和透射，地表面阻抗和表面导纳 35

2.1.3 地面上电磁场的近似边界条件 38

2.1.4 电导率纵向分层情况下的地表面阻抗 40

2.2 电离层的结构和电磁参数 43

2.2.1 电离层的分层结构 43

2.2.2 低电离层的电子密度和碰撞频率随高度的变化 44

2.2.3 忽略地球磁场影响时电离层的电磁参数 45

2.2.4 考虑地球磁场影响时电离层的电磁参数 47

2.3 各向同性电离层下边界的表面阻抗及反射系数 52

2.3.1 各向同性垂直渐变电离层的下边界表面阻抗与反射系数 52

2.3.2 电离层等效下边界高度的改变及相应参数值的换算 59

2.4 各向异性电离层 61

2.4.1 均匀各向异性电离层中的电磁波 61

2.4.2 垂直渐变各向异性电离层中的规格化阻抗矩阵的微分方程 64

2.4.3 解规格化阻抗矩阵微分方程的初始值 65

2.4.4 垂直渐变各向异性电离层不同高度下边界参数的换算 67

2.4.5 地—各向异性电离层波导规格化波数的计算 69

2.4.6 数值计算举例 69

第3章 电磁波的波导传播理论 75

3.1 电磁波的波导传播模式、截止频率和衰减率 75

3.1.1 横磁波模式 76

3.1.2 横电波模式 79

3.2 平面地—电离层波导中的电磁波传播 80

3.2.1 平面地—电离层波导的波数和特性阻抗 80

3.2.2 垂直电偶极子产生的电磁场 82

3.2.3 水平电偶极子产生的电磁场 84

3.3 圆球形地—电离层波导中的电磁波传播 86

3.3.1 垂直电偶极子产生的电磁场 87

3.3.2 垂直磁偶极子产生的电磁场 93

3.3.3 水平电偶极子产生的电磁场 96

3.3.4 简化径向函数和模式方程，求解模式方程的特征值 102

3.3.5 考虑电离层极化转换情况下准TEM模式的模式方程 108

3.3.6 TM模式和TE模式的衰减率和相速度的计算 111

第4章 勒让德函数、电磁场的近似公式和舒曼谐振 115

4.1 勒让德函数及其导数的级数表达式及各种近似表达式 115

4.1.1 勒让德函数及其头两阶导数的级数表达式 115

4.1.2 勒让德函数及其头两阶导数的行波近似表达式 116

4.1.3 勒让德函数及其头两阶导数的平面近似表达式 117

4.1.4 勒让德函数及其头两阶导数在对极点附近的近似表达式 118

4.1.5 近距离上勒让德函数及其头两阶导数的近似表达式 120

4.2 球形波导准TEM场的平面近似公式 121

4.3 以对极点为中心的电磁场公式 122

4.4 Bannister近似公式 123

4.4.1 垂直电偶极子的Bannister近似公式 123

4.4.2 水平电偶极子的Bannister近似公式 125

4.4.3 Bannister公式的最大适用距离及其精度 126

4.5 地—电离层波导的舒曼谐振 128

第5章 椭圆极化波和地面上的合成电磁场 131

5.1 电磁场的区域划分问题 131

5.2 电磁场的极化 132

5.2.1 极化、线极化、椭圆极化、圆极化 132

5.2.2 两个正交电（磁）场的合成电（磁）场 133

5.2.3 椭圆极化电场的最大值及其方向 135

5.2.4 椭圆极化电磁波的接收 137

5.3 单根水平天线产生的合成水平电磁场的极化 139

5.4 两根交叉水平天线产生的合成电磁场分量及总的合成水平电磁场的极化 146

5.4.1 两根交叉水平天线产生的合成电磁场分量 146

5.4.2 两根交叉水平天线产生的总的合成水平电磁场的极化 147

第6章 地面上水平天线产生的远距离电磁场的计算，电磁场的方向性及发射台的服务区 153

6.1 地—电离层波导规格化波数的简化公式 154

6.2 衰减率及相速度比值的实验数据与近似公式计算数值的比较 161

6.3 地—电离层波导参数的计算 163

6.4 两端接地水平天线电磁场的幅度和方向计算 164

6.5 垂直电场分量、水平磁场分量及合成水平磁场随距离的变化曲线 168

6.6 电磁场的方向性及其控制 171

6.6.1 单根两端接地水平天线在地面上产生的电磁场的方向性 172

6.6.2 两根交叉的两端接地水平天线在地面上产生的电磁场的方向性及方向性控制 174

6.7 发射台的服务区 179

6.8 昼夜变化通信线路的电磁场计算 184

第7章 地（海）面附近偶极子产生的电磁场 187

7.1 球面波的索末菲积分表达式 187

7.2 地面附近垂直电偶极子产生的电磁场 189

7.2.1 地面下垂直电偶极子电磁场的积分表达式（通过矢量磁位方法求解） 190

7.2.2 地面下垂直电偶极子电磁场的积分表达式（通过傅里叶变换方法求解） 195

7.2.3 电磁场公式中无法严格积分的积分项（侧面波和修正项）的估算 198

7.2.4 地面下垂直电偶极子在地面下和地面上两个区域内的电磁场的积分后的代数式 204

7.2.5 地面上空垂直电偶极子产生的电磁场 207

7.2.6 位于分界面上、下两侧的垂直电偶极子产生的电磁场公式的比较 212

7.3 地面附近水平电偶极子产生的电磁场 213

7.3.1 区域1中的水平电偶极子产生的电磁场（用傅里叶变换方法求解） 213

7.3.2 区域1中的水平电偶极子产生的电磁场（用矢量磁位方法求解） 219

7.3.3 用傅里叶变换方法和用矢量磁位方法导出的两组公式完全相同的证明 222

7.3.4 区域1中的水平电偶极子产生的电磁场的积分后的代数式 225

7.3.5 区域2中的水平电偶极子产生的电磁场的积分表达式及积分后的公式 232

7.3.6 位于分界面两侧的水平电偶极子产生的电磁场公式的比较 237

7.4 地面附近垂直磁偶极子的电磁场 238

7.4.1 地面之下垂直磁偶极子的电磁场 239

7.4.2 地面上空垂直磁偶极子的电磁场 242

7.5 地面附近水平磁偶极子的电磁场 244

7.5.1 地面之下水平磁偶极子产生的电磁场 244

7.5.2 地面上空中水平磁偶极子产生的电磁场 252

7.6 地面上（上侧）偶极子在地面上空间产生的电磁场公式的另一种推导方法 254

7.6.1 一次场和二次场 254

7.6.2 地面上垂直电偶极子的电磁场公式 255

7.6.3 地面上水平磁偶极子的电磁场公式 258

7.6.4 地面上水平电偶极子的电磁场公式 260

7.6.5 地面上垂直磁偶极子的电磁场公式 263

7.7 地面上偶极子的准静态电磁场 265

7.7.1 地面上垂直电偶极子的准静态电磁场 265

7.7.2 地面上水平磁偶极子的准静态电磁场 266

7.7.3 地面上水平电偶极子的准静态电磁场 267

7.7.4 地面上垂直磁偶极子的准静态电磁场 268

7.8 分层不均匀地面上空偶极子的电磁场 269

7.8.1 地面上四种偶极子在地面上空产生的电磁场公式 269

7.8.2 分层不均匀地面对不均匀平面波谱的反射系数 273

7.8.3 分层不均匀地面上偶极子电磁场的数值计算 275

第8章 地（海）面附近偶极子产生的近距离电磁场的数值计算 279

8.1 索末菲型积分的数值计算方法 279

8.1.1 按贝塞尔函数的0点把无穷积分变为无穷级数 279

8.1.2 索末菲型积分数值计算中源点和场点高度（深度）不能都等于0 283

8.1.3 数值计算中的误差 287

8.2 电磁场数值积分计算精度检验 289

8.2.1 地面上侧垂直电偶极子在地面上空产生的径向电场直接波的数值积分结果与代数公式计算结果的比较 289

8.2.2 地面上侧水平电偶极子在地面上空产生的径向磁场直接波的数值积分结果与代数公式计算结果的比较 291

8.2.3 海面下侧垂直电偶极子在海水中产生的径向电场直接波的数值积分结果与代数公式计算结果的比较 293

8.3 电磁场数值积分计算及其与各种近似公式计算结果的比较 294

8.3.1 海水中单位水平电偶极矩在海水中产生的电磁场 294

8.3.2 海水中单位水平电偶极矩在海面上空产生的电磁场 297

8.3.3 地面上单位垂直电偶极矩在地面上空产生的电磁场 303

8.3.4 地面上单位垂直磁偶极矩在地面上空产生的电磁场 307

8.3.5 海水中单位水平磁偶极矩在海水中产生的电磁场 309

8.3.6 海水中单位水平磁偶极矩在海面上空产生的电磁场 312

8.3.7 海面上空单位水平磁偶极矩在海水中产生的电磁场 314

第9章 超低频和极低频的大功率发射天线 317

9.1 超低频和极低频大功率发射天线的形式 317

9.2 两端接地水平天线既可以看作是电偶极子，又可以看作是磁偶极子 318

9.3 两端接地水平天线的性能指标 319

9.3.1 两端接地水平天线电磁场的方向性 319

9.3.2 两端接地水平天线的辐射能力与天线场地视电导率的关系 319

9.3.3 两端接地水平天线的辐射电阻 320

9.3.4 无限长导线单位长度阻抗公式的推导 320

9.3.5 两端接地水平天线的效率 325

9.4 地面附近无限长导线单位长度阻抗的数值积分计算 325

9.5 两端接地水平天线上的电流和电压分布 329

9.6 两端接地水平天线附近电磁场的计算 334

9.6.1 用水平电偶极子的电磁场公式计算两端接地水平天线附近的电磁场 334

9.6.2 根据无限长导线电场公式用数值积分方法计算地面上的水平电场 339

9.6.3 天线电压引起的垂直电场 341

9.6.4 天线终端下引线的电磁场 342

9.7 天线场地电阻率的各向异性及其对天线方向性的影响 343

9.7.1 各向异性岩层的电阻率矩阵 343

9.7.2 各向异性场地的地表面阻抗矩阵及天线的方向性函数 344

9.7.3 实际天线方向图的一种测量方法 348

9.8 天线场地高电导率覆盖层对视电导率的影响 349

第10章 超低频和极低频电磁波的应用 351

10.1 超低频和极低频的通信应用 351

10.1.1 岸上发信台对远距离、大深度海下目标的通信 351

10.1.2 海面附近目标间近距离通信的可能性 354

10.2 超低频以下频率电磁波在地质勘探中的应用 360

10.2.1 电场和磁场的测量 361

10.2.2 通过测量地表面阻抗研究大地的电性能结构 362

10.2.3 海底岩层的电磁勘测 368

10.2.4 无线电法用于地质资源探测的优点及试验举例 373

10.3 超低频以下频率电磁波在地震预报研究中的应用 377

第11章 超低频和极低频的大气噪声 380

11.1 全球一些地点的噪声谱密度资料 380

11.2 美国的超低频大气噪声实验资料 388

11.2.1 陆地大气噪声测量资料 389

11.2.2 海上大气噪声测量资料 390

11.2.3 陆地和海上大气噪声测量资料的对比分析 391

11.3 超低频和极低频大气噪声全球分布图 393

参考文献 395