109 年 國立臺灣大學電信工程學研究所甲組《電磁學與電磁波》
第 1 題20 分
An infinite planar current sheet, , is placed at the interface () of two perfect dielectric materials, where is a time-varying surface current density given by
The values of permittivity in these two regions are given by and for and , respectively. (Both cases assume ).
(1) (4 points) Find the intrinsic impedances, and , in these two regions of and , respectively. Also find the corresponding phase constants, and . (Note that the speed of light is m/s).
(2) (8 points) Find the electric field and the magnetic field in both regions and .
(3) (4 points) Specify the boundary conditions for and , respectively at when the fields in the two regions go close to the interface at .
(4) (4 points) Please show if the time-average power densities in these two regions are equal.
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核心觀念
本題考查:
- 無限時變電流片所產生的平面電磁波。
- 無損介質的本質阻抗 與相位常數 。
- 電磁波中電場與磁場的關係。
- 電流片邊界條件:
- 平均坡印廷向量:
令區域 1 為 ,區域 2 為 。電流片位於 ,且
其中
(1)本質阻抗與相位常數
本質阻抗
無損介質的本質阻抗為
其中
區域 1:
區域 2:
相位常數
相位常數為
區域 1:
區域 2:
因此,
(2)兩區域中的電場與磁場
解題方法
電流片向兩側輻射:
- 的波向 傳播。
- 的波向 傳播。
由於電流方向為 ,電場必須沿 ,磁場則依右手定則沿 。
設界面上的電場為
由於電流片的邊界條件,最後可得 與電流密度的關係。
界面電場振幅
在 ,波向 傳播:
在 ,波向 傳播:
切向磁場邊界條件為
代入方向後,得到
其中 ,因此
計算等效阻抗:
故
負號表示電場方向為 。
區域 2:
向 傳播的電波為
其中 、,所以
磁場為
因此
因為
區域 1:
向 傳播的電波為
即
第 2 題15 分
Consider two parallel infinite plane sheets held a distance apart (the material inside is air). The surface charge density is at , and is at .
(1) (6 points) Find the electric field everywhere. Calculate the voltage between the two plane sheets. Find the capacitance per area.
(2) (6 points) Now the air is replaced by a dielectric material, . Repeat the computations in (1).
(3) (3 points) Find the polarization current density, .
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核心觀念
本題考查平行無限大帶電平面的電場、電位差、平行板電容,以及介電質中的極化與極化電流。
主要公式如下:
- 無限大帶電平面的電場大小:
- 由高斯定律,介面上的自由面電荷滿足:
- 電場與電位差關係:
- 平行板電容:
其中 為自由面電荷密度,兩平面分別位於 與 。
(1) 材料為空氣
電場
在 的正電荷面,其兩側電場皆由平面向外:
- 區域:電場方向為
- 區域:電場方向為
在 的負電荷面,其兩側電場皆指向該平面:
- 區域:電場方向為
- 區域:電場方向為
因此,兩平面外部的電場互相抵消,而兩平面之間的電場相加:
也可直接使用高斯柱面求得。對於 的區域,電位移為
所以
兩平面間的電壓
取 為正電板相對負電板的電壓:
由於兩板間 ,得到
因此
若題目定義電壓為 ,則結果為
單位面積電容
平行板上的自由電荷為
因此
故
(2) 介電質
介電質填滿兩平面之間,且題目給定的 視為自由面電荷密度,因此電位移 由自由電荷決定,仍為
電場
介電質內有
所以
第 3 題15 分
Consider an electric field propagating radially outward in free space, which is expressed in spherical coordinates by
where is the variables of spherical coordinate system with being the unit vectors of their axes. We assume that , and their propagation direction follow the rule of plane wave.
(a) (5 points) Please find the propagation direction, and afterward determine the magnetic field, .
(b) (5 points) Find the instantaneous power density (). Specify the direction of power propagation.
(c) (5 points) Integrate the power density in (b) through a spherical surface with radius to find the power (). Also calculate the time average power. (Note: )
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相位為
故
傳播方向為徑向外,即 。
自由空間平面波必須滿足橫向條件
但題給 ,因此
此結果與非零、隨時間變化的自由空間電場不相容;
第 4 題15 分
Consider a transmission line with characteristic impedance , propagation constant , and length . It is connected to a short-circuited load at one end.
(a) (5 points) Show that the input impedance looking into the transmission line (from the other end) can be expressed as .
(b) (5 points) Assume that the short-circuited load is replaced by an arbitrary load , as shown in Figure 1, please show that the input impedance looking into the transmission line can be expressed as
(Hint: use , where is the reflection coefficient at location )
Figure 1.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(c) (5 points) Let be the line impedance at location looking towards the load. Show that
where is the reflection coefficient at location .
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核心觀念
本題考查無損傳輸線的:
- 特性阻抗 與輸入阻抗的關係。
- 傳輸線上的電壓、電流行波與反射波。
- 反射係數與線上阻抗的轉換公式。
- 短路負載與任意負載下的阻抗變換。
令 表示「由負載端朝訊號源方向量測的距離」,因此負載端為 ,輸入端為 。
(a) 短路負載的輸入阻抗
短路負載滿足
無損傳輸線上,距離負載端 處的電壓與電流可寫成
短路時 ,因此
所以距離負載端 處的阻抗為
輸入端位於 ,故
(b) 任意負載下的輸入阻抗
任意負載 下,有
代入傳輸線上的電壓與電流式:
因此
整理得
分子、分母同除以 :
將分母乘以 ,得到
輸入端為 ,所以
第 5 題15 分
Figure 2 shows a plane wave of TE polarization incident upon a planar interface at , the electric field is , the reflected electric field is , and the transmitted electric field is , where is the reflection coefficient and is the transmission coefficient.
(a) (5 points) Derive the incident, reflected and transmitted magnetic fields by using .
(b) (5 points) Impose the boundary condition that the tangential electric and magnetic fields are continuous at to solve and .
(c) (5 points) If , derive the formula of the critical angle at which total reflection occurs.
Figure 2.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
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核心觀念
本題考查:
- 平面波中電場與磁場的關係
- 介面上的切向電場、磁場連續條件。
- TE 波在介面上的反射係數與透射係數。
- 全反射與臨界角。
設介面為 ,介面法向為 軸,入射波由介質 1 入射至介質 2。波向量的切向分量必須滿足
且反射波的法向波向量反向:
其中
(a) 推導三個磁場
對一般形式
有
由
可得
因此
入射波
反射波
反射電場為
故
利用 、,也可寫成
透射波
(b) 求反射係數 與透射係數
切向電場連續
在 時,切向電場為 方向,因此
代入各電場:
所以
切向磁場連續
磁場的切向分量為 方向。
在 時,
由各磁場的 分量,
使用 ,得
令
則
再利用 :
整理得
因此反射係數為
第 6 題20 分
The vector potential induced by a Hertzian dipole at the origin can be represented in the spherical coordinate as
(a) (5 points) Derive the magnetic field in the spherical coordinate by using .
(b) (5 points) Derive the electric field in the spherical coordinate by using .
(c) (5 points) In the far field (), write down the dominant term in the expressions of in (a) and in (b).
(d) (5 points) Derive the time-average power density by using the far-field expressions in (c).
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核心觀念
本題考查:
- 向量位勢與磁場的關係
- 由安培–馬克士威方程求電場
- 球座標中的旋度公式
- Hertzian dipole 在遠場的 主導項
- 時間平均坡印廷向量
題目若將 嚴格解讀為純徑向向量 ,則在 處有 ,會導致 ,與 Hertzian dipole 的物理結果不符。因此本題應採用標準的 軸方向 Hertzian dipole:
以下省略共同的時間因子 ,並令
在球座標中,
故
解題方法
由於 僅含 與 分量,且不依賴 ,因此 只有 分量。接著再對所得的 取旋度,即可得到 與 。
(a) 求磁場
球座標旋度的 分量為
先計算第一項:
第二項為
因此
由 ,得到
亦即
(b) 求電場
令
因為磁場只有 分量,球座標旋度為
首先,
再計算 分量:
因此
由
可得徑向電場
整理為
切向電場為
使用自由空間波阻抗