本書內容包含二部分：*部分為電磁場理論，作為剛入學研究生電磁場理論課程的教材；第二部分為電磁場的計算，作為高年級研究生計算電磁學的教材。通常的研究生電磁場課程的教材基本理論部分較為簡練，內容較深，但由于在過去二十年中本科生的課程體系有了較大的改變，研究生的電磁場課程要求與新入學研究生在本科獲得的電磁場基礎之間有較大的差距。因此，作者在本書中比較注重基礎理論部分，并且在內容選取上比較注重工程應用，同時和電磁場的前沿研究有比較密切的結合。本書*部分的內容包含基礎理論（如：矢量分析、麥克斯韋方程、邊界條件和傳輸線理論）高級問題（如：波變換、疊加原理和分層介質球散射）。
本書的邏輯嚴密，概念清晰，內容選取合理，難易程度適中
譯者序
電磁場理論課程是國內外各大學的學生普遍感到畏懼的課程。本科學生如此，到了研究生階段，仍然如此。其原因如下：電磁場理論公式多、推導復雜、內容抽象。有了基本的電磁場理論基礎以后，在研究生階段如何使電磁場理論知識系統化，使其運用麥克斯韋方程分析電磁問題的水平進一步提高，這是研究生電磁場理論課程需要解決的問題。
要在研究生階段學好電磁場理論課程，首先要有一本好的教材。計算電磁學的發展使得電磁理論與計算數學產生了越來越緊密的關系，以至于有必要將這部分內容納入電磁理論教材中，讓研究生階段的學生比較系統地掌握這部分知識，目前國內還沒有這樣的中文教材，值得推介的3種著名的研究生電磁場理論課程的教材分別是：
1. 哈林頓（R. F. Harrington）的TimeHarmonic Electromagnetic Fields；
2. 孔金甌（J. A. Kong）的Electromagnetic Wave Theory；
3. 巴拉尼斯（C. A. Balanis）的Advanced Engineering Electromagnetics, Second Edition。
但是，這些教材各有不適合作為教材的特點。或因所撰寫年代太早，比如第1種于1961年出版；或因過于偏重理論，比如第2種；或因涵蓋的內容太多，比如第3種，全書超過1000頁。在計算電磁學高度發展的當今，很多需要非常復雜的公式才能解決的電磁問題，都可以交給計算機完成。因此，研究生電磁場理論課程的內容需要非常精心地選擇，主要考慮3方面的問題：
1. 由于本科階段基礎電磁場理論課程學時數的減少，因此教材中要有相當的篇幅加強基礎內容；
2. 教材內容中要體現電磁場領域中的新理論、新技術、新成果；
3. 教材內容要體現完整的電磁場理論結構體系，但理論不宜太深奧，篇幅不宜太長，其主要內容適合安排一個學期的課程。
美國伊利諾伊大學香檳校區JianMing Jin（金建銘）教授所著的Theory and Computation of Electromagnetic Fields, Second Edition滿足了研究生階段電磁場理論課程對教材的所有要求。本書有下面幾個特點：
1. 為不同層次的研究生學習和了解更高等的問題提供了必須的基礎知識；
2. 分析了電磁輻射、傳播、透射及反射現象；
3. 闡述了重要的電磁定理和原理；
4. 對笛卡兒坐標、柱坐標、球坐標中的波的傳播、散射、輻射問題的電磁分析進行了討論；
5. 涵蓋了頻域和時域中基本及高級電磁計算方法及其工程應用；
6. 為檢驗和鞏固學生對課程內容的理解，每一章都包含了一定數量的習題。為便于讀者學會如何使用這些知識分析和解決相關的電磁問題，很多章節都附有例題。
考慮到國內各大學研究生課程的安排情況，我們將英文原著分成兩部分出版。《高等電磁場理論（第二版）》，即本書，其內容對應原著第一部分（即前7章）及附錄，適合作為研究生的電磁場理論課程的教材。《計算電磁學（第二版）》，其內容對應原著第二部分，可作為研究生的計算電磁學課程的教材。
本書由國防科技大學電子科學與工程學院尹家賢翻譯。金建銘教授對全部譯稿進行了認真的修改和審閱，在此表示感謝。電子工業出版社的馬嵐編輯在本書的出版過程中付出了辛勤的勞動，也在此表示感謝。
雖然筆者非常認真地進行了本書的翻譯，但由于水平有限，書中譯詞不當、疏誤之處難免，懇請讀者批評指正。前言為便于讀者了解原著的寫作思路和整體架構，這里保留了原著前言的全部內容。其中，只有前7章和附錄是本書的內容，其余譯文包括在《計算電磁學（第二版）》一書中，將稍遲于本書，由電子工業出版社出版。編者注
正如書名所示，本書包括兩部分內容。第一部分為電磁場理論，其可以作為研究生階段基礎電磁理論課程的教材。第二部分為計算電磁學，其可以作為研究生階段計算電磁學課程的教材。研究生階段的基礎電磁理論課程已有若干教材可用，但計算電磁學課程卻沒有合適的教材，本書意在填補這一空缺。本書的兩部分內容是一脈相承的，以便學生可以較為容易地從第一階段課程過渡到第二階段課程。
雖然本書的第一部分介紹的是經典的基礎電磁理論，但其涵蓋的內容與現有教材有所不同，這主要是因為本科生的課程體系在過去二十年中有了較大的改變。許多大學減少了必修課的數量，以便學生在自我規劃時更為自由。這就導致在美國大多數的電子工程系中，本科生只有一門電磁場的必修課程。因而研究生在入學時對基礎電磁理論的掌握情況差異很大。為了應對這一挑戰，使不同層次的學生均能從中受益，作者的授課課程內容既涵蓋基礎理論（如矢量分析、麥克斯韋方程組、邊界條件和傳輸線理論）也包括高等問題（如波變換、疊加原理和分層介質球散射）。
在撰寫本書的第一部分時，作者始終遵循下列原則：第一，本書并不是要作為一本包羅萬象的電磁理論參考書。其只應包含足夠的基礎知識，使電子工程專業的研究生在未來研究高級課題時有足夠的知識準備。并且所有內容應該能在一學期內講授完。因此，對該部分涵蓋的內容進行了非常仔細的篩選。第二，書的形式應該適合課堂教學和自學，而不是作為參考書使用。舉例說明這其中的區別：對于參考書，所有有關格林函數的內容應該獨立列為一章以便查閱；而對于課堂教學，循序漸進地介紹新思想和新概念通常更為合適。第三，寫作和教學應始終緊扣一個中心完整的電磁理論是從麥克斯韋方程出發，以數學為工具推導發展而來的。因而在介紹每一個主題時，都應該從麥克斯韋方程，或者基于麥克斯韋方程的定理開始。
本書的第二部分介紹了幾種重要的計算電磁學方法，它們在工程應用中得到了廣泛使用。這些方法包括有限差分法（特別是時域有限差分法），有限元法和基于積分方程的矩量法，它們是電磁場數值分析中的三種最基本方法。學生在熟練掌握這三種方法后，可以很容易地學習其他數值方法。第二部分還介紹了求解積分方程的快速算法以及結合不同數值方法的混合方法，掌握這些技術，就能更有效地處理復雜電磁問題。隨著計算電磁學這一電磁分析和仿真工具得到越來越廣泛地應用，基于上述內容的計算電磁學課程也越來越受歡迎。在伊利諾伊大學，這門課程被許多非電磁方向甚至非電子工程專業的學生選修。
下面是本書所涵蓋內容的摘要書中部分插圖所對應的彩色圖片, 可通過華信教育資源網(www.hxedu.com.cn)注冊下載。編者注。第1章介紹基本電磁理論，包括矢量分析的簡要回顧，積分和微分形式的麥克斯韋方程，不同介質分界面和理想導體表面的邊界條件，描述媒質中電磁特性的本構關系，電磁能量和功率的概念，以及時諧場的麥克斯韋方程。本章還介紹可以簡化矢量分析的符號矢量法。在本章中，將積分形式的麥克斯韋方程作為基本假定，由此推出微分形式的麥克斯韋方程以及各種邊界條件。
第2章研究自由空間輻射場。利用本構關系并求解微分形式的麥克斯韋方程，就可以得到輻射場。本章中介紹作為輔助函數的標量位函數和矢量位函數，并討論使用輔助位函數求解麥克斯韋方程的優勢。另外, 還介紹將場－源聯系起來的格林函數和并矢格林函數。最后，研究輻射場的遠場近似，并由此得到索末菲輻射條件。
第3章介紹從麥克斯韋方程導出的一些重要定理和原理。首先是唯一性定理，以及以此為基礎得到的鏡像原理和面等效原理。作為面等效原理的應用，推導了感應定理、物理等效原理以及口徑輻射問題的求解。由麥克斯韋方程的對稱性得到對偶原理，并將其應用到互補結構中，得到巴比涅原理。
第4章的研究對象是均勻平面波。分析它在無界均勻媒質中的傳播，以便更好地理解波的傳播特性。文中首先回顧基本的傳輸線理論，介紹與波傳播相關的一些基本概念，例如傳播常數、衰減常數和各種速度。然后，用分離變量法求得波動方程在笛卡兒坐標系中的解，并由此討論平面波的一些基本特性，例如波阻抗、極化。接下來，求解幾個簡單的邊值問題，包括面電流的輻射場和平面波在兩種不同媒質分界面的反射和透射。本章還討論平面波在單軸媒質、回旋媒質、手征媒質、超材料中的傳播以及入射到左手媒質中的情況。
第5章討論電磁波在均勻和非均勻填充波導和介質波導中的傳播，以及諧振腔問題。首先推導一般形式的波導和諧振腔中的電磁場解，并分析其基本特性。然后分析矩形波導和矩形諧振腔。接下來介紹微擾法，并用其計算非理想波導的衰減常數和諧振腔的品質因數，以及諧振腔中因填充材料或形狀發生微小改變時諧振頻率的變化。此外，還詳細分析了部分填充波導和介質板波導中的混合模式。最后，討論波導和分層媒質中的電流源激勵問題，因為這個問題在實際應用中非常重要。
第6章討論柱坐標系中的電磁問題。首先用分離變量法求解柱坐標系中的亥姆霍茲方程，并推導出柱面波函數。然后用柱面波函數分析圓波導、同軸線及圓柱諧振腔。接下來，分析圓柱介質波導中的波傳播。此后，推導將平面波展開成柱面波的波變換，并應用波變換求解導體柱和介質柱的散射問題。最后，分析線電流和圓柱面電流在導體柱或導體劈存在時的輻射問題。由得到的結果，推導出了二維場的索末菲輻射條件，并解釋導體劈橫向場的奇異性。
第7章討論球坐標系中的電磁問題。首先用分離變量法求解球坐標系中的亥姆霍茲方程，并推導出球面波函數。然后用球面波函數分析球諧振腔和雙錐天線。接下來，推導將平面波展開成球面波的波變換，并應用波變換求解導體球和介質球的散射問題。此外，還研究點電荷的輻射問題，并由此推導出球面波的加法定理。最后，分析球面電流在導體球或導體錐存在時的輻射問題，以此說明球坐標系中輻射問題的分析方法并解釋導體尖端場的奇異性。
從第8章開始，討論計算電磁學的內容。第8章通過推導基本的有限差分公式并將其應用于波動方程和擴散方程中，展示有限差分法的基本原理。緊接著，討論有限差分法中的兩個重要問題：穩定性分析和色散分析。之后，介紹二維和三維情況下用于求解麥克斯韋方程的時域有限差分法。最后，討論如何用吸收邊界條件（ABC）和理想匹配層（PML）來截斷開放區域中的電磁問題，在時
金建銘博士 美國伊利諾伊大學香檳校區（UIUC）電子與計算機工程的羅遠祉講座教授，電磁學實驗室和計算電磁中心主任。IEEE會士。著有The Finite Element Method in Electromagnetics, Third Edition和Electromagnetic Analysis and Design in Magnetic Resonance Imaging。與他人合著了Computation of Special Functions，Finite Element Analysis of Antennas and Arrays和Fast and Efficient Algorithms in Computational Electromagnetics。被ISI列入論文引用率最高的作者名單。金建銘博士在國際上被十二所大學和研究機構授予客座、訪問或講座教授，與國內多所重點大學也有學術交流。在電磁場理論與數值計算方法研究領域有重大的影響力，曾獲國際領域的計算電磁學獎和IEEE的戴振鐸杰出教育家獎。
第1章基本電磁理論
1.1矢量分析
1.1.1矢量算子和積分定理
1.1.2符號矢量法
1.1.3亥姆霍茲定理
1.1.4格林定理
1.2總電荷和總電流表示的麥克斯韋
方程組
1.2.1積分形式的麥克斯韋方程組
1.2.2微分形式的麥克斯韋方程組
1.2.3電流連續性方程
1.2.4洛倫茲力定律
1.3本構關系
1.3.1電極化
1.3.2磁化
1.3.3電傳導
1.3.4媒質的分類
1.4自由電荷和自由電流表示的
麥克斯韋方程組
1.5邊界條件
1.6能量、功率和坡印亭定理
1.7時諧場
1.7.1時諧場
1.7.2傅里葉變換
1.7.3復功率
1.7.4復介電常數和復磁導率
參考文獻
習題
第2章自由空間中的電磁輻射
2.1標量位和矢量位
2.1.1靜態場
2.1.2時諧場和洛倫茲規范
2.2自由空間中矢量位的解
2.2.1函數和格林函數
2.2.2自由空間格林函數
2.2.3自由空間中的場－源關系
2.2.4輔助位函數的意義
2.2.5自由空間并矢格林函數
2.3自由空間中的電磁輻射
2.3.1無限小電偶極子
2.3.2有限長電偶極子
2.3.3遠場近似和索末菲輻射條件
2.3.4圓電流環和磁偶極子
2.4面電流和平面陣列的輻射
2.4.1面電流的輻射
2.4.2平面陣的輻射
參考文獻
習題
第3章電磁定理和原理
3.1唯一性定理
3.2鏡像原理
3.2.1鏡像原理
3.2.2無限大半空間中的場－源
關系
3.3互易定理
3.3.1一般形式的互易定理
3.3.2洛倫茲互易定理
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等效原理在導體散射問題
中的應用
3.4.3等效原理在介質體散射中的
應用
3.4.4體等效原理
3.5對偶原理
3.6口徑輻射和散射
3.6.1等效問題
3.6.2巴比涅原理
3.6.3互補天線
參考文獻
習題
第4章傳輸線和平面波
4.1傳輸線理論
4.1.1傳輸線方程及其解
4.1.2反射和透射
4.1.3格林函數和特征函數展開
4.2波動方程及其通解
4.2.1波動方程和分離變量法
4.2.2平面波特性
4.2.3波的速度與衰減
4.2.4線極化、圓極化和橢圓
極化
4.2.5電磁波在超材料中的傳播
4.3面電流產生的平面波
4.4反射和透射
4.4.1垂直入射波的反射和透射
4.4.2斜入射時的反射和透射
4.4.3全透射和全反射
4.4.4電磁波入射到左手媒質
時的透射
4.4.5平面波和傳輸線的相似性
4.5各向異性媒質和雙各向同性
媒質中的平面波
4.5.1單軸媒質中的平面波
4.5.2回旋媒質中的平面波
4.5.3手征媒質中的平面波
參考文獻
習題
第5章笛卡兒坐標系中的場與波
5.1均勻波導
5.1.1均勻波導的分析方法
5.1.2波導的一般特性
5.1.3均勻矩形波導
5.1.4波導中的損耗和衰減常數
5.2均勻諧振腔
5.2.1均勻諧振腔的一般特性
5.2.2矩形諧振腔
5.2.3材料和幾何形狀的微擾
5.3部分填充波導和介質板波導
5.3.1一般理論
5.3.2部分填充的矩形波導
5.3.3介質覆蓋導電平板波導
5.4波導中的場的激勵
5.4.1面電流源激勵
5.4.2體電流源激勵
5.5平面分層媒質中的場
5.5.1譜域格林函數和索末菲
恒等式
5.5.2分層媒質上方的垂直電
偶極子
5.5.3分層媒質上方的水平電
偶極子
5.5.4接地介質板上的電偶極子
參考文獻
習題
第6章柱坐標系中的場與波
6.1波動方程的解
6.1.1分離變量法的解
6.1.2柱面波函數
6.2圓波導、同軸線和圓柱
諧振腔
6.2.1圓波導
6.2.2同軸線
6.2.3圓柱諧振腔
6.3圓柱介質波導
6.3.1混合模的分析
6.3.2混合模的特性
6.4波變換和散射分析
6.4.1波變換
6.4.2導體圓柱的散射
6.4.3介質圓柱的散射
6.4.4多層介質圓柱的散射
6.5無限長電流源的輻射
6.5.1線電流在自由空間中的
輻射
6.5.2圓柱面電流的輻射
6.5.3導體圓柱存在時的輻射
6.5.4導體劈存在時的輻射
6.5.5有限長電流源的輻射
參考文獻
習題
第7章球坐標系中的場與波
7.1波動方程的解
7.1.1分離變量法的解
7.1.2球面波函數
7.1.3TEr和TMr模式
7.2球形諧振腔
7.3雙錐天線
7.3.1無限長雙錐天線
7.3.2有限長雙錐天線
7.4波變換和散射分析
7.4.1波變換
7.4.2平面波的展開
7.4.3導體球的散射
7.4.4介質球的散射
7.4.5多層介質球的散射
7.5加法定理和輻射分析
7.5.1球面波函數的加法定理
7.5.2球面電流的輻射
7.5.3球體存在時的輻射
7.5.4導體錐存在時的輻射
參考文獻
習題
附錄A矢量恒等式、積分定理、
坐標變換
附錄B貝塞爾函數
附錄C修正貝塞爾函數
附錄D球面貝塞爾函數
附錄E連帶勒讓德多項式
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